Obsah
Zobraziť
1. Prehľad technológie laserového zvárania
1.1 Definícia laserového zvárania
Laserové zváranie je proces spájania materiálu s vysokou presnosťou, ktorý používa koncentrovaný laserový lúč na roztopenie a políciu materiálov, vytváranie silného, trvanlivé väzby.
Táto technológia premieňa elektrickú energiu na zameraný svetelný lúč - zväčšujú sa v vlnovej dĺžke od 1060nm (lasery) do 10 600 nm (Lasery)—Kí prenáša intenzívne teplo do obrobku, umožnenie lokalizovaného topenia bez rozsiahleho tepelného skreslenia.
Na rozdiel od tradičných metód zvárania (napr., Ja, Tigový), Laserové zváranie sa spolieha na optické systémy na nasmerovanie lúča, umožnenie presnej kontroly vstupu energie.
Vďaka tomu je ideálne na spojenie tenkých listov, mikro-komponent, a odlišné materiály, s aplikáciami preklenujúcimi automobilový priemysel, kozmonautika, elektronika, a zdravotnícke pomôcky.
1.2 Vývojové zázemie a dôležitosť
- Historické míľniky:
- 1960siež: Prvé laserové zvary sa uskutočňovali pomocou rubínových laserov, Priemyselné využitie obmedzené na obmedzenú energiu a spoľahlivosť.
- 1970siež: Lasery (10kw) Povolené zváranie hlbokého penetrácie hrubej ocele, Označenie prvého významného priemyselného prijatia.
- 2000siež: Vláknité lasery revolúciou v oblasti s 30–40% energetickou účinnosťou, kompaktný dizajn, a vynikajúca kvalita lúča, zníženie prevádzkových nákladov 50% v porovnaní so systémami CO₂.
- Priemyselný význam:
- Umožňuje hromadnú výrobu ľahkej váhy, Komponenty s vysokou pevnosťou v elektrických vozidlách (EV) a lietadlá.
- Uľahčuje miniaturizáciu v elektronike, ako je zváranie vodičov s hrúbkou 50 μm v mikročipoch.
- Podporuje trvalo udržateľnú výrobu prostredníctvom zníženého odpadu z materiálu a spotreby energie.
1.3 Základné výhody
| Výhoda | Technický základ | Praktický vplyv |
|---|---|---|
| Presnosť | Priemer lúča tak malý ako 10 μm; tolerancie ± 0,02 mm. | Kritické pre upevňovacie prvky a lekárske stenty. |
| Rýchlosť | Zváranie rýchlosti až do 15 m/min pre 1 mm hliník. | Znižuje časy cyklu v automatickej zostave tela. |
| Materiálová všestrannosť | Pripojiť oceľ, hliník, meď, titán, a plasty. | Umožňuje odlišné materiálové spojenie (napr., oceľ na hliník). |
| Minimálny hAZ | Lokalizovaný tepelný vstup; HAZ <0.2mm pre tenké listy. | Zachovávajú vlastnosti materiálu v zliatinách citlivých na teplu. |
2. Základné princípy laserového zvárania
2.1 Fyzické vlastnosti laserov
Lasery používané pri zváraní zdieľajú tieto kľúčové vlastnosti:
- Monochromaticita: Svetlo s jednou vlnovou dĺžkou účinne koncentruje energiu.
- Priestorová koherencia: Brestovanie tesného lúča poskytuje vysokú hustotu energie (do 10 ⁶–10⁸ w/cm²).
- Smerovanie: Nízka divergencia zaisťuje konzistentné dodávanie energie na vzdialenosť.
- Vlnová dĺžka: Lasery (~ 10,6 µm), Nd:Žargón (~ 1,06 µm), a lasery z vlákien/diskov (~ 1,07 µm) ponúknuť kompromisy v absorpcii, efektívnosť, a kvalita lúča.
2.2 Fyzikálny mechanizmus procesu zvárania
- Absorpcia: Povrch materiálu absorbuje laserovú energiu, zvýšenie teploty.
- Taviace sa: Lokalizované topenie tvorí malý zvarový bazén.
- Tvorba kľúčov (režim prenikania): Pri vysokej energii hustoty, odparovanie vytvára dutinu („Keyho dierka“) To zachytí laserové svetlo, vedenie hlbokej penetrácie.
- Dynamika taveniny: Povrchové napätie a tlak spätného tlaku riadia prietok roztaveného poľa okolo kľúčovej dierky.
