Základy laserového zvárania
Laserové zváranie je bezkontaktný proces, ktorý vyžaduje prístup do zvarovej zóny z jednej strany zváraných dielov.
• Zvar sa vytvorí, keď intenzívne laserové svetlo rýchlo zohreje materiál – zvyčajne počítané v milisekundách.
• Zvyčajne existujú 3 typy zvarov:
- Režim vedenia.
– Režim vedenia/penetrácie.
– Režim penetrácie alebo kľúčovej dierky.
• Zváranie s vodivým režimom sa vykonáva pri nízkej hustote energie a vytvára zvar, ktorý je plytký a široký.
• Režim vedenia/prenikania sa vyskytuje pri strednej hustote energie a vykazuje väčšiu penetráciu ako režim vedenia.
• Zváranie v režime prieniku alebo kľúčovej dierky sa vyznačuje hlbokými úzkymi zvarmi.
– V tomto režime vytvára laserové svetlo vlákno odpareného materiálu známe ako „kľúčová dierka“, ktorá zasahuje do materiálu a poskytuje vedenie pre laserové svetlo, ktoré sa účinne privádza do materiálu.
– Toto priame dodávanie energie do materiálu sa nespolieha na vedenie na dosiahnutie penetrácie, a tak minimalizuje teplo do materiálu a znižuje tepelne ovplyvnenú oblasť.
Kondukčné zváranie
• Kondukčné spájanie opisuje skupinu procesov, pri ktorých je laserový lúč zaostrený:
– Získať hustotu výkonu rádovo 10³ Wmm⁻²
- Spojuje materiál a vytvára spoj bez výrazného odparovania.
• Kondukčné zváranie má 2 režimy:
- Priame vykurovanie
- Prenos energie.
Priame teplo
• Pri priamom ohreve,
– tepelný tok je riadený klasickým vedením tepla z povrchového zdroja tepla a zvar je vytvorený natavením častí základného materiálu.
• Prvé vodivé zvary boli vyrobené na začiatku 1-tych rokov minulého storočia, použili nízkovýkonné pulzné rubínové a CO2 lasery na drôtové konektory.
• Vodivé zvary môžu byť vyrobené v širokej škále kovov a zliatin vo forme drôtov a tenkých plechov v rôznych konfiguráciách s použitím.
- CO2 , Nd:YAG a diódové lasery s úrovňami výkonu rádovo v desiatkach wattov.
– Priame vykurovanie a CO2 laserový lúč je možné použiť aj na prekrývacie a tupé zvary polymérových dosiek.
Prevodové zváranie
• Prenosové zváranie je účinným prostriedkom spájania polymérov, ktoré prepúšťajú blízke infračervené žiarenie Nd:YAG a diódových laserov.
• Energia sa absorbuje prostredníctvom nových metód medzifázovej absorpcie.
• Kompozity možno spájať za predpokladu, že tepelné vlastnosti matrice a výstuže sú podobné.
• Spôsob prenosu energie kondukčného zvárania sa používa pri materiáloch, ktoré prepúšťajú blízke infračervené žiarenie, najmä pri polyméroch.
• Absorpčný atrament je umiestnený na rozhraní presahovaného spoja. Atrament absorbuje energiu laserového lúča, ktorý je vedený do obmedzenej hrúbky okolitého materiálu, aby sa vytvoril roztavený medzifázový film, ktorý tuhne ako zvarový spoj.
• Hrubé preplátované spoje môžu byť vyrobené bez roztavenia vonkajších povrchov spoja.
• Tupé zvary môžu byť vyrobené nasmerovaním energie smerom k spojovacej línii pod uhlom cez materiál na jednej strane spoja alebo z jedného konca, ak je materiál vysoko priepustný.
Laserové spájkovanie a tvrdé spájkovanie
• Pri laserovom spájkovaní a spájkovaní sa lúč používa na roztavenie prídavného plniva, ktoré zmáča okraje spoja bez roztavenia základného materiálu.
• Laserové spájkovanie si začalo získavať na popularite začiatkom 1980. rokov minulého storočia pri spájaní vodičov elektronických súčiastok cez otvory v doskách plošných spojov. Parametre procesu sú určené vlastnosťami materiálu.
Penetračné laserové zváranie
• Pri vysokej hustote výkonu sa všetky materiály vyparia, ak je možné energiu absorbovať. Pri zváraní týmto spôsobom teda zvyčajne vzniká diera odparovaním.
• Táto "diera" potom prechádza cez materiál, pričom roztavené steny sa za ňou utesňujú.
• Výsledkom je to, čo je známe ako „zvar kľúčovou dierkou. Tento zvar je charakteristický svojou paralelnou zónou zvárania a úzkou šírkou.
Účinnosť laserového zvárania
• Pojem na definovanie tohto konceptu efektívnosti je známy ako „účinnosť spájania“.
• Účinnosť spájania nie je skutočnou účinnosťou, pretože má jednotky (mm2 spojeného/dodaný kJ).
– Účinnosť = Vt/P (prevrátená hodnota špecifickej energie pri rezaní), kde V = rýchlosť posuvu, mm/s; t = hrúbka zvárania, mm; P = príkon, KW.
Efektivita spájania
• Čím vyššia je hodnota účinnosti spájania, tým menej energie sa spotrebuje na zbytočné zahrievanie.
– Dolná tepelne ovplyvnená zóna (HAZ).
– Nižšie skreslenie.
• Odporové zváranie je v tomto ohľade najúčinnejšie, pretože energia tavenia a HAZ sa generuje iba na rozhraní s vysokým odporom, ktoré sa má zvárať.
• Laserový a elektrónový lúč majú tiež dobrú účinnosť a vysokú hustotu výkonu.
Variácie procesu
• Oblúkové laserové zváranie.
– Oblúk z horáka TIG namontovaného v blízkosti bodu interakcie laserového lúča sa automaticky zablokuje na laserom generovanom horúcom mieste.
– Teplota potrebná pre tento jav je približne o 300°C vyššia ako teplota okolia.
– Výsledkom je buď stabilizácia oblúka, ktorý je nestabilný v dôsledku rýchlosti posuvu, alebo zníženie odporu oblúka, ktorý je stabilný.
– Uzamknutie sa deje len pri oblúkoch s nízkym prúdom, a teda pomalým katódovým prúdom; to znamená pre prúdy menšie ako 80A.
– Oblúk je na rovnakej strane obrobku ako laser, čo umožňuje zdvojnásobenie rýchlosti zvárania pri miernom zvýšení kapitálových nákladov.
• Dvojlúčové laserové zváranie
– Ak sú súčasne použité 2 laserové lúče, existuje možnosť kontroly geometrie zvarového kúpeľa a tvaru zvarovej húsenice.
– Pomocou 2 elektrónových lúčov by sa mohla kľúčová dierka stabilizovať, čo by spôsobilo menej vĺn na zvarovom kúpeli a poskytlo lepšiu penetráciu a tvar guľôčky.
– Excimer a CO2 kombinácia laserového lúča ukázala zlepšenú väzbu na zváranie materiálov s vysokou odrazivosťou, ako je hliník alebo meď.
– O vylepšenom spojení sa uvažovalo najmä kvôli:
• zmena odrazivosti povrchovým vlnením spôsobeným excimerom.
• sekundárny efekt vznikajúci z väzby cez plazmu generovanú excimerom.
