Sisällysluettelo
Show
1. Yleiskatsaus laserhitsaustekniikasta
1.1 Määritelmä laserhitsaus
Laserhitsaus on tarkkaan materiaalin liittymisprosessi, joka käyttää tiivistettyä lasersädettä sulake- ja sulake-materiaalien sulattamiseen, luomalla vahva, kestävät joukkovelkakirjat.
Tämä tekniikka muuntaa sähköenergian keskittyneeksi valonsäteiseksi - aallonpituudella 1060 nm (kuitulaserit) 10 600 nm (Laserit)- joka siirtää voimakasta lämpöä työkappaleelle, paikallisen sulamisen mahdollistaminen ilman laajalle levinnyttä lämpö vääristymiä.
Toisin kuin perinteiset hitsausmenetelmät (esim., MINULLE, Tig), Laserhitsaus riippuu optisista järjestelmistä palkin ohjaamiseksi, mahdollistaa energian syötteen tarkan hallinnan.
Tämä tekee siitä ihanteellisen liittää ohuita arkkeja, mikrokomponentit, ja erilaisia materiaaleja, Autoteollisuuden ulottuvilla sovelluksilla, ilmailu, elektroniikka, ja lääkinnälliset laitteet.
1.2 Kehitystausta ja merkitys
- Historialliset välitavoitteet:
- 1960s: Ensimmäiset laserhitsit suoritettiin käyttämällä Ruby -lasereita, Vaikka rajoitettu voima ja luotettavuus rajoitti teollisuuden käyttöä.
- 1970s: Laserit (10KW -voima) mahdollistaa paksun teräksen syvän tunkeutumissuhdan, Ensimmäisen suuren teollisuuden adoption merkitseminen.
- 2000s: Kuitulaserit mullistivat kentän 30–40%: n energiatehokkuudella, kompakti suunnittelu, ja ylivoimainen säteen laatu, Operatiivisten kustannusten vähentäminen 50% verrattuna CO₂ -järjestelmiin.
- Teollisuuden merkitys:
- Mahdollistaa kevyen massatuotannon, Sähköajoneuvojen erittäin luvat komponentit (Sähköautot) ja lentokone.
- Helpottaa elektroniikan miniatyrisointia, kuten hitsaus 50 um: n paksuista johdoista mikrosiruissa.
- Tukee kestävää valmistusta vähentyneen materiaalijätteen ja energiankulutuksen avulla.
1.3 Ydin edut
| Etu | Tekninen perusta | Käytännöllinen vaikutus |
|---|---|---|
| Tarkkuus | Säteen halkaisija niin pieni kuin 10 μm; toleranssit ± 0,02 mm. | Kriittinen ilmailu- ja lääketieteellisten stenttien kannalta. |
| Nopeus | Hitsausnopeus jopa 15 m/min 1 mm: n alumiinille. | Vähentää sykli -aikoja autokokoonpanossa. |
| Aineellinen monipuolisuus | Liittyä teräkseen, alumiini, kupari, titaani, ja muovit. | Mahdollistaa erilaisen materiaalin sitoutumisen (esim., teräs alumiiniin). |
| Minimaalinen Haz | Paikallinen lämmön syöttö; HAZ <0.2mm ohuille arkeille. | Säilyttää materiaaliominaisuudet lämpöherkissä seoksissa. |
2. Laserhitsauksen perusperiaatteet
2.1 Laserien fysikaaliset ominaisuudet
Hitsauksessa käytetyt laserit jakavat nämä avainominaisuudet:
- Yksivärinen: Yhden aallonpituuden valo tiivistää energian tehokkaasti.
- Alueellinen johdonmukaisuus: Tiukka säteen tarkennus tuottaa suuritehoiset tiheydet (jopa 10–10⁸ w/cm²).
- Suunta: Matala ero varmistaa tasaisen energiankulutuksen etäisyyden yli.
- Aallonpituusalue: Laserit (~ 10,6 µm), Nd:Yag (~ 1,06 µm), ja kuitu/levylaserit (~ 1,07 µm) Tarjoa kompromisseja imeytymisessä, tehokkuutta, ja säteen laatu.
2.2 Hitsausprosessin fyysinen mekanismi
- Imeytyminen: Materiaalin pinta imee laserenergiaa, lämpötilan nostaminen.
- Sulaminen: Paikallinen sulatus muodostaa pienen hitsauspoolin.
- Avaimenreiän muodostuminen (tunkeutumistila): Suuritehoisilla tiheyksillä, Höyrystys luo ontelon ("avaimenreikä") Se vangitsee laservaloa, ajaa syvää tunkeutumista.
- Sulan dynamiikka: Pintajännitys ja kiertopaine hallitsevat sulaa -metallivirtausta avaimenreiän ympärillä.
