Uvod u lasersku tehnologiju zavarivanja

1. Pregled tehnologije laserskog zavarivanja

1.1 Definicija laserskog zavarivanja

Lasersko zavarivanje je visoko precizni materijal za spajanje koji koristi koncentrirani laserski snop za rastopljenje i spajanje materijala, Stvaranje snažnog, izdržljive obveznice.

Ova tehnologija pretvara električnu energiju u fokusirani svjetlosni snop - ometajući valnu duljinu od 1060nm (vlaknasti laseri) do 10.600 nm (Co₂ laseri)—Po prenosi intenzivnu toplinu na radni komad, Omogućavanje lokaliziranog topljenja bez raširenog toplinskog izobličenja.

Za razliku od tradicionalnih metoda zavarivanja (npr., MI, Sisav), Lasersko zavarivanje oslanja se na optičke sustave za usmjeravanje snopa, omogućavajući preciznu kontrolu nad unosom energije.

To ga čini idealnim za spajanje tankih listova, mikrokomponente, i različiti materijali, s aplikacijama koje obuhvaćaju automobile, zrakoplovstvo, elektronika, i medicinske uređaje.

1.2 Razvojna pozadina i važnost

• Povijesne prekretnice:
  • 1960s: Prvi laserski zavari izvedeni su pomoću Ruby lasera, Iako ograničena snaga i pouzdanost ograničena industrijska upotreba.
  • 1970s: Co₂ laseri (10KW snaga) Omogućeno zavarivanje dubokog prodora od gustih čelika, Označavanje prvog velikog industrijskog usvajanja.
  • 2000s: Vlaknasti laseri revolucionirali su polje s energetskom učinkovitošću od 30–40%, Kompaktni dizajn, i superiorna kvaliteta snopa, smanjenje operativnih troškova prema 50% u usporedbi sa CO₂ sustavima.
• Industrijski značaj:
  • Omogućuje masovnu proizvodnju lagane, Komponente visoke čvrstoće u električnim vozilima (EVs) i zrakoplov.
  • Olakšava minijaturizaciju u elektronici, poput zavarivanja žica debljine 50 μm u mikročipovima.
  • Podržava održivu proizvodnju kroz smanjeni materijalni otpad i potrošnju energije.

1.3 Temeljne prednosti

2. Osnovni principi laserskog zavarivanja

2.1 Fizička svojstva lasera

Laseri koji se koriste u zavarivanju dijeljenja ovih ključnih osobina:

• Jednobojnost: Svjetlost jedno -valne duljine učinkovito koncentrira energiju.
• Prostorna koherencija: Usredotočenje u tijesnom snopu daje gustoću velike snage (do 10⁶–10⁸ w/cm²).
• Usmjerenost: Mala divergencija osigurava dosljedno isporuku energije na udaljenosti.
• Raspon valne duljine: Co₂ laseri (~ 10,6 µm), ND:Jag (~ 1,06 µm), i vlaknasti/diskovni laseri (~ 1,07 µm) Ponudite kompromise u apsorpciji, učinkovitost, i kvaliteta snopa.

2.2 Fizički mehanizam procesa zavarivanja

1. Udubljenje: Površina materijala apsorbira lasersku energiju, Podizanje temperature.
2. Topljenje: Lokalizirano topljenje tvori mali bazen zavarivanja.
3. Stvaranje ključanica (Način prodora): Pri velikim gustoćama, isparavanje stvara šupljinu ("Holle") koji zarobljava lasersko svjetlo, Vožnja dubokim prodorom.
4. Dinamika taline -paol: Površinska napetost i pritisak povratka upravljaju rastopljenim protokom oko ključanice.
5. Očvršćivanje: Kako se snop kreće, Metal se hladi i učvršćuje, formiranje šava zavarivanja.

2.3 Klasifikacija načina zavarivanja

• Kontinuirani val (Cw): Pruža stalnu gredu za dosljedno isporuku topline, Idealno za zavarivanje dubokih ključanica pri velikim brzinama.
• Pulsiran: Emitira kratke impulse (µs - ms) Za ograničavanje unosa topline, dubina kontrole prodora, i proizvesti izgled "složenih dimena".
• Hibridni laser -ark: Kombinira lasersku gredu s Mig/MAG lukom, nudeći dublju prodor pri smanjenoj laserskoj snazi ​​i povećanu toleranciju na praznine zglobova.

3. Oprema za zavarivanje lasera

3.1 Tehnologija laserskog izvora

• Co₂ laseri: Ispunjen plinom, Visoka prosječna snaga, ali zahtijevaju složena ogledala za vođenje snopa i imaju veće valne duljine (~ 10,6 µm).
• ND:Yag laseri: Čvrsta država, Q-presvučen za pulsirani rad, Kompaktni rezonator - ali nižu prosječnu snagu od vlakana .
• Vlaknasti laseri: Zaposlite jezgre dopiranih vlakana za dobitak; Ponudite izvrsnu kvalitetu snopa, visoka električna učinkovitost, i operacija bez održavanja.
• Disk laseri: Medij tankog diska pruža veliku gustoću snage i dobro toplinsko rukovanje, Prikladni za vrlo visoku snagu aplikacije.