- Tulifikácia: Keď sa lúč pohybuje, kovové chladenia a stuhnutia, formovanie zvarového švu.
2.3 Klasifikácia režimov zvárania
| Režim | Profil lúča | Hĺbka prenikania | Kľúčové funkcie |
|---|---|---|---|
| Vedenie | Nízka hustota výkonu CW | Plytký (<1 mm) | Široká teplo ovplyvnená zónou, jednoduché nastavenie |
| Prenikanie (Dierka) | Vysoká hustota výkonu CW | Hlboký (>5 mm) | Úzky šev, hlboký zvar, vysoký pomer strán |
| Kontinuálna vlna (Cw) | Konštantný lúč | Premenná podľa napájania | Stabilný vstup, hladký zvar |
| Pulzný | Výbuch energie | Kontrolovaný <3 mm | Vstup, obmedzené skreslenie |
| Hybridný (Laser - ARC) | Laser + Ja/mag | Hlboký + splnomocnenie | Tolerantný k prispôsobeniu, dolná laserová sila |
- Kontinuálna vlna (Cw): Dodáva stabilný lúč na konzistentné dodávky tepla, Ideálne pre hlboké zváranie klávesov pri vysokých rýchlostiach.
- Pulzný: Vydáva krátke impulzy (µs - ms) Na obmedzenie vstupu tepla, hĺbka prenikania, a vytvorte vzhľad zvaru „stohovaného“.
- Hybridný laser - oblúk: Kombinuje laserový lúč s oblúkom MIG/MAG, Ponúka hlbšie prenikanie pri zníženej laserovej sile a zvýšenej tolerancii k spoločným medzerám.
3. Laserové zváracie vybavenie a komponenty
3.1 Technológia laserového zdroja
- Lasery: Vyplnený plyn, vysoko priemerná sila, ale vyžadujú zložité zrkadlá na dodávku lúča a majú dlhšie vlnové dĺžky (~ 10,6 µm).
- Nd:Lasery: Tuhý, Prepína sa pre pulznú prevádzku, Kompaktný rezonátor - ale nižší priemerný výkon ako vlákno .
- Lasery: Získajte dopované jadrá vlákien na zisk; Ponúkajte vynikajúcu kvalitu lúča, vysoká elektrická účinnosť, a prevádzka bez údržby.
- Lasery: Médium s tenkým ziskom poskytuje vysokú hustotu energie a dobrú tepelnú manipuláciu, vhodné pre veľmi vysoké aplikácie.
3.2 Optický systém
- Dodávka lúča: Zrkadlá (reflexná optika) alebo vodiaci káble z optických vlákien od zdroja po Workhead.
- Zaostrenie optiky: Používajte parabolické zrkadlá (Co₂) alebo šošovky Znse/KCL (až 4 kW) Koncentrácia lúča do ohniskových škvŕn 0,1 - 1 mm.
- Tvarovanie lúča: Moduly na tlmenie lúčov (napr., difrakčná optika) môže prispôsobiť profily intenzity pre prispôsobené geometrie zvaru.
3.3 Riadenie pohybu
- Karteziánsky & Roboty: Poskytnite opakovateľný pohyb XYZ; Roboty umožňujú päťosové artikulácie pre komplexné geometrie.
- Galvanometra: Rýchle zrkadlá riadenia pre zváranie na the-the-fly bez pohybu obrobku.
- Integrovaná kontrola: Koordinácia koordinácie v reálnom čase spája energiu lúča, parametre impulzov, a rýchlosť cestovania pre konzistentnú kvalitu zvaru.
3.4 Chladiaci a bezpečnostný systém
- Chladenie: Umiestnenie vo vode s uzavretou slučkou udržiavajú laserový zdroj a optiku pri stabilných teplotách, predchádzanie tepelnému posunu.
- Tieniaci plyn: Argón alebo hélium chráni zvarový bazén pred oxidáciou a absorpciou plazmy.
- Puzdrá & Blokovať: Laserové puzdrá s dverovými zámkami a núdzovými zastávkami zaisťujú bezpečnosť operátora.
- Extrakcia: Ventilačné systémy odstraňujú dym, rozlievať sa, a výpary na udržanie optickej čistoty a zdravia na pracovisku.