- Jähmettyminen: Kun palkki liikkuu, metalli jäähtyy ja jähmettyy, hitsaumaman muodostaminen.
2.3 Hitsausmoodien luokittelu
| Tila | Palkkiprofiili | Tunkeutumissyvyys | Keskeiset ominaisuudet |
|---|---|---|---|
| Johtuminen | Pieniteho tiheys CW | Matala (<1 mm) | Leveä lämpövaikutteinen vyöhyke, yksinkertainen asennus |
| Tunkeutuminen (Avaimenreikä) | Suuritehoiden tiheys CW | Syvä (>5 mm) | Kapea sauma, syvän hitsaus, korkea kuvasuhde |
| Jatkuva aalto (CW) | Vakiopalkki | Muuttuja virran perusteella | Vakaa lämpötulo, sileä hitsaus |
| Pulssi | Energian purske | Hallittu <3 mm | Alhainen lämmön syöttö, rajoitettu vääristymä |
| Hybridi (Laser -arc) | Laser + Minä/mag kaari | Syvä + täyteaine | Suvaitsevainen sopivuuteen, alempi laservoima |
- Jatkuva aalto (CW): Toimittaa tasaisen säteen jatkuvan lämmönjakelun saavuttamiseksi, Ihanteellinen syvän avaimenreiän hitsaukseen suurilla nopeuksilla.
- Pulssi: Säteilee lyhyitä pulsseja (µs -MS) Lämpötulojen rajoittamiseksi, kontrollin tunkeutumissyvyys, ja tuottaa "pinottujen dimmejen" hitsaus ulkonäön.
- Hybridi -laser -ARC: Yhdistää lasersäteen MiG/Mag Arc: n kanssa, Tarjoaa syvempää tunkeutumista vähentyneellä laservoimalla ja lisääntynyt toleranssi nivelten aukkoihin.
3. Laserhitsauslaitteet ja komponentit
3.1 Laser -lähditekniikka
- Laserit: Kaasun täytetty, Korkea keskimääräinen teho, mutta vaativat monimutkaisia säteenohjattuja peilejä ja niillä on pidempi aallonpituus (~ 10,6 µm).
- Nd:YAG -laserit: Kiinteä valtiollinen, Q-kytketty pulssioperaatiota varten, kompakti resonaattori - mutta alhaisempi keskimääräinen teho kuin kuitu .
- Kuitulaserit: Palkkaa seostetut kuituytimet voitosta; Tarjoa erinomaista säteen laatua, korkea sähkötehokkuus, ja huoltovapaa käyttö.
- Levylaserit: Ohuen levyn vahvistusväliaine tarjoaa suuritehoiset tiheydet ja hyvän lämpökäsittelyn, sopii erittäin suurten voimansiirtosovelluksiin.
3.2 Optinen järjestelmä
- Palkinto: Peilit (heijastava optiikka) tai kuituoptiset kaapelit opaspalkki lähteestä toiseen.
- Keskittyä optiikkaan: Käytä parabolisia peilejä (Yhteistyö) tai ZNSE/KCL -linssit (jopa ~ 4 kW) säteen keskittyä 0,1–1 mm: n polttopisteisiin.
- Säteen muotoilu: Edistyneitä säteenvaihtomoduuleja (esim., diffraktiivinen optiikka) Voi räätälöidä intensiteettiprofiileja räätälöityihin hitsausgeometrioihin.
3.3 Liikkeenohjaus
- Cartesian & Robotit: Anna toistettava XYZ -liike; Robotit mahdollistavat viiden akselin artikulaatiot monimutkaisista geometrioista.
- Galvanometrin skannerit: Nopea ohjauspeilit lennossa hitsausta varten siirtämättä työkappalaa.
- Integroitu hallinta: Reaaliaikainen koordinointi linkittää säteen tehoa, pulssiparametrit, ja matkanopeus johdonmukaiseen hitsin laatuun.
3.4 Jäähdytys- ja turvajärjestelmä
- Jäähdytys: Suljetun silmukan vesijäähdyttimet ylläpitävät laserlähdettä ja optiikkaa vakaissa lämpötiloissa, Lämpöhuollon estäminen.
- Suojakaasu: Argon tai helium suojaa hitsauspoolia hapettumiselta ja plasman imeytymiseltä.
- Kotelot & Lukki: Laser -turvalliset kotelot, joissa on ovilukot ja hätäpysähdykset varmistavat käyttäjän turvallisuuden.
- Hölynpoisto: Tuuletusjärjestelmät Poista savu, roiske, ja höyryt optisen selkeyden ja työpaikan terveyden ylläpitämiseksi.