3.2 Optički sustav

• Dostava snopa: Ogledalo (reflektirajuća optika) ili kabeli s optičkim vlaknima vode od izvora do radne glave.
• Usredotočenje optike: Koristite parabolična ogledala (Co₂) ili ZnSE/KCL leće (do ~ 4 kW) koncentrirati gredu na žarišta od 0,1–1 mm.
• Oblikovanje snopa: Napredni moduli za uklanjanje snopa (npr., Difraktivna optika) mogu prilagoditi profile intenziteta za prilagođene geometrije zavarivanja.

3.3 Kontrola pokreta

• Kartezijanske gantrije & Roboti: Omogućite ponovljivo XYZ kretanje; Roboti omogućuju petoosjedne artikulacije za složene geometrije.
• Skeneri galvanometra: Brza ogledala upravljača za zavarivanje u letu bez premještanja radnog komada.
• Integrirana kontrola: Koordinacija u stvarnom vremenu povezuje snagu snopa, Parametri pulsa, i brzina putovanja za konzistentnu kvalitetu zavara.

3.4 Sustav za hlađenje i sigurnosti

• Hlađenje: Ohlađivači vode u zatvorenom krugu održavaju laserski izvor i optiku na stabilnim temperaturama, Sprječavanje toplinskog odljeva.
• Oklopni plin: Argon ili helij štiti bazen zavarivanja od oksidacije i apsorpcije plazme.
• Kućišta & Zakloni: Laserska kućišta s bravama na vratima i zaustavljanju u hitnim slučajevima Osigurajte sigurnost operatera.
• Vađenje dima: Ventilacijski sustavi Uklonite dim, prskanje, i pare za održavanje optičke jasnoće i zdravlja na radnom mjestu.

4. Parametri procesa i optimizacija

4.1 Ključni parametri procesa

4.2 Tehnike optimizacije

• Softver za gniježđenje:
  • Programi poput autocad zavarivanja optimiziraju staze zavarivanja kako bi se smanjio uvlačenje, Smanjenje vremena ciklusa 20%.
• Praćenje u stvarnom vremenu:
  • Pirometri mjere temperaturu rastopljenog bazena (npr., 1800° C za čelik) Za prilagođavanje snage u stvarnom vremenu.
  • Sustavi strojnog vida otkrivaju nedostatke (poroznost, podcjenjivanje) s 99% točnost.

5. Postupak zavarivanja za određene materijale

Prilagodljivost laserskog zavarivanja omogućava mu da se pridruži raznim materijalima:

5.1 Željezni metali

• Nehrđajući čelik: Lasersko zavarivanje proizvodi uski, duboki zavari s minimalnim izobličenjem, Idealno za primjene koje zahtijevaju visoku otpornost na koroziju.
• Ugljični čelik: Zahtijeva preciznu kontrolu kako bi se spriječilo pucanje; Za inačice visokog ugljika može biti potrebno.

5.2 Nepropusni metali

• Aluminij: Visoka reflektivnost i toplinska vodljivost predstavljaju izazove; Korištenje kraće valne duljine lasera i pravilnog priprema površine poboljšava rezultate.
• Bakar: Njegova visoka reflektivnost i vodljivost zahtijevaju velike snage ili specijalizirane valne duljine, poput plavih lasera, Za postizanje kvalitetnih zavara .

5.3 Posebni materijali

• Legure od titana: Zahtijevaju zaštitu inertnog plina kako bi se spriječilo onečišćenje; Lasersko zavarivanje nudi preciznu kontrolu, što ga čini prikladnim za zrakoplovne aplikacije.
• Legure nikla: Iskoristiti sposobnost laserskog zavarivanja da proizvodi zglobove visoke čvrstoće s minimalnim zonama pogođenim toplinom.

6. Prednosti laserskog zavarivanja

6.1 Preciznost i kontrola

• Sposobnost mikro-čuvanja:
  • Pridružuje se žicama promjera 50 μm u MEMS senzorima s 99.9% stopa uspjeha, Kritično za zrakoplovne navigacijske sustave.
• Dimenzionalna točnost:
  • ± 0,02 mm tolerancija na komponente automobila, eliminirajući obradu nakon navale.

6.2 Svestranost

• Različito materijalno zavarivanje:
  • Čelični do aluminijskih spojeva u EV motorima, postignuto laserskim lemljenjem s metalom punila aluminij-silicon.
• Kompleksne geometrije:
  • 3D lasersko zavarivanje zakrivljenih listova od titana za raketne mlaznice, Proces nemogućih s tradicionalnim metodama.

