Opas laserhitsauksen perusteisiin

Laserhitsauksen perusteet

Laserhitsaus on kosketukseton prosessi, joka vaatii pääsyn hitsausalueelle hitsattavien osien toiselta puolelta.

• Hitsaus muodostuu, kun voimakas laservalo lämmittää materiaalin nopeasti - tyypillisesti millisekunneissa laskettuna.

• Hitsauksia on tyypillisesti 3 tyyppiä:

– Johtotila.

– Johto/läpäisytila.

– Läpäisy- tai avaimenreikätila.

• Johtomuotohitsaus suoritetaan alhaisella energiatiheydellä muodostaen hitsauskimpaleen, joka on matala ja leveä.

• Johtavuus/läpäisytila esiintyy keskisuurella energiatiheydellä ja näyttää enemmän tunkeutumista kuin johtavuustila.

• Läpivienti- tai avaimenreikähitsaukselle on ominaista syvät kapeat hitsit.

– Tässä tilassa laservalo muodostaa höyrystyneestä materiaalista filamentin, joka tunnetaan "avaimenreiällä", joka ulottuu materiaaliin ja tarjoaa kanavan laservalon tehokkaalle kuljettamiselle materiaaliin.

– Tämä suora energian syöttö materiaaliin ei ole riippuvainen johtamisesta tunkeutumisen saavuttamiseksi, ja näin minimoi lämmön materiaaliin ja vähentää lämmön vaikutusaluetta.

Johtohitsaus

• Johtoliitos kuvaa prosessiperhettä, jossa lasersäde kohdistetaan:

– Antaa tehotiheyden luokkaa 10³ Wmm⁻²

– Se sulattaa materiaalin muodostaen liitoksen ilman merkittävää höyrystymistä.

• Johtohitsauksessa on 2 tilaa:

– Suora lämmitys

– Energian siirto.

Suora lämpö

• Suoran lämmityksen aikana

– lämpövirtausta säätelee klassinen lämmönjohtavuus pintalämmön lähteestä ja hitsi tehdään sulattamalla pohjamateriaalin osia.

• Ensimmäiset johtohitsaukset tehtiin 1-luvun alussa, niissä käytettiin pienitehoista pulssirubiinia ja CO2 laserit lankaliittimiin.

• Johtavia hitsejä voidaan tehdä useista eri metalleista ja metalliseoksista lankojen ja ohuiden levyjen muodossa eri kokoonpanoissa käyttäen.

- CO2 , Nd:YAG ja diodilaserit, joiden tehotasot ovat kymmenien wattien luokkaa.

– Suora lämmitys a CO2 lasersädettä voidaan käyttää myös polymeerilevyjen lantio- ja puskuhitsauksiin.

Voimansiirron hitsaus

• Transmissiohitsaus on tehokas tapa liittää polymeerejä, jotka välittävät Nd:YAG- ja diodilaserien lähi-infrapunasäteilyä.

• Energia imeytyy uusien rajapintaabsorptiomenetelmien avulla.

• Komposiitit voidaan liittää yhteen, jos matriisin ja raudoituksen lämpöominaisuudet ovat samanlaiset.

• Johtohitsauksen energiansiirtotapaa käytetään lähellä infrapunasäteilyä läpäisevien materiaalien, erityisesti polymeerien, kanssa.

• Limiliitoksen rajapintaan asetetaan imevä muste. Muste absorboi lasersäteen energiaa, joka johdetaan rajoitettuun paksuuteen ympäröivään materiaaliin muodostaen sulan rajapinnan kalvon, joka jähmettyy hitsausliitoksena.

• Paksun profiilin limitysliitokset voidaan tehdä sulattamatta sauman ulkopintoja.

• Puskuhitsaukset voidaan tehdä ohjaamalla energiaa liitosviivaa kohti kulmassa materiaalin läpi liitoksen toisella puolella tai toisesta päästä, jos materiaali on erittäin läpäisevää.

