En guide till grunderna i lasersvetsning

Lasersvets grunderna

Lasersvetsning är en beröringsfri process som kräver åtkomst till svetszonen från ena sidan av de delar som svetsas.

• Svetsen bildas när det intensiva laserljuset snabbt värmer materialet, vanligtvis beräknat i millisekunder.

• Det finns vanligtvis tre typer av svetsar:

– Ledningsläge.

– Lednings-/penetrationsläge.

– Penetration eller nyckelhålsläge.

• Ledningslägessvetsning utförs vid låg energitäthet och bildar en svetsklump som är ytlig och bred.

• Lednings-/penetrationsläge sker vid medelhög energitäthet och visar mer penetration än ledningsläge.

• Svetsning med penetration eller nyckelhålsläge kännetecknas av djupa smala svetsar.

– I det här läget bildar laserljuset en filament av förångat material, känt som ett "nyckelhål" som sträcker sig in i materialet och ger en ledning för laserljuset att effektivt levereras in i materialet.

– Denna direkta leverans av energi till materialet är inte beroende av ledning för att uppnå penetration, och minimerar därför värmen in i materialet och minskar den värmepåverkade zonen.

Ledningssvetsning

• Ledningssammanfogning beskriver en familj av processer där laserstrålen fokuseras:

– För att ge en effekttäthet i storleksordningen 10³ Wmm⁻²

– Den smälter samman material för att skapa en fog utan betydande förångning.

• Ledningssvetsning har två lägen:

– Direkt uppvärmning

– Energiöverföring.

Direkt värme

• Under direkt uppvärmning,

– värmeflödet styrs av klassisk värmeledning från en ytvärmekälla och svetsen görs genom att smälta delar av basmaterialet.

• De första ledningssvetsarna gjordes i början av 1960-talet, använde lågeffekt pulsad rubin och CO2 lasrar för trådanslutningar.

• Ledningssvetsar kan göras i ett brett utbud av metaller och legeringar i form av trådar och tunna plåtar i olika konfigurationer med hjälp av.

- CO2 , Nd:YAG och diodlasrar med effektnivåer i storleksordningen tiotals watt.

– Direkt uppvärmning med en CO2 laserstrålen kan även användas för höft- och stumsvetsar i polymerplåt.

Transmissionssvetsning

• Transmissionssvetsning är ett effektivt sätt att sammanfoga polymerer som överför den nära infraröda strålningen från Nd:YAG och diodlasrar.

• Energin absorberas genom nya gränssnittsabsorptionsmetoder.

• Kompositer kan sammanfogas förutsatt att de termiska egenskaperna hos matrisen och armeringen är likartade.

• Energiöverföringssättet för ledningssvetsning används med material som sänder nära infraröd strålning, särskilt polymerer.

• Ett absorberande bläck placeras vid gränsytan av en överlappsfog. Bläcket absorberar laserstråleenergin, som leds in i en begränsad tjocklek av omgivande material för att bilda en smält gränsytefilm som stelnar som svetsfogen.

• Överlappsfogar med tjocka sektioner kan göras utan att smälta fogens yttre ytor.

• Stumsvetsar kan göras genom att energin riktas mot foglinjen i en vinkel genom material på ena sidan av fogen, eller från ena änden om materialet är mycket genomsläppligt.

Laserlödning och lödning

• I laserlödnings- och hårdlödningsprocesserna används strålen för att smälta en tillsats av fyllmedel, som väter kanterna på fogen utan att smälta basmaterialet.

• Laserlödning började bli populärt i början av 1980-talet för att sammanfoga ledningar av elektroniska komponenter genom hål i kretskort. Processparametrarna bestäms av materialegenskaperna.

Penetration Lasersvetsning

• Vid höga effekttätheter kommer alla material att avdunsta om energin kan absorberas. Sålunda, vid svetsning på detta sätt, bildas vanligtvis ett hål genom avdunstning.

• Detta "hål" passeras sedan genom materialet med de smälta väggarna tätande bakom sig.

• Resultatet är en så kallad "nyckelhålssvets. Denna kännetecknas av dess parallellsidiga smältzon och smala bredd.

Lasersvetseffektivitet

• En term för att definiera detta effektivitetsbegrepp är känd som "sammanfogningseffektivitet".

• Sammanfogningseffektiviteten är inte en verklig effektivitet eftersom den har enheter på (mm2 sammanfogad /kJ levereras).

– Verkningsgrad=Vt/P (reciproken av den specifika energin vid skärning) där V = travershastighet, mm/s; t = tjocklek svetsad, mm; P = infallande effekt, KW.

Gå med i effektivitet

• Ju högre sammanfogningseffektiviteten är desto mindre energi går åt till onödig uppvärmning.

– Lägre värmepåverkad zon (HAZ).

– Lägre distorsion.

• Motståndssvetsning är mest effektiv i detta avseende eftersom smält- och HAZ-energin bara genereras vid det högresistansgränssnitt som ska svetsas.

• Laser- och elektronstråle har också goda verkningsgrader och höga effekttätheter.

Processvariationer

• Arc Augmented Laser Welding.

– Bågen från en TIG-brännare som är monterad nära laserstrålens interaktionspunkt kommer automatiskt att låsa sig på den lasergenererade hot spot.

– Temperaturen som krävs för detta fenomen är cirka 300°C över den omgivande temperaturen.

– Effekten är antingen att stabilisera en båge som är instabil på grund av sin travershastighet eller att minska motståndet i en båge som är stabil.

– Låsningen sker endast för ljusbågar med låg ström och därför långsam katodstråle; det vill säga för strömmar mindre än 80A.

– Bågen är på samma sida av arbetsstycket som lasern vilket möjliggör en fördubbling av svetshastigheten för en blygsam ökning av kapitalkostnaden.

• Twin Beam Lasersvetsning

– Om två laserstrålar används samtidigt finns det möjlighet att styra svetsbadets geometri och svetssträngsformen.

– Med hjälp av två elektronstrålar kunde nyckelhålet stabiliseras vilket orsakar färre vågor på svetsbadet och ger en bättre penetration och pärlform.

– En excimer och CO2 laserstrålekombination visade att förbättrad koppling för svetsning av material med hög reflektivitet, såsom aluminium eller koppar kunde erhållas.

– Den förbättrade kopplingen ansågs främst bero på:

• ändring av reflektionsförmågan genom ytkrusningar orsakade av excimern.

• en sekundär effekt som uppstår från kopplingen genom den excimergenererade plasman.