Pengenalan Teknologi Kimpalan Laser

1. Gambaran Keseluruhan Teknologi Kimpalan Laser

1.1 Definisi kimpalan laser

Kimpalan laser adalah proses penyertaan bahan ketepatan tinggi yang menggunakan rasuk laser pekat untuk mencairkan dan fius bahan, mencipta kuat, bon tahan lama.

Teknologi ini menukarkan tenaga elektrik ke dalam rasuk cahaya yang difokuskan dalam panjang gelombang dari 1060nm (laser serat) hingga 10,600nm (Co₂ laser)- yang memindahkan haba yang kuat ke bahan kerja, membolehkan lebur setempat tanpa herotan haba yang meluas.

Tidak seperti kaedah kimpalan tradisional (cth., Saya, TIG), Kimpalan laser bergantung pada sistem optik untuk mengarahkan rasuk, Membenarkan kawalan tepat ke atas input tenaga.

Ini menjadikannya sesuai untuk menyertai helaian nipis, komponen mikro, dan bahan -bahan yang berbeza, dengan aplikasi yang merangkumi automotif, aeroangkasa, elektronik, dan peranti perubatan.

1.2 Latar Belakang dan Kepentingan Pembangunan

• Pencapaian sejarah:
  • 1960s: Kimpalan laser pertama dilakukan menggunakan laser ruby, Walaupun kuasa terhad dan kebolehpercayaan penggunaan industri terhad.
  • 1970s: Co₂ laser (10KW POWER) membolehkan kimpalan penembusan dalam keluli tebal, menandakan penggunaan perindustrian utama pertama.
  • 2000s: Laser serat merevolusikan bidang dengan kecekapan tenaga 30-40%, Reka bentuk padat, dan kualiti rasuk unggul, mengurangkan kos operasi oleh 50% Berbanding dengan sistem CO₂.
• Kepentingan Perindustrian:
  • Membolehkan pengeluaran besar -besaran ringan, Komponen kekuatan tinggi dalam kenderaan elektrik (EV) dan pesawat.
  • Memudahkan pengurangan dalam elektronik, seperti kimpalan wayar tebal 50μm di mikrochips.
  • Menyokong pembuatan lestari melalui sisa bahan dan penggunaan tenaga yang dikurangkan.

1.3 Kelebihan teras

2. Prinsip asas kimpalan laser

2.1 Sifat fizikal laser

Laser yang digunakan dalam kimpalan berkongsi ciri -ciri utama ini:

• Monochromaticity: Cahaya panjang gelombang menumpukan tenaga dengan cekap.
• Koheren Spatial: Fokus rasuk yang ketat menghasilkan kepadatan kuasa tinggi (Sehingga 10 ⁶ -10 ⁸ w/cm²).
• Arah: Perbezaan rendah memastikan penghantaran tenaga yang konsisten melebihi jarak jauh.
• Julat panjang gelombang: Co₂ laser (~ 10.6 μm), Nd:Yag (~ 1.06 μm), dan laser serat/cakera (~ 1.07 μm) menawarkan perdagangan dalam penyerapan, kecekapan, dan kualiti rasuk.

2.2 Mekanisme fizikal proses kimpalan

1. Penyerapan: Permukaan bahan menyerap tenaga laser, Meningkatkan suhu.
2. Lebur: Lebur setempat membentuk kolam kimpalan kecil.
3. Pembentukan Keyhole (mod penembusan): Pada kepadatan kuasa tinggi, Pengewapan mencipta rongga ("Keyhole") Itu perangkap cahaya laser, Memandu penembusan dalam.
4. Dinamik Melt -Pool: Ketegangan permukaan dan tekanan mundur mengawal aliran logam cair di sekitar lubang kunci.
5. Pemejalan: Semasa rasuk bergerak, logam menyejukkan dan menguatkan, membentuk jahitan kimpalan.

2.3 Klasifikasi mod kimpalan

• Gelombang berterusan (CW): Menyampaikan rasuk yang mantap untuk penghantaran haba yang konsisten, Sesuai untuk kimpalan lubang kunci yang mendalam pada kelajuan tinggi.
• Berdenyut: Memancarkan denyutan pendek (μS -MS) Untuk mengehadkan input haba, Kawalan kedalaman penembusan, dan menghasilkan penampilan kimpalan "disusun".
• Laser hibrid -arc: Menggabungkan rasuk laser dengan arka mig/mag, Menawarkan penembusan yang lebih mendalam pada kuasa laser yang dikurangkan dan peningkatan toleransi kepada jurang bersama.

