Вступ лазерного зварювання

1. Огляд технології лазерного зварювання

1.1 Визначення лазерного зварювання

Лазерне зварювання-це високоточний процес з’єднання матеріалу, який використовує концентрований лазерний промінь для розплавлення та запобіжників, Створення сильного, довговічні зв’язки.

Ця технологія перетворює електричну енергію в цілеспрямований світловий промінь - порівнюючи на довжині хвилі з 1060 нм (волокно -лазери) до 10 600 нм (Co₂ лазери)- що передає інтенсивне тепло на заготовку, що дозволяє локалізоване плавлення без широкого теплового спотворення.

На відміну від традиційних методів зварювання (напр., Я, Тиг), Лазерне зварювання покладається на оптичні системи для направлення променя, дозволяючи точного контролю над введенням енергії.

Це робить його ідеальним для приєднання до тонких аркушів, мікрокомпоненти, і різні матеріали, з програмами, що охоплюють автомобіль, аерокосмічний, електроніка, та медичні пристрої.

1.2 Фон та важливість розвитку

• Історичні віхи:
  • 1960s: Перші лазерні зварні шви проводили за допомогою рубінових лазерів, Хоча обмежена потужність та надійність обмежені промислове використання.
  • 1970s: Co₂ лазери (10КВт Сила) Увімкнено глибоке проникнення зварювання товстої сталі, позначення першого великого промислового прийняття.
  • 2000s: Волоконні лазери революціонізували поле з 30–40% енергоефективністю, компактний дизайн, і чудова якість променя, зменшення експлуатаційних витрат на 50% Порівняно з системами CO₂.
• Промислове значення:
  • Дозволяє масове виробництво легкої ваги, високоміцні компоненти в електромобілях (електромобілі) і літаки.
  • Полегшує мініатюризацію в електроніці, наприклад, зварювання товщиною 50 мкм у мікрочіпах.
  • Підтримує стійке виробництво за допомогою зменшених матеріальних відходів та споживання енергії.

1.3 Основні переваги

2. Основні принципи лазерного зварювання

2.1 Фізичні властивості лазерів

Лазери, що використовуються для зварювання, поділяють ці ключові риси:

• Монохроматичність: Однохвильова довжина світла ефективно концентрує енергоносії.
• Просторова узгодженість: Тісний фокус променя дає високу щільність потужності (до 10 ⁶ - 10 ° Вт/см²).
• Спрямованість: Низька розбіжність забезпечує постійну доставку енергії на відстань.
• Діапазон довжини хвилі: Co₂ лазери (~ 10,6 мкм), Не:Яг (~ 1,06 мкм), і волокно/дискові лазери (~ 1,07 мкм) Пропонуйте компроміси в поглинанні, ефективність, і якість променя.

2.2 Фізичний механізм процесу зварювання

1. Поглинання: Поверхня матеріалу поглинає лазерну енергію, підвищення температури.
2. Плавлення: Локалізоване плавлення утворює невеликий зварний басейн.
3. Формування замкових щілин (режим проникнення): При високій щільності потужності, випаровування створює порожнину (“Звоєна щілина”) що захоплює лазерне світло, керування глибоким проникненням.
4. Динаміка розплаву: Поверхневий натяг та тиск від віддачі керують потік розплавленого металу навколо замкової щілини.
5. Затвердіння: Коли промінь рухається, метал охолоджується і твердне, формування шва шва.

2.3 Класифікація режимів зварювання

• Безперервна хвиля (CW): Доставляє стійкий промінь для постійної подачі тепла, Ідеально підходить для глибинного зварювання з замками з високою швидкістю.
• Пульсований: Випромінює короткі імпульси (µS - мс) для обмеження введення тепла, Контрольна глибина проникнення, і створити зовнішній вигляд зварювання "складених".
• Гібридний лазер -: Поєднує лазерний промінь з MIG/Mag Arc, Пропонуючи більш глибоке проникнення при зниженій лазерній потужності та підвищену толерантність до суглобів.

3. Лазерне зварювальне обладнання та компоненти

3.1 Технологія лазерного джерела

• Co₂ лазери: Наповнений газом, Висока середня потужність, але потребують складних дзеркал для керування променями і мають довші довжини хвилі (~ 10,6 мкм).
• Не:Yag лазери: Суцільний, Q-перемикання для імпульсної роботи, Компактний резонатор - але нижча середня потужність, ніж волокно .
• Волокно -лазери: Використовуйте допедні волоконні ядра для вигоди; Запропонуйте відмінну якість променя, Висока електрична ефективність, та без технічного обслуговування.
• Дискові лазери: Середовище посилення тонкої різниці забезпечує високу щільність потужності та гарну термічну обробку, підходить для дуже потужних додатків.