4. Parametre procesu a optimalizácia
4.1 Kľúčové parametre procesu
| Parameter | Definícia | Vplyv na kvalitu zvaru | Tipy na úpravu |
|---|---|---|---|
| Laserová sila (P) | Energetický výkon (W) | Vyšší výkon zvyšuje penetráciu; riziko rozstreknutia, ak sú nadmerné. | Začnite s hrúbkou 200 W/mm pre oceľ. |
| Zváranie (vložka) | Pohyb pohybu lúča (m/môj) | Rýchlejšie rýchlosti znižujú HAZ, ale vyžadujú vyššiu energiu pre fúziu. | 1–5 m/min pre 1–5 mm oceľ; 0.5–2 m/min pre hliník. |
| Pozícia (f) | Vzdialenosť od objektívu k obrobku (mm) | +f pre hlbšie prenikanie; -f pre širšie, plytké zvary. | Použite automatické zaostrenie na meniacu sa hrúbku listov. |
| Pomáhať plyn | Tlak (napr., N₂, 15 bar) | Zabraňuje oxidácii (N₂/on) alebo zvyšuje fúziu (O₂). | Dusík pre nehrdzavejúcu oceľ; kyslík pre oceľ. |
| Trvanie impulzov (Tón) | Čas na pulz (ms, pre pulzné lasery) | Kratšia τ pre mikro zváranie; dlhšie τ pre hrubšie materiály. | 1–10 ms pre 0,1 - 1 mm meď; 50–100 ms pre 2–5 mm hliník. |
4.2 Optimalizačné techniky
- Hniezdny softvér:
- Programy ako AutoCAD Weld Optimalizujú cesty zvaru, aby sa minimalizovalo vytiahnutie, skrátenie času cyklu o 20%.
- Monitorovanie v reálnom čase:
- Pyrometre merajú teplotu taveniny (napr., 1800° C pre oceľ) Upraviť napájanie v reálnom čase.
- Systémy strojového videnia detekujú chyby (pórovitosť, podrezanie) s 99% presnosť.
5. Proces zvárania pre konkrétne materiály
Adaptabilita laserového zvárania mu umožňuje pripojiť sa k rôznym materiálom:
5.1 Železničné kovy
- Nerezová oceľ: Laserové zváranie vytvára úzke, hlboké zvary s minimálnym skreslením, Ideálne pre aplikácie vyžadujúce vysoký odolnosť proti korózii.
- Uhlíková oceľ: Vyžaduje presnú kontrolu, aby sa zabránilo praskaniu; Predhrievanie môže byť potrebné pre varianty s vysokým obsahom uhlíka.
5.2 Neželezné kovy
- hliník: Vysoká odrazivosť a tepelná vodivosť predstavujú výzvy; Použitie kratších laserov vlnovej dĺžky a správna príprava povrchu zlepšuje výsledky.
- Meď: Jeho vysoká odrazivosť a vodivosť si vyžadujú vysoko výkonné lasery alebo špecializované vlnové dĺžky, ako sú modré lasery, na dosiahnutie kvalitných zvarov .
5.3 Špeciálne materiály
- Zliatiny titánu: Na zabránenie kontaminácie vyžadujú inertné tienenie plynu; laserové zváranie ponúka presnú kontrolu, je vhodný pre letecké aplikácie.
- Zliatiny niklu: Prínos z schopnosti laserového zvárania vyrábať kĺby s vysokou pevnosťou s minimálnymi zónami postihnutými tepelne.
6. Výhody laserového zvárania
6.1 Presnosť a kontrola
- Mikro zváracia schopnosť:
- Spája vodiče s priemerom 50 μm v senzoroch MEMS s 99.9% úspešnosť, Kritické pre letecké navigačné systémy.
- Rozmerová presnosť:
- ± 0,02 mm tolerancia pre komponenty automobilového prenosu, eliminujúce obrábanie po zváraní.
6.2 Všestrannosť
- Odlišné materiálne zváranie:
- Oceľ na hliníkové kĺby v motoroch EV, dosiahnuté pomocou laserového spájkovania s kovovým kovovým kovom hliníkom.
- Komplexné geometrie:
- 3D laserové zváranie zakrivených titánových listov pre raketové dýzy, proces nemožný s tradičnými metódami.
6.3 Rýchlosť
- Priepustnosť:
- 5kW vláknité laserové zvary 1000 Zvesty na automobilové dvere za hodinu, 3x rýchlejšie ako zváranie tig.
- Úspory energie:
- Vláknité lasery konzumujú 50% Menej elektriny ako lasery, Zníženie prevádzkových nákladov na 0,30 - 1,00 USD za meter zvar.