3. Peralatan dan komponen kimpalan laser

3.1 Teknologi sumber laser

• Co₂ laser: Gas yang dipenuhi, kuasa purata yang tinggi, tetapi memerlukan cermin rasuk yang kompleks dan mempunyai panjang gelombang yang lebih panjang (~ 10.6 μm).
• Nd:Yag laser: Keadaan pepejal, Q-switched untuk operasi berdenyut, Resonator padat -tetapi kuasa purata yang lebih rendah daripada serat .
• Laser serat: Menggunakan teras serat doped untuk keuntungan; Menawarkan kualiti rasuk yang sangat baik, kecekapan elektrik yang tinggi, dan operasi bebas penyelenggaraan.
• Laser cakera: Medium keuntungan cedera nipis memberikan kepadatan kuasa tinggi dan pengendalian terma yang baik, sesuai dengan aplikasi kuasa yang sangat tinggi.

3.2 Sistem optik

• Penghantaran rasuk: Cermin (optik reflektif) atau kabel gentian optik rasuk dari sumber ke kepala kerja.
• Fokus optik: Gunakan cermin parabola (Co₂) atau kanta ZnSe/KCl (Hingga ~ 4 kW) untuk menumpukan rasuk menjadi tempat fokus 0.1-1 mm.
• Membentuk rasuk: Modul berbentuk rasuk maju (cth., optik diffractive) boleh menyesuaikan profil intensiti untuk geometri kimpalan yang disesuaikan.

3.3 Kawalan gerakan

• Gantries Cartesian & Robot: Berikan gerakan xyz berulang; robot membolehkan artikulasi lima paksi untuk geometri kompleks.
• Pengimbas galvanometer: Cermin stereng cepat untuk kimpalan on-the-fly tanpa menggerakkan bahan kerja.
• Kawalan bersepadu: Koordinasi masa nyata menghubungkan kuasa rasuk, Parameter Pulse, dan kelajuan perjalanan untuk kualiti kimpalan yang konsisten.

3.4 Sistem Penyejukan dan Keselamatan

• Penyejukan: Penyejuk air gelung tertutup mengekalkan sumber laser dan optik pada suhu yang stabil, mencegah hanyut haba.
• Perisai Gas: Argon atau helium melindungi kolam kimpalan dari pengoksidaan dan penyerapan plasma.
• kandang & Interlocks: Perumahan laser dengan kunci pintu dan perhentian kecemasan memastikan keselamatan pengendali.
• Pengekstrakan Fume: Sistem pengudaraan menghilangkan asap, spatter, dan wap untuk mengekalkan kejelasan optik dan kesihatan tempat kerja.

4. Parameter proses dan pengoptimuman

4.1 Parameter Proses Utama

4.2 Teknik Pengoptimuman

• Perisian bersarang:
  • Program seperti AutoCAD Weld mengoptimumkan laluan kimpalan untuk meminimumkan semula, mengurangkan masa kitaran dengan 20%.
• Pemantauan masa nyata:
  • Pyrometers mengukur suhu kolam cair (cth., 1800° C untuk keluli) Untuk menyesuaikan kuasa dalam masa nyata.
  • Sistem penglihatan mesin mengesan kecacatan (keliangan, pemotongan) dengan 99% ketepatan.

5. Proses kimpalan untuk bahan tertentu

Kesesuaian kimpalan laser membolehkannya menyertai pelbagai bahan:

5.1 Logam ferus

• Keluli Tahan Karat: Kimpalan laser menghasilkan sempit, Kimpalan dalam dengan herotan minimum, Sesuai untuk aplikasi yang memerlukan rintangan kakisan yang tinggi.
• Keluli Karbon: Memerlukan kawalan yang tepat untuk mengelakkan retak; Preheating mungkin diperlukan untuk varian karbon tinggi.

5.2 Logam nonferrous

• aluminium: Pemantulan tinggi dan kekonduksian terma menimbulkan cabaran; Menggunakan laser panjang gelombang yang lebih pendek dan penyediaan permukaan yang betul meningkatkan hasil.
• Tembaga: Pemantulan dan kekonduksian yang tinggi memerlukan laser kuasa tinggi atau panjang gelombang khusus, seperti laser biru, untuk mencapai kimpalan yang berkualiti .

5.3 Bahan khas

• Aloi titanium: Memerlukan pelindung gas lengai untuk mencegah pencemaran; Kimpalan laser menawarkan kawalan yang tepat, menjadikannya sesuai untuk aplikasi aeroangkasa.
• Aloi nikel: Manfaat dari keupayaan kimpalan laser untuk menghasilkan sendi kekuatan tinggi dengan zon yang terkena haba yang minimum.

6. Kelebihan Kimpalan Laser

6.1 Ketepatan dan kawalan

• Keupayaan kimpalan mikro:
  • Menyertai wayar diameter 50μm dalam sensor MEMS dengan 99.9% kadar kejayaan, Kritikal untuk sistem navigasi aeroangkasa.
• Ketepatan Dimensi:
  • Toleransi ± 0.02mm untuk komponen penghantaran automotif, menghapuskan pemesinan pasca kimpalan.

6.2 serba boleh

• Kimpalan bahan yang berbeza:
  • Keluli ke sendi aluminium di EV Motors, dicapai melalui laser Brazing dengan logam pengisi aluminium-silikon.
• Geometri Kompleks:
  • 3D laser kimpalan lembaran titanium melengkung untuk muncung roket, proses yang mustahil dengan kaedah tradisional.