3.2 Оптична система

• Доставка променя: Дзеркала (Рефлективна оптика) або волоконно -оптичні кабелі направляються від джерела до робочих голов.
• Фокусування оптики: Використовуйте параболічні дзеркала (Co₂) або лінзи ZNSE/KCL (до ~ 4 кВт) Для концентрування променя на 0,1–1 мм фокусні точки.
• Формування променя: Вдосконалені модулі (напр., дифракційна оптика) Може налаштувати профілі інтенсивності для індивідуальних геометрів зварного шва.

3.3 Управління рухом

• Декартовані гантії & Роботи: Забезпечити повторний рух XYZ; Роботи дозволяють п’яти осі артикуляції для складних геометрій.
• Гальванометр: Швидкі рульові дзеркала для зварювання на ліхті, не переміщуючи заготовку.
• Інтегрований контроль: Координація в режимі реального часу пов'язує потужність променя, Параметри пульсу, і швидкість подорожі для послідовної якості зварювання.

3.4 Система охолодження та безпеки

• Охолодження: Вода з водою із закритим циклом підтримує лазерне джерело та оптику при стабільних температурах, запобігання тепловому дрейфу.
• Захисний газ: Аргон або гелій захищають зварний басейн від окислення та поглинання плазми.
• Корпуси & Блокування: Лазерно -безпечні корпуси з замками дверей та аварійними зупинками забезпечують безпеку оператора.
• Вилучення дима: Системи вентиляції Видалення диму, бризок, і пари для підтримки оптичної ясності та здоров'я на робочому місці.

4. Параметри обробки та оптимізація

4.1 Ключові параметри процесу

4.2 Методи оптимізації

• Програмне забезпечення для гніздування:
  • Такі програми, як AutoCAD WELD, оптимізують шляхи зварювання, щоб мінімізувати відступ, скорочення часу циклу на 20%.
• Моніторинг у режимі реального часу:
  • Пірометри вимірюють температуру басейну розплаву (напр., 1800° C для сталі) Налаштувати потужність у режимі реального часу.
  • Системи машинного зору виявляють дефекти (пористість, підрозділ) з 99% точність.

5. Процес зварювання для конкретних матеріалів

Пристосованість лазерного зварювання дозволяє йому приєднатися до різних матеріалів:

5.1 Залізні метали

• Нержавіюча сталь: Лазерне зварювання виробляє вузьке, глибокі зварні шви з мінімальним спотворенням, Ідеально підходить для застосувань, що вимагають високої корозійної стійкості.
• Вуглецева сталь: Вимагає точного контролю, щоб запобігти розтріскуванню; Попередження може знадобитися для варіантів з високим вмістом вуглецю.

5.2 Кольорові метали

• Алюміній: Висока відбивна здатність та виклики теплопровідності поставляють; Використання коротших лазерів довжини хвилі та належної підготовки поверхні покращує результати.
• Мідь: Його висока відбивна здатність та провідність потребують великих потужних лазерів або спеціалізованих довжин хвиль, наприклад, сині лазери, Для досягнення якісних зварних швів .

5.3 Спеціальні матеріали

• Титанові сплави: Вимагати екранування інертного газу, щоб запобігти забрудненню; Лазерне зварювання пропонує точний контроль, що робить його придатним для аерокосмічних застосувань.
• Нікелеві сплави: Користь від здатності лазерного зварювання виробляти високоміцні суглоби з мінімальними зонами, що постраждали від тепла.

6. Переваги лазерного зварювання

6.1 Точність та контроль

• Здатність мікропідсилювання:
  • Приєднується до 50 мкм-діаметрового дроту в датчиках MEMS з 99.9% Швидкість успіху, Критично для аерокосмічних навігаційних систем.
• Розмірна точність:
  • ± 0,02 мм допуск до компонентів автомобільної передачі, Усунення обробки після запилу.

6.2 Універсальність

• Немічне зварювання матеріалу:
  • Сталь до алюмінієвих стиків в двигунах EV, досягнуто за допомогою лазерного пайки з алюмінієво-силіконовим металом.
• Комплексні геометрії:
  • 3D лазерне зварювання вигнуті листи з титану для ракетних форсунок, Процес, неможливий за традиційними методами.