6.3 Brzina i učinkovitost

• Protok:
  • 5kW vlaknasti laserski zavari 1000 Automobilske šarke na sat, 3x brže od tig zavarivanja.
• Ušteda energije:
  • Vlaknasti laseri konzumiraju 50% manje struje od co₂ lasera, Smanjenje operativnih troškova na 0,30 do 1,00 USD po metru zavarivanja.

7. Primjene laserskog zavarivanja

7.1 Automobilska industrija

• Bijelo tijelo (Kalup):
  • Tesla Gigafactories koriste 10kW vlaknaste lasere za zavarivanje komponenti aluminija i čelika BIW, smanjenje težine vozila prema 20% i poboljšanje sigurnosti sudara.
• Pogonski sklop:
  • Diferencijalni zupčanici s laserom (20MNCR5 čelik) s tolerancijom na jaz od 0,1 mm, Osiguravanje glatkog rada na 10,000 Okretaja.

7.2 Zrakoplovna industrija

• Strukturne komponente:
  • Boeing 787 Dreamliner koristi lasersko zavarivanje za kože Titanium Wing, Smanjenje broja dijela prema 30% i vrijeme sastavljanja 50%.
• Dijelovi motora:
  • Rolls-Royce Trent motori sadrže laserski sagorijeva, izdržati 1500 ° C i poboljšanje učinkovitosti goriva 5%.

7.3 Elektronička industrija

• Mikroelektronika:
  • Apple Watch Batters Kontakti (0.2bakar debljine mm) zavareni pulsiranim diodnim laserima, postizanje 99.99% Prinos u proizvodnji velikog volumena.
• Optoelektronika:
  • Hermetičko brtvljenje laserskih dioda s preciznošću od 10 μm, Kritično za uređaje za komunikaciju optičkih vlakana.

7.4 Medicinski uređaji

• Kirurški instrumenti:
  • Dhyces od nehrđajućeg čelika s laserskim oblogom s hrapavošću ruba 5 μm, sastanak ISO 23360 medicinski standardi.
• Uređaji za implantaciju:
  • Stent cijepljenja (legura nitinola) zavareni ultra brzim laserima, minimiziranje oštećenja topline na svojstva memorije oblika.

7.5 Energija i konstrukcija

• Obnovljiva energija:
  • Okviri solarnih ploča (aluminij) zavareni na 10m/min s 1kW vlaknima laserima, omogućavanje 98% Korištenje materijala u proizvodnji PV modula.
• Infrastruktura:
  • Čelični mostovi s laserom (20mm debeo) Korištenje hibridne tehnologije, smanjenje troškova održavanja prema 40% Zbog vrhunskog otpora umora.

8. Lasersko zavarivanje vs. Konvencionalno zavarivanje

Lasersko zavarivanje razlikuje se od konvencionalnih metoda zavarivanja na nekoliko načina:

• Toplinski unos: Lasersko zavarivanje ima niži ulaz topline, Smanjenje izobličenja i poboljšanje kvalitete zgloba.
• Ubrzati: Lasersko zavarivanje je općenito brže, što dovodi do kraćih vremena proizvodnje.
• Materijalna svestranost: Lasersko zavarivanje može se pridružiti širem rasponu materijala i debljine od mnogih tradicionalnih metoda.

Stol 2: Usporedba metoda zavarivanja

9. FAQ laserskog zavarivanja

Q1: Koje vrste materijala mogu se zavariti laserima?

A1: Laseri mogu zavariti razne materijale, uključujući željezne i nepromijenjene metale, plastike, i kompoziti.

Q2: Koja je razlika između kontinuiranog i pulsnog laserskog zavarivanja?

A2: Kontinuirano lasersko zavarivanje koristi konstantnu gredu za aplikacije velike brzine, dok impulsko lasersko zavarivanje donosi energiju u rafalima za veću kontrolu.

Q3: Kako se lasersko zavarivanje uspoređuje s tradicionalnim metodama zavarivanja?

A3: Lasersko zavarivanje nudi niži unos topline, veća preciznost, i veću brzinu u usporedbi s mnogim konvencionalnim tehnikama zavarivanja.

10. Zaključak

Laserska tehnologija zavarivanja revolucionirala je proizvodni krajolik, nudeći precizno, učinkovit, i svestrana rješenja za različite aplikacije.

Razumijevanje njegovih principa, prednosti, i aplikacije omogućuju industrijama da učinkovito iskoriste ovu tehnologiju.

Kako se napredak nastavlja, Lasersko zavarivanje igrat će sve vitalniju ulogu u modernim proizvodnim procesima, Vožnja inovacije i učinkovitosti u sektorima.

Naš partner: https://dz-machining.com/