6.3 Kelajuan dan kecekapan

• Throughput:
  • Kimpalan laser serat 5kW 1000 engsel pintu automotif per jam, 3x lebih cepat daripada kimpalan tig.
• Penjimatan tenaga:
  • Laser serat makan 50% kurang elektrik daripada laser CO₂, menurunkan kos operasi kepada $ 0.30- $ 1.00 setiap meter kimpalan.

7. Aplikasi kimpalan laser

7.1 Industri Automotif

• Badan-dalam-putih (Pew):
  • Tesla Gigafactories Gunakan laser serat 10kW untuk mengimpal komponen aluminium dan keluli BIW, mengurangkan berat kenderaan dengan 20% dan meningkatkan keselamatan kemalangan.
• Powertrain:
  • Gear pembezaan laser yang dikimpal (20MNCR5 Steel) dengan toleransi jurang 0.1mm, memastikan operasi lancar di 10,000 Rpm.

7.2 Industri Aeroangkasa

• Komponen struktur:
  • Boeing 787 Dreamliner menggunakan kimpalan laser untuk kulit sayap titanium, Mengurangkan bahagian bahagian oleh 30% dan masa perhimpunan oleh 50%.
• Bahagian Enjin:
  • Enjin Rolls-Royce Trent mempunyai pembakar aloi nikel yang dikimpal laser, Menangguhkan 1500 ° C dan meningkatkan kecekapan bahan api oleh 5%.

7.3 Industri Elektronik

• Mikroelektronik:
  • Kenalan Bateri Apple Watch (0.2mm-tebal tembaga) dikimpal dengan laser diod berdenyut, mencapai 99.99% Hasil dalam pengeluaran volum tinggi.
• Optoelectronics:
  • Pengedap Hermetik diod laser dengan ketepatan 10μm, Kritikal untuk peranti komunikasi gentian optik.

7.4 Peranti Perubatan

• Alat Pembedahan:
  • Forsep keluli tahan karat yang dikimpal laser dengan kekasaran kelebihan 5μm, bertemu ISO 23360 piawaian perubatan.
• Peranti yang boleh ditanam:
  • Graf stent (aloi nitinol) dikimpal dengan laser ultrafast, meminimumkan kerosakan haba kepada sifat memori bentuk.

7.5 Tenaga dan pembinaan

• Tenaga boleh diperbaharui:
  • Bingkai panel solar (aluminium) dikimpal pada 10m/min dengan laser serat 1kW, membolehkan 98% Penggunaan bahan dalam pengeluaran modul PV.
• Infrastruktur:
  • Jambatan keluli yang dikimpal laser (20mm tebal) Menggunakan teknologi hibrid, mengurangkan kos penyelenggaraan oleh 40% Kerana rintangan keletihan yang unggul.

8. Kimpalan laser vs. Kimpalan konvensional

Kimpalan laser berbeza dari kaedah kimpalan konvensional dalam beberapa cara:

• Input haba: Kimpalan laser mempunyai input haba yang lebih rendah, mengurangkan gangguan dan meningkatkan kualiti bersama.
• Kelajuan: Kimpalan laser biasanya lebih pantas, membawa kepada masa pengeluaran yang lebih pendek.
• Kepelbagaian Bahan: Kimpalan laser boleh menyertai pelbagai bahan dan ketebalan yang lebih luas daripada banyak kaedah tradisional.

Jadual 2: Perbandingan kaedah kimpalan

9. Soalan Lazim Kimpalan Laser

Q1: Apa jenis bahan yang boleh dikimpal dengan laser?

A1: Laser boleh mengimpal pelbagai bahan, termasuk logam ferus dan bukan ferus, plastik, dan komposit.

S2: Apakah perbezaan antara kimpalan laser yang berterusan dan berdenyut?

A2: Kimpalan laser yang berterusan menggunakan rasuk malar untuk aplikasi berkelajuan tinggi, Semasa kimpalan laser berdenyut memberikan tenaga dalam pecah untuk kawalan yang lebih besar.

Q3: Bagaimana kimpalan laser dibandingkan dengan kaedah kimpalan tradisional?

A3: Kimpalan laser menawarkan input haba yang lebih rendah, ketepatan yang lebih tinggi, dan kelajuan yang lebih besar berbanding dengan banyak teknik kimpalan konvensional.

10. Kesimpulan

Teknologi kimpalan laser telah merevolusikan landskap pembuatan, menawarkan tepat, cekap, dan penyelesaian serba boleh untuk pelbagai aplikasi.

Memahami prinsipnya, kelebihan, dan aplikasi membolehkan industri memanfaatkan teknologi ini dengan berkesan.

Sebagai kemajuan berterusan, Kimpalan laser akan memainkan peranan yang semakin penting dalam proses pembuatan moden, Memandu inovasi dan kecekapan di seluruh sektor.

Pasangan kami: https://dz-machining.com/