Spawanie laserowe
Spawania wiązką lasera (EN ISO 4063: Proces 52) jest proces spawania . Energia dostarczana jest za pomocą lasera . Stosowany jest głównie do spawania elementów, które muszą być łączone przy dużych prędkościach spawania, z wąskimi i smukłymi szwami spawalniczymi oraz z niewielkimi odkształceniami termicznymi. Proces, często nazywany spawaniem laserowym , jest zwykle przeprowadzany bez materiału wypełniającego.
Opis procesu
Promieniowanie laserowe skupiane jest za pomocą optyki. Powierzchnia detalu krawędzi spoiny, czyli spoiny spawanych elementów, znajduje się w bezpośrednim sąsiedztwie ogniska optyki (w ognisku). Położenie ogniska względem powierzchni przedmiotu obrabianego (powyżej lub poniżej) jest ważnym parametrem spawania, a także określa głębokość spawania. Ognisko ma typową średnicę kilku dziesiątych milimetra, co skutkuje bardzo wysokimi koncentracjami energii, jeśli używany laser ma typową moc kilku kilowatów mocy lasera. Absorpcja mocy lasera powoduje niezwykle szybki wzrost temperatury na powierzchni przedmiotu obrabianego powyżej temperatury topnienia metalu, w wyniku czego powstaje stopiony materiał. Ze względu na dużą prędkość chłodzenia spoiny staje się ona bardzo twarda w zależności od materiału i zwykle traci ciągliwość. Aby zabezpieczyć miejsce spawania przed utlenianiem , jest on stale przepłukiwany argonem o wysokiej czystości (1 l/min), który jest cięższy od powietrza, a tym samym wypiera tlen. Czystość gazu argonowego powinna wynosić co najmniej „4,6” (99,996%).
Głębokie spawanie laserowe
Przy dużym natężeniu wiązki (jak w przypadku materiałów stalowych ok. 4 MW/cm² w zależności od prędkości przesuwu; przy prędkości 1 m/min może wystarczyć ok. 2 MW/cm²) w stopionym materiale tworzy się kapilara parowa. kierunek wiązki (z wypełnionymi parami metalu lub częściowo zjonizowanymi parami metalu, wnęką rurową, zwaną również dziurką od klucza ) w głębokości przedmiotu obrabianego. W rezultacie materiał jest również topiony dogłębnie, strefa topienia może być głębsza niż szersza. Kapilara parowa zwiększa absorpcję promieniowania laserowego w materiale dzięki wielokrotnym odbiciom od ścian, dzięki czemu można wygenerować większą objętość stopionego materiału w porównaniu ze spawaniem termoprzewodzącym. Jakość spoiny można określić online, oceniając dziurkę od klucza za pomocą odpowiedniej optyki.
Spawanie termoprzewodzeniem
Jeśli stosuje się natężenie promieniowania do 100 kW / cm², zwykle chodzi o spawanie przez przewodzenie ciepła. Ponieważ metale dla wiązek laserowych mogą mieć współczynnik odbicia do 95% , w zależności od napromieniowanej długości fali, intensywność nie jest wystarczająca do wytworzenia kapilary pary ( dziurka od klucza ). Promieniowanie nie wnika, ciepło a co za tym idzie jeziorko spawalnicze penetruje słabiej, dlatego spawa się nim głównie cienki materiał.
Zamiennik do zgrzewania punktowego oporowego
Nowa metoda spawania laserowego może częściowo zastąpić punktowe zgrzewanie oporowe . Nie jest spawana żadna ciągła ścieżka, a jedynie pojedyncze linie spawalnicze w kształcie zacisku. Można je dostosować do obciążenia elementu i są bardziej stabilne niż konwencjonalne punkty zgrzewane oporowo.
Spawanie hybrydowe wiązką laserową MSG
Wiązki laserowej proces hybrydowy MSG jest połączenie wiązki laserowej z procesu spawania MSG we wspólnej strefie procesu. Wykorzystywane są tutaj zalety obu metod. Uzyskuje się niezwykle głębokie penetracje z dobrym wiązaniem bocznym. Tworzy to bardzo wąską strefę wpływu ciepła z mniejszymi zniekształceniami, a uciekająca metalowa plazma dodatkowo stabilizuje łuk MSG. Proces ten pozwala na bardzo duże prędkości spawania, co prowadzi do niższej energii na jednostkę długości. Głównym powodem wysokiej opłacalności jest zmniejszenie przygotowania spoiny. Można pominąć całe etapy pracy. Można również zmniejszyć liczbę ściegów spoiny. Łącząc oba procesy, można ustawić dużą liczbę dodatkowych parametrów, a proces można idealnie dostosować do zadania.