7. Aplikácie laserového zvárania
7.1 automobilový priemysel
- Telesne biely (Lavica):
- Tesla gigafaktory používajú 10 kW vláknité lasery na zváranie hliníkových a oceľových komponentov, zníženie hmotnosti vozidla o 20% a zlepšenie bezpečnosti havárie.
- Hnacia jednotka:
- Diferenciálne prevodové stupne zvárané laserom (20Mncr5 oceľ) s toleranciou medzery 0,1 mm, zabezpečenie plynulej prevádzky pri 10,000 Otáčka.
7.2 Letecký priemysel
- Štrukturálne komponenty:
- Búrka 787 Dreamliner používa laserové zváranie pre titánové krídlové kože, zníženie počtu diel 30% a čas montáže 50%.
- Časti motora:
- Rolls-Royce Trent Engines obsahuje spaľovače zliatiny zliatiny laserom zvárané, odoláva 1500 ° C a zlepšenie palivovej účinnosti 5%.
7.3 Elektronický priemysel
- Mikroelektronika:
- Kontakty batérie Apple Watch (0.2meď s hrúbkou mm) zvárané s pulznými diódovými lasermi, dosiahnutie 99.99% Výťažok vo veľkom objemu výroby.
- Optoelektronika:
- Hermetické tesnenie laserových diód s presnosťou 10 μm, Kritické pre komunikačné zariadenia z optických vlákien.
7.4 Lekárske pomôcky
- Chirurgické nástroje:
- Laserom zvárané kliešte z nehrdzavejúcej ocele s drsnosťou okraja 5 μm, stretnutie ISO 23360 lekárske štandardy.
- Implantovateľné zariadenia:
- Štepenie stentu (zliatina nitinolu) zvárané ultrarýchle lasermi, minimalizácia tepelného poškodenia vlastností tvarovej pamäte.
7.5 Energia a stavba
- Obnoviteľná energia:
- Slnečný panel (hliník) Zvárané o 10 m/min s lasermi s vláknami 1 kW, umožňujúci 98% Využitie materiálu vo výrobe PV modulov.
- Infraštruktúra:
- Oceľové mosty zvárané laserom (20mm hrubá) pomocou hybridnej technológie, Zníženie nákladov na údržbu o 40% kvôli vynikajúcej únavovej odolnosti.
8. Laserové zváranie vs. Konvenčné zváranie
Laserové zváranie sa líši od konvenčných metód zvárania niekoľkými spôsobmi:
- Tepelný vstup: Laserové zváranie má nižší vstup tepla, Zníženie skreslenia a zlepšenie kvality kĺbu.
- Rýchlosť: Laserové zváranie je vo všeobecnosti rýchlejšie, čo vedie k kratším výrobným časom.
- Materiálová všestrannosť: Laserové zváranie sa môže spojiť s širšou škálou materiálov a hrúbok ako mnoho tradičných metód.
Tabuľka 2: Porovnanie metód zvárania
| Funkcia | Laserové zváranie | Konvenčné zváranie |
|---|---|---|
| Tepelný vstup | Nízka | Vysoká |
| Rýchlosť | Rýchly | pomalšie |
| Materiál | Široký | Obmedzené |
| Presnosť | Vysoká | Variabilný |
9. Časté otázky laserového zvárania
Q1: Aké typy materiálov možno privažovať s lasermi?
A1: Lasery môžu zvárať rôzne materiály, vrátane železných a neželezných kovov, plasty, a kompozity.
Q2: Aký je rozdiel medzi kontinuálnym a pulzným laserovým zváraním?
A2: Kontinuálne laserové zváranie používa konštantný lúč pre vysokorýchlostné aplikácie, Zatiaľ čo pulzné laserové zváranie dodáva energiu v prasknutiach pre väčšiu kontrolu.
Q3: Ako sa porovnáva laserové zváranie s tradičnými metódami zvárania?
A3: Laserové zváranie ponúka vstupné teplo, vyššia presnosť, a vyššia rýchlosť v porovnaní s mnohými konvenčnými technikami zvárania.
10. Záver
Technológia zvárania laserom revolúcie vo výrobnom prostredí, Presné ponúkanie, efektívny, a všestranné riešenia pre rôzne aplikácie.
Pochopenie jeho zásad, výhod, a aplikácie umožňujú odvetviam efektívne využívať túto technológiu.
Ako pokrok pokračuje, Laserové zváranie bude hrať stále dôležitejšiu úlohu v moderných výrobných procesoch, riadenie inovácií a efektívnosti medzi odvetviami.
Náš partner: https://dz-machining.com/