4. Prosessiparametrit ja optimointi
4.1 Keskeiset prosessiparametrit
| Parametri | Määritelmä | Vaikutus hitsin laatuun | Säätövinkit |
|---|---|---|---|
| Laservoima (P) | Energiantuotto (W -) | Suurempi teho lisää tunkeutumista; riski roiskeita, jos liiallinen. | Aloita 200W/mm: n paksuus teräkselle. |
| Hitsausnopeus (v) | Säteen liikkumisenopeus (m/minun) | Nopeammat nopeudet vähentävät HAZ: ta, mutta vaativat korkeamman fuusion tehoa. | 1–5 m/min 1–5 mm: n teräkselle; 0.5–2 m/min alumiinille. |
| Tarkennusasema (f) | Etäisyys linssistä työkappaleen (mm) | +f syvemmälle tunkeutumiseksi; -f laajemmalle, matalat hitsit. | Käytä automaattitarkistusta vaihtelevan arkin paksuuden suhteen. |
| Auttaa kaasua | Tyyppi/paine (esim., N₂, 15 baari) | Estää hapettumisen (N₂/päällä) tai parantaa fuusiota (Oman). | Ruostumattoman teräksen typpi; happi terästä. |
| Pulssin kesto (T) | Aika pulssia kohti (MS, Pulssilasereille) | Lyhyempi τ mikrohihnalle; pidempi τ paksummille materiaaleille. | 1–10 ms 0,1–1 mm kupari; 50–100 ms 2–5 mm: n alumiinille. |
4.2 Optimointitekniikat
- Pesäohjelmisto:
- AutoCAD -hitsin kaltaiset ohjelmat optimoivat hitsauspolut laskemiseksi, Sykliajan vähentäminen 20%.
- Reaaliaikainen seuranta:
- Pyrometrit mittaavat sulapoolin lämpötilan (esim., 1800° C Teräkselle) Säätää virtaa reaaliajassa.
- Koneen näköjärjestelmät havaitsevat puutteet (huokoisuus, ali-) kanssa 99% tarkkuus.
5. Tiettyjen materiaalien hitsausprosessi
Laserhitsauksen sopeutumiskyky antaa sille mahdollisuuden liittyä erilaisiin materiaaleihin:
5.1 Rautametallit
- Ruostumaton teräs: Laserhitsaus tuottaa kapeaa, Syvät hitsat pienellä vääristymällä, Ihanteellinen sovelluksiin, jotka vaativat korkeaa korroosionkestävyyttä.
- Hiiliteräs: Vaatii tarkan hallinnan halkeamisen estämiseksi; Esilämmitys voi olla tarpeen korkean hiilen variantteille.
5.2 Ei -rautametallit
- Alumiini: Korkea heijastavuus ja lämmönjohtavuus aiheuttavat haasteita; Lyhyempien aallonpituuslaserien ja oikean pinnan valmistuksen käyttäminen parantaa tuloksia.
- Kupari: Sen korkea heijastavuus ja johtavuus vaativat suuritehoisia lasereita tai erikoistuneita aallonpituuksia, kuten siniset laserit, Laadukkaiden hitsien saavuttamiseksi .
5.3 Erikoismateriaalit
- Titaaniseokset: Vaatii inertti kaasunsuojausta saastumisen estämiseksi; Laserhitsaus tarjoaa tarkan ohjauksen, tehdä siitä sopivan ilmailu-.
- Nikkeliseokset: Hyödyt laserhitsauksen kyvystä tuottaa erittäin luja niveliä, joissa on vähän lämpöä koskevia vyöhykkeitä.
6. Laserhitsauksen edut
6.1 Tarkkuus ja hallinta
- Mikrohitsauskyky:
- Liittyy 50 μm halkaisijan johtimiin MEMS-antureissa 99.9% onnistumisaste, Kriittinen ilmailu-.
- Mittojen tarkkuus:
- ± 0,02 mm: n toleranssi autojen lähetyskomponenteille, Pääkehityksen jälkeinen koneistus.
6.2 Monipuolisuus
- Erilainen materiaalihitsaus:
- Teräs alumiiniliitoksille EV -moottoreissa, Saavutettu laser, joka juottaa alumiini-Silicon Filler -metallilla.
- Monimutkaiset geometriat:
- 3D -kaarevien titaanilevyjen laserhitsaus rakettien suuttimille, prosessi mahdottomaksi perinteisillä menetelmillä.
6.3 Nopeus ja tehokkuus
- Suorituskyky:
- 5 kW kuitulaserhitsit 1000 Autoteollisuuden oven saranat tunnissa, 3x Nopeampi kuin Tig -hitsaus.
- Energiansäästö:
- Kuitulaserit kuluttavat 50% Vähemmän sähköä kuin co₂ -laserit, Operatiivisten kustannusten alentaminen 0,30–1,00 dollaria metriä kohti hitsausta.