Spawanie laserowe w próżni
Główny artykuł: Spawanie laserowe w próżni
Spawania laserowego w próżni lub wiązki laserowej spawania w próżni (skrót lawy lub LasVak) to metoda modyfikacji spawania wiązką lasera. Łączy on technologię próżniową, która jest zwykle stosowana w spawaniu wiązką elektronów , z ustaloną technologią łączenia spawania wiązką laserową. Proces stosowany jest zwykle w zakresie ciśnień 1 – 100 hPa i charakteryzuje się bardzo wysoką jakością spoiny, a przede wszystkim brakiem porów i odprysków spawalniczych. Spoiny wykonane za pomocą spawania LaVa są podobne w konstrukcji do spoin wiązką elektronów.
Spawanie laserowe transmisyjne
Zgrzewanie transmisyjne tworzyw sztucznych odbywa się zwykle w procesie zakładkowym. Używa się do tego dwóch różnych partnerów spawalniczych. Górna jest przezroczysta dla użytej długości fali lasera. Laser prześwieca przez to prawie bez przeszkód. Ze względu na przezroczystość prawie się nie nagrzewa. Niższy partner spawalniczy musi pochłaniać promieniowanie . Na przykład może się do tego przyczynić dodatek cząstek chłonnych (około 0,3 % wagowego sadzy). Substancja ta pochłania energię, zaczyna się topić i przekazuje powstałe ciepło do górnego partnera poprzez przewodnictwo cieplne. Aby nastąpił transfer energii i kontakt materiałów, obaj partnerzy często muszą być do siebie ściśnięti, ale przynajmniej muszą idealnie do siebie pasować. Szew spawalniczy można wytworzyć przez połączenie dwóch substancji. Energię spawania należy dobrać tak, aby laser penetrował tylko około 60% obrabianego przedmiotu. Jeśli obie strony są następnie laserowane, gwarantowane jest całkowite spawanie. Należy unikać zbyt dużej mocy, ponieważ może to uszkodzić metal.
W tym celu często stosuje się wydajne lasery diodowe, które przy małej wymaganej mocy (5–150 watów) zapewniają wystarczającą do tego procesu spawania jakość wiązki .
Spawanie laserowe tworzyw sztucznych
Do zgrzewania laserowego tworzyw sztucznych można używać tylko tworzyw termoplastycznych - tylko one mogą tworzyć stopiony materiał.
Spawanie laserowe ceramiki
Naukowcom z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego udało się w 2019 roku zastosować hermetyczne spoiny laserów o ultrakrótkich impulsach między zakładami ceramicznymi – Werkstücken. Jak dotąd proces ten nie nadaje się do trwałego wstawiania elementów elektronicznych, ale daje nadzieję na zastosowanie w różnych dziedzinach zastosowań ceramiki technicznej . Procesy formowania wtryskowego były wcześniej określane jako „spawanie ceramiki”.
Zalety i wady
Główną zaletą elementów spawanych laserowo jest mniejszy, skoncentrowany wkład energii w obrabiany przedmiot w porównaniu z innymi procesami spawania. Konsekwencją jest między innymi mniejsze odkształcenie termiczne. Ten proces spawania jest zatem często stosowany do łączenia elementów w prefabrykaty (np. koło zębate i korpus synchronizatora → koło zębate ).
Często przewyższa to wadę niskiej absorpcji promieniowania podczas spawania metali przez przewodzenie ciepła.
Kolejną zaletą jest duża odległość robocza (spawanie do około 500 mm lub w trudno dostępnych miejscach) oraz swobodny wybór atmosfery otoczenia.
Szczególną cechą spawania laserowego jest możliwość wykonania wszystkich geometrii spoin (spoiny czołowe, spoiny zakładkowe lub spoiny pachwinowe). Jednak duże szerokości szczelin nie mogą być mostkowane, w takim przypadku można zastosować dodatkowe materiały. Wadą są wysokie koszty systemu.
ekwipunek
System spawania laserowego składa się zwykle z lasera, jednostki ruchu i układu optycznego do prowadzenia wiązki laserowej, na końcu którego znajduje się optyka przetwarzająca i skupiająca. System ruchu przesuwa wiązkę laserową nad obrabianym przedmiotem lub obrabiany przedmiot pod wiązką laserową. Rzadziej spotyka się projekty, w których poruszany jest zarówno przedmiot obrabiany, jak i wiązka lasera. Po zogniskowaniu wiązkę lasera można również przesuwać po obrabianym przedmiocie za pomocą skanera lustrzanego. Systemy skanerów składają się z kombinacji obrotowych luster fasetowych lub uchylnych luster odchylających (patrz galwanometr ), które mogą odbijać wiązkę laserową w różne miejsca dzięki regulowanemu kątowi lusterka. Główną zaletą jest bardzo duża możliwa prędkość pozycjonowania wiązki laserowej. Ta metoda wymaga, aby laser dostarcza wiązkę laserową bardzo wysokiej jakości wiązki, przy stosunkowo dużej mocy lasera ( laser włókien , laserowo dysk , laser płyty , CO 2 -laser o. A.). Ten rodzaj spawania laserowego jest również znany jako spawanie zdalne .
