Laserteknologi

1. Laser svejseprincip

Lasersvejsning kan udføres ved hjælp af kontinuerte eller pulserede laserstråler. Lasersvejseprincippet kan opdeles i varmeledningssvejsning og lasersvejsning med dyb gennemtrængning. Effekttæthed under 10 ⁴ ~105 B/CM ² er varmelednings-svejsning, der karakteriseres ved lav indtrængning og langsom svejshastighed. Når effekttætheden er større end 10 5 ~10⁷ B/CM ² , opvarmes metaloverfladen, hvilket skaber "hulrum" og danner dyb-indtrængende svejsning, der karakteriseres ved hurtig svejshastighed og et stort forhold mellem dybde og bredde.

Princippet bag varmelednings-lasersvejsning er følgende: Laserstråling opvarmer overfladen, der skal behandles, og varmen fra overfladen diffunderer indad gennem varmeledning. Ved at styre laserparametre såsom pulsbredde, energi, top-effekt og gentagelsesfrekvens kan værkdelen smeltes og danne en bestemt smeltebad.

Lasersvejsemaskiner, der anvendes til tandhjulsvejsning og svejsning af metallurgiske tynde plader, omfatter hovedsageligt lasersvejsning med dyb indtrængning. Princippet bag lasersvejsning med dyb indtrængning vil blive beskrevet detaljeret nedenfor.

Laserdybtesvejsning bruger typisk en kontinuerlig laserstråle til at forbinde materialer. Dens metalurgiske fysik er meget lignende elektronstrålesvejsning, og energiomdannelsesmekanismen opnås gennem en "keyhole"-struktur. Under tilstrækkelig høj effekttæthed af laserstrålen fordampes materialet og danner en keyhole. Denne dampfyldte keyhole fungerer som et sort legeme og absorberer næsten al energi fra den indfaldende stråle. Ligevægtstemperaturen inde i keyhole nåer ca. 2500 °C. Varme overføres fra ydervæggen af denne højtempererede nøglehul, hvilket smelter det omkringliggende metal. Nøglehullet er fyldt med højtempereret damp, der dannes ved den kontinuerte fordampning af vægmaterialer under strålebelysning. Væggene i nøglehullet omgiver smeltet metal, og det flydende metal omgiver fast stof (i de fleste konventionelle svejseprocesser og ved laserledningssvejsning afstedes energien først på arbejdsemnets overