Útmutató a lézeres hegesztés alapjaihoz

A lézeres hegesztés alapjai

A lézeres hegesztés egy érintésmentes folyamat, amelyhez a hegesztett részek egyik oldaláról hozzá kell férni a hegesztési zónához.

• A varrat úgy jön létre, hogy az intenzív lézerfény gyorsan felmelegíti az anyagot – tipikusan milliszekundumban számolva.

• Általában 3 féle hegesztés létezik:

– Vezetési mód.

– Vezetési/penetrációs mód.

– Behatolás vagy kulcslyuk mód.

• A vezetési módú hegesztést alacsony energiasűrűséggel végzik, és egy sekély és széles hegesztési rögöt képeznek.

• A vezetési/penetrációs mód közepes energiasűrűségnél fordul elő, és nagyobb penetrációt mutat, mint a vezetési mód.

• A behatoló vagy kulcslyuk üzemmódú hegesztést mélyen keskeny varratok jellemzik.

– Ebben az üzemmódban a lézerfény elpárologtatott anyagból egy izzószálat képez, amelyet „kulcslyuknak” neveznek, és amely benyúlik az anyagba, és csatornát biztosít a lézerfény hatékony anyagba juttatásához.

– Ez a közvetlen energiaszállítás az anyagba nem támaszkodik a vezetésre a behatolás eléréséhez, így minimálisra csökkenti az anyagba jutó hőt, és csökkenti a hő által érintett zónát.

Vezető hegesztés

• A vezetési illesztés olyan folyamatok családját írja le, amelyekben a lézersugarat fókuszálják:

– 10³ Wmm⁻² nagyságrendű teljesítménysűrűség biztosítása

– Összeolvasztja az anyagot, hogy jelentős párolgás nélkül kötést hozzon létre.

• A vezetőhegesztésnek 2 módja van:

- Közvetlen fűtés

– Energiaátvitel.

Közvetlen hő

• Közvetlen fűtéskor,

– a hőáramot a felületi hőforrásból származó klasszikus hővezetés szabályozza, és a hegesztés az alapanyag egyes részeinek megolvasztásával készül.

• Az 1. vezetési varratok az 1960-as évek elején készültek, kis teljesítményű impulzusos rubint ill. CO2 lézerek vezetékcsatlakozókhoz.

• A vezető hegesztések fémek és ötvözetek széles skálájában készíthetők huzalok és vékony lemezek formájában, különféle konfigurációkban.

- CO2 , Nd:YAG és dióda lézerek tíz watt nagyságrendű teljesítményszinttel.

– Közvetlen fűtés a CO2 A lézersugár használható átlapolási és tompahegesztésekhez is polimer lemezekben.

Erőátviteli hegesztés

• A transzmissziós hegesztés hatékony eszköz az Nd:YAG és a dióda lézerek közeli infravörös sugárzását továbbító polimerek összekapcsolására.

• Az energia elnyelése újszerű határfelületi abszorpciós módszerekkel történik.

• A kompozitok összeilleszthetők, ha a mátrix és az erősítés hőtani tulajdonságai hasonlóak.

• A vezetési hegesztés energiaátviteli módját olyan anyagoknál használják, amelyek közeli infravörös sugárzást bocsátanak át, különösen polimereknél.

• Nedvszívó tintát helyeznek az átlapolt illesztés határfelületére. A tinta elnyeli a lézersugár energiáját, amely a környező anyag korlátozott vastagságába vezetve olvadt felületi filmet képez, amely a hegesztési kötés során megszilárdul.

• Vastag szelvényű átlapolt illesztések készíthetők a kötés külső felületeinek megolvasztása nélkül.

• Tompahegesztések készíthetők úgy, hogy az energiát a kötési vonal felé szögben irányítják az anyagon keresztül a kötés egyik oldalán, vagy az egyik végéről, ha az anyag erősen áteresztő.

Lézeres forrasztás

• A lézeres forrasztási és keményforrasztási eljárások során a sugárral egy töltőanyag-adalékot olvasztunk, amely az alapanyag megolvasztása nélkül nedvesíti a hézag széleit.

• A lézeres forrasztás az 1980-as évek elején kezdett népszerűvé válni az elektronikus alkatrészek vezetékeinek a nyomtatott áramköri kártyákon lévő lyukakon keresztül történő összekapcsolására. A folyamat paramétereit az anyag tulajdonságai határozzák meg.

Behatolásos lézeres hegesztés

• Nagy teljesítménysűrűség esetén minden anyag elpárolog, ha az energia elnyelhető. Így az ily módon történő hegesztéskor általában párologtatással lyuk keletkezik.

• Ezt a "lyukat" azután áthaladják az anyagon úgy, hogy az olvadt falak bezáródnak mögötte.

• Az eredmény az úgynevezett "kulcslyuk-hegesztés. Ezt a párhuzamos oldalú fúziós zóna és a keskeny szélesség jellemzi.

Lézeres hegesztési hatékonyság

• A hatékonyság fogalmának meghatározására szolgáló kifejezést „csatlakozási hatékonyságnak” nevezik.

• Az illesztési hatásfok nem valós hatásfok, mivel egységei (mm2 összekapcsolt /kJ szállítva).

– Hatásfok=Vt/P (a vágási fajlagos energia reciproka), ahol V = mozgási sebesség, mm/s; t = hegesztett vastagság, mm; P = beeső teljesítmény, KW.

Csatlakozás a hatékonysághoz

• Minél nagyobb az illesztési hatásfok értéke, annál kevesebb energiát fordítanak a felesleges fűtésre.

– Alacsonyabb hőhatás zóna (HAZ).

– Alacsonyabb torzítás.

• Az ellenálláshegesztés ebből a szempontból a leghatékonyabb, mivel a fúziós és HAZ energia csak a nagy ellenállású hegesztendő határfelületen keletkezik.

• A lézer- és elektronsugár jó hatásfokkal és nagy teljesítménysűrűséggel is rendelkezik.

Folyamat variációk

• Ívnövelt lézerhegesztés.

– A lézersugár kölcsönhatási pontjához közel szerelt AWI pisztoly íve automatikusan rögzül a lézer által generált forró ponton.

– A jelenséghez szükséges hőmérséklet 300°C körül van a környező hőmérséklet felett.

– A hatás vagy stabilizálja a mozgási sebessége miatt instabil ívet, vagy csökkenti a stabil ív ellenállását.

– A reteszelés csak alacsony áramerősségű és ezért lassú katódsugárral rendelkező íveknél történik; vagyis 80A-nél kisebb áramerősségnél.

– Az ív a munkadarabnak ugyanazon az oldalán van, mint a lézer, ami lehetővé teszi a hegesztési sebesség megkétszerezését a tőkeköltség szerény növekedése érdekében.

• Ikersugaras lézerhegesztés

– Ha egyidejűleg 2 lézersugarat használunk, akkor lehetőség van a hegesztőmedence geometriájának és a varratperem alakjának szabályozására.

– 2 elektronsugár használatával a kulcslyuk stabilizálható, kevesebb hullámot okozva a hegesztési medencén, és jobb behatolást és gyöngy alakot biztosít.

– Egy excimer és CO2 A lézersugár-kombináció javított csatolást mutatott nagy fényvisszaverő képességű anyagok, például alumínium vagy réz hegesztésénél.

– A továbbfejlesztett kapcsolást elsősorban a következők miatt vették figyelembe:

• a reflexiós képesség megváltoztatása az excimer által okozott felületi hullámzás által.

• egy másodlagos hatás, amely a csatolásból az excimer által generált plazmán keresztül jön létre.