Laserjuotto ja kovajuotos

• Laser- ja kovajuotosprosesseissa säteellä sulatetaan täyteainelisä, joka kastelee liitoksen reunat perusmateriaalia sulattamatta.

• Laserjuotto alkoi saada suosiota 1980-luvun alussa elektronisten komponenttien johtojen liittämisessä piirilevyjen reikien kautta. Prosessiparametrit määräytyvät materiaalin ominaisuuksien mukaan.

Penetraatiolaserhitsaus

• Suurilla tehotiheyksillä kaikki materiaalit haihtuvat, jos energia voidaan absorboida. Siten tällä tavalla hitsattaessa muodostuu yleensä reikä haihduttamalla.

• Tämä "reikä" kulkee sitten materiaalin läpi, jolloin sulat seinät tiivistyvät sen takana.

• Tuloksena on niin sanottu "avaimenreikähitsaus. Tälle on tunnusomaista sen yhdensuuntainen sulatusalue ja kapea leveys.

Laserhitsauksen tehokkuus

• Termi tämän tehokkuuden käsitteen määrittelemiseksi tunnetaan nimellä "liitostehokkuus".

• Liitostehokkuus ei ole todellinen hyötysuhde, koska sen yksiköt ovat (mm2 liitettyä /kJ mukana).

– Tehokkuus = Vt/P (leikkauksen ominaisenergian käänteisluku), jossa V = liikenopeus, mm/s; t = hitsauspaksuus, mm; P = tuloteho, KW.

Liittyminen tehokkuuteen

• Mitä korkeampi liitoshyötysuhde on, sitä vähemmän energiaa kuluu tarpeettomaan lämmitykseen.

– Alempi lämmön vaikutusalue (HAZ).

– Pienempi särö.

• Vastushitsaus on tässä suhteessa tehokkain, koska sulamis- ja HAZ-energia syntyy vain hitsattavassa suuren resistanssin rajapinnassa.

• Laser- ja elektronisuihkulla on myös hyvä hyötysuhde ja korkea tehotiheys.

Prosessin variaatiot

• Valokaarilisätty laserhitsaus.

– Lasersäteen vuorovaikutuspisteen läheisyyteen asennetun TIG-polttimen kaari lukittuu automaattisesti laserin luomaan kuumaan kohtaan.

– Tämän ilmiön vaatima lämpötila on noin 300°C ympäristön lämpötilaa korkeampi.

– Vaikutus on joko vakauttamaan valokaaren, joka on epävakaa sen liikenopeuden vuoksi, tai vähentämään vakaan kaaren vastusta.

– Lukitus tapahtuu vain valokaareille, joilla on pieni virta ja siksi hidas katodisuihku; eli alle 80A virroille.

– Valokaari on työkappaleen samalla puolella laserin kanssa, mikä mahdollistaa hitsausnopeuden kaksinkertaistamisen, mikä lisää pääomakustannuksia.

• Kaksoisuihkulaserhitsaus

– Jos käytetään kahta lasersädettä samanaikaisesti, on mahdollista ohjata hitsisulan geometriaa ja hitsauspaan muotoa.

– Kahdella elektronisuihkulla avaimenreikä voitaisiin vakauttaa, jolloin hitsausmassaan saadaan vähemmän aaltoja ja saadaan parempi tunkeutuminen ja vanteen muoto.

– Excimer ja CO2 lasersäteen yhdistelmä osoitti parannettua kytkentää korkean heijastavuuden materiaalien, kuten alumiinin tai kuparin, hitsaukseen.

– Tehostettua kytkentää pidettiin pääasiassa seuraavista syistä:

• heijastavuuden muuttaminen eksimeerin aiheuttamalla pinnan aaltoilulla.

• toissijainen vaikutus, joka syntyy kytkennästä eksimeerin tuottaman plasman kautta.