W przypadku spawania zdalnego można wyróżnić dwa różne podejścia: głowice zdalne (zwane również głowicami skanującymi) i systemy zdalne na dużą skalę. Podczas gdy systemy wielkoskalowe są instalowane na stałe i mogą przetwarzać bardzo duże obszary robocze (> 4 m²), głowice skanujące są m.in. re. Zwykle montowany na ruchomym mechanizmie (oś liniowa lub robot). Głowice skanujące mają tylko niewielką powierzchnię roboczą (zwykle <0,5 m²). Przesuwając głowicę skanującą w różne pozycje, można również uzyskać większy obszar roboczy. Jeśli ruchy pozycjonowania i spawania następują jeden po drugim, mówi się o spawaniu krok po kroku , jeśli oba ruchy odbywają się równolegle, o „spawaniu w locie”.
Najczęściej stosowanymi źródłami wiązki do spawania laserowego metali są laser Nd:YAG ( długość fali 1,06 µm) oraz laser dwutlenku węgla (długość fali ok. 10,6 µm). Ostatnio coraz częściej stosuje się również lasery diodowe , ponieważ obecnie można produkować lasery półprzewodnikowe w zakresie dużej mocy (kilka 1000 W). Ich znacznie wyższa wydajność w porównaniu z laserami Nd:YAG i dwutlenku węgla jest korzystna. Wiązka lasera Nd:YAG oraz lasera diodowego jest przepuszczalna dla włókien, tj. Innymi słowy, można go wprowadzić do optyki spawania laserowego za pomocą kabla światłowodowego lub kabla światłowodowego . Składa się ze szklanych soczewek. Z drugiej strony wiązka CO 2 może być prowadzona tylko przez powietrze i musi być kierowana do optyki obróbki przez lustra. W przypadku laserów CO 2 są to soczewki wykonane z monokrystalicznego selenku cynku lub często zwierciadło skupiające (zwykle wykonane z miedzi).
Drobnostki
Powrót Rycerzy Jedi to opowiadanie napisane przez niemieckiego pisarza podróżniczego Stephana Thiemondsa podczas profesjonalnego pobytu w Map Ta Phut . Europejski specjalista spawalniczy (DVS EWS) zainspirował się pierwszą praktyczną konfrontacją z technologią spawania laserowego. Historia, napisana w stylu magicznego realizmu , po raz pierwszy ukazała się w 2015 roku jako część jego serii książek Querweltein Unterwegs w tomie 7, Spawanie łączy . Pod tym samym tytułem książki w styczniu 2020 r. opublikowano poprawione nowe wydanie, wzbogacone o nowe historie dotyczące spawania laserowego, opublikowane przez dział mediów Niemieckiego Stowarzyszenia Spawalnictwa i Procesów Pokrewnych . Głębia tej nowoczesnej historii przemysłowej polega na odpowiedzi na pytanie, dlaczego globalny zespół serwisu laserowego DSI z Niemiec może być postrzegany jako przemysłowi rycerze Jedi XXI wieku: ponieważ są oni podobni do tych wyposażonych w miecze laserowe Star Wars Jedi, zjednoczeni ich spawarki laserowe, aby walczyć o dobrą moc.
literatura
- Ulrich Dilthey (Red.): Spawanie wiązką laserową - procesy, materiały, produkcja, testowanie. Podręcznik stowarzyszenia projektowego BMBF „Kwalifikacja procesów laserowych” w ramach koncepcji finansowania Laser 2000. DVS-Verlag, Düsseldorf 2000, ISBN 3-87155-906-7 .
Indywidualne dowody
- ↑ spawanie laserowe. technolix.net, 8 lipca 2007 roku, w archiwum z oryginałem na 15 stycznia 2008 roku ; Pobrano 8 lipca 2007 .
- ↑ Simon Olschok: Hybrydowe spawanie łukowe wiązką laserową stali w obszarze grubej blachy. W: U. Dilthey (red.): Aachener Reports Fügetechnik. Shaker Verlag, 2008, s. 20 f.
- ↑ Shaker Verlag GmbH .: Spawanie wiązką laserową w próżni Rozszerzenie granic procesu dla blach grubych . Wydanie I. Herzogenrath 2015, ISBN 978-3-8440-4032-6 .
- ↑ EH Penilla i in.: Ultraszybkie laserowe spawanie ceramiki. W: Nauka. American Association for the Advancement of Science, 23 sierpnia 2019, dostęp 14 września 2019 .
- ↑ Dirk Eidemüller: Badania materiałowe . Spawanie laserowe ceramiki. W: Golem.de. Nowości IT dla profesjonalistów. Golem Media GmbH, 10 września 2019, dostęp 14 września 2019 .
- ↑ Ulrike Rockland: Czy można spawać ceramikę? Badacze BAM na targach w Hanowerze. Komunikat prasowy BAM 4/2011. W: Informationsdienst Wissenschaft (idw). Federalny Instytut Badań i Testowania Materiałów (BAM), 1 kwietnia 2019, dostęp 14 września 2019 .
- ↑ Stephan Thiemonds: Spawanie łączy . Wydanie I. DVS Media, 2020, ISBN 978-3-96144-078-8 .