6.3 Швидкість та ефективність

• Пропускна здатність:
  • Лазерні швачі швів 5 кВт 1000 Автомобільні петлі на годину, 3x швидше, ніж тиг зварювання.
• Економія енергії:
  • Волокно -лазери споживають 50% менше електроенергії, ніж лазери Co₂, Зниження експлуатаційних витрат до $ 0,30 до 1,00 дол. США за метр зварювання.

7. Застосування лазерного зварювання

7.1 Автомобільна промисловість

• Тіло-біле (Лавка):
  • Gigafactories Tesla використовують волоконні лазери 10 кВт для зварювання компонентів алюмінію та сталі BIW, зменшення ваги транспортного засобу 20% та покращення безпеки аварій.
• Силовий агрегат:
  • Диференціальні передачі з лазерними звареними (20MNCR5 Сталь) з толерантністю до зазору 0,1 мм, Забезпечення плавної роботи в 10,000 Об / хв.

7.2 Аерокосмічна промисловість

• Структурні компоненти:
  • Боїнг 787 Dreamliner використовує лазерне зварювання для скінів з крилами титану, зменшення кількості частин за 30% і час складання 50%.
• Частини двигуна:
  • Rolls-Royce Trent Engines оснащені лазерно-звареними сплавами нікельського сплаву, витримуючи 1500 ° С та підвищення ефективності палива за допомогою 5%.

7.3 Електроніка

• Мікроелектроніка:
  • Apple Watch Акумуляторні контакти (0.2мідь товщиною мм) Зарушений імпульсними діодними лазерами, досягнення 99.99% врожайність у виробництві великого обсягу.
• Оптоелектроніка:
  • Герметична герметика лазерних діодів з точністю 10 мкм, Критично для волоконно -оптичних пристроїв зв'язку.

7.4 Медичні прилади

• Хірургічні інструменти:
  • Лазерно зварені щипці з нержавіючої сталі з шорсткістю 5 мкм, Зустріч ізо 23360 медичні стандарти.
• Імплантаційні пристрої:
  • Стент -трансплантати (Нітінол сплав) Зарушений з ультрашвидкими лазерами, мінімізація пошкодження тепла для властивостей форми-пам’яті.

7.5 Енергія та будівництво

• Відновлювана енергія:
  • Рамки сонячної панелі (алюміній) Приварений на 10 м/хв з лазерами волокна 1 кВт, що сприяє 98% використання матеріалів у виробництві модуля PV.
• Інфраструктура:
  • Лазерні сталеві мости (20мм товщиною) Використання гібридної технології, Зменшення витрат на технічне обслуговування за допомогою 40% Через верхню стійкість до втоми.

8. Лазерне зварювання проти. Звичайне зварювання

Лазерне зварювання відрізняється від звичайних методів зварювання кількома способами:

• Вхід тепла: Лазерне зварювання має менший тепловий вхід, Зниження спотворення та покращення якості суглоба.
• швидкість: Лазерне зварювання, як правило, швидше, що призводить до коротшого часу виробництва.
• Матеріальна універсальність: Лазерне зварювання може приєднатися до більш широкого спектру матеріалів та товщини, ніж багато традиційних методів.

Таблиця 2: Порівняння методів зварювання

9. Поширені запитання про лазерне зварювання

Q1: Які типи матеріалів можна зварювати з лазерами?

A1: Лазери можуть зварювати різноманітні матеріали, включаючи залізні та кольорові метали, пластмаси, і композити.

Q2: Яка різниця між безперервним та імпульсним лазерним зварюванням?

A2: Безперервне лазерне зварювання використовує постійний промінь для високошвидкісних застосувань, в той час як імпульсне лазерне зварювання забезпечує енергію в сплесках для більшого контролю.

Q3: Як порівнюється лазерне зварювання з традиційними методами зварювання?

A3: Лазерне зварювання пропонує менший тепловий вхід, вища точність, і більша швидкість порівняно з багатьма звичайними методами зварювання.

10. Висновок

Технологія лазерного зварювання революціонізувала виробничий ландшафт, пропонуючи точне, ефективний, і універсальні рішення для різних застосувань.

Розуміння його принципів, переваги, і програми дозволяють ефективно використовувати цю технологію цю технологію.

По мірі продовження просування, Лазерне зварювання відіграватиме все більш життєво важливу роль у сучасних виробничих процесах, сприяючи інноваціям та ефективності в галузях.

Наш партнер: https://dz-machining.com/