7. Laserhitsauksen sovellukset
7.1 Autoteollisuus
- Vartalovalkoinen (Tina):
- Tesla Gigafactors käyttää 10 kW: n kuitulasereita hitsaamaan alumiini- ja teräskomponentteja, Ajoneuvon painon vähentäminen 20% ja onnettomuuden turvallisuuden parantaminen.
- Voimansiirto:
- Laser-hitsatut erottelut (20Mncr5 -teräs) 0,1 mm: n rakotoleranssilla, varmistaa sujuvan toiminnan 10,000 Rpm.
7.2 Ilmailuteollisuus
- Rakenteelliset komponentit:
- Boeing 787 Dreamliner käyttää laserhitsausta titaanin siipien nahkoihin, Osan määrän vähentäminen 30% ja kokoontumisaika 50%.
- Moottorin osat:
- Rolls-Royce Trent -moottorissa on laser-hitsatut nikkeliseoksen polttimet, kestää 1500 ° C ja parantaa polttoainetehokkuutta 5%.
7.3 Elektroniikkateollisuus
- Mikroelektroniikka:
- Apple Watch Battery Contactters (0.2mm-paksu kupari) Hitsattu pulssidiodilasereilla, saavuttaminen 99.99% Saanto suuren määrän tuotannossa.
- Optoelektroniikka:
- Laser diodien hermeettinen tiivistys 10 μm: n tarkkuudella, Kriittinen kuituoptisille viestintälaitteille.
7.4 Lääketieteelliset laitteet
- Kirurgiset instrumentit:
- Laser-hitsatut ruostumattomasta teräksestä valmistetut pihdit, joissa on 5 μm reunan karheus, tapaaminen ISO 23360 lääketieteelliset standardit.
- Implantoitavat laitteet:
- Stenttioksit (nitinoliseos) Hitsattu ultra -ohjelmat, Lämpövaurioiden minimointi muodon muisti-ominaisuuksille.
7.5 Energia ja rakentaminen
- Uusiutuva energia:
- Aurinkopaneelikehykset (alumiini) hitsattu nopeudella 10 m/min 1 kW: n kuitulasereilla, käyttöönotto 98% Materiaalin käyttö PV -moduulin tuotannossa.
- Infrastruktuuri:
- Laserhitsatut terässillat (20mm paksu) Hybridi -tekniikan käyttäminen, Huoltokustannusten vähentäminen 40% Ylivoimaisesta väsymiskestävyydestä.
8. Laserhitsaus. Tavanomainen hitsaus
Laserhitsaus eroaa tavanomaisista hitsausmenetelmistä monin tavoin:
- Lämmöntulo: Laserhitsauksella on pienempi lämpötulo, Vääristymän vähentäminen ja nivelen laadun parantaminen.
- Nopeus: Laserhitsaus on yleensä nopeampaa, johtaa lyhyempiin tuotanto -aikoihin.
- Aineellinen monipuolisuus: Laserhitsaus voi liittyä laajempaan materiaaliin ja paksuuksiin kuin monet perinteiset menetelmät.
Taulukko 2: Hitsausmenetelmien vertailu
| Ominaisuus | Laserhitsaus | Tavanomainen hitsaus |
|---|---|---|
| Lämmöntulo | Matala | Korkea |
| Nopeus | Nopeasti | Hitaammin |
| Materiaalialue | Laaja | Rajoitettu |
| Tarkkuus | Korkea | Muuttuva |
9. Laserhitsaus
Q1: Millaisia materiaaleja voidaan hitsata laserilla?
A1: Laserit voivat hitsata erilaisia materiaaleja, mukaan lukien rauta- ja ei -rautametallit, muovit, ja komposiitit.
Q2: Mikä on ero jatkuvan ja pulssitetun laserhitsauksen välillä?
A2: Jatkuva laserhitsaus käyttää vakiopalkkia nopeaan sovellukseen, kun taas pulssilaserhitsaus tarjoaa energiaa purskeissa suuremman kontrollin saavuttamiseksi.
Q3: Kuinka laserhitsaus verrataan perinteisiin hitsausmenetelmiin?
A3: Laserhitsaus tarjoaa alhaisemman lämmöntulon, suurempi tarkkuus, ja suurempi nopeus verrattuna moniin tavanomaisiin hitsaustekniikoihin.
10. Johtopäätös
Laserhitsaustekniikka on mullisti valmistusmaiseman, Tarjolla tarkka, tehokas, ja monipuoliset ratkaisut moniin sovelluksiin.
Sen periaatteiden ymmärtäminen, etuja, ja sovellusten avulla teollisuus voi hyödyntää tätä tekniikkaa tehokkaasti.
Edistymisen jatkuessa, Laserhitsauksella on yhä tärkeämpi rooli nykyaikaisissa valmistusprosesseissa, Innovaatioiden ja tehokkuuden ajaminen sektoreilla.
Kumppanimme: https://dz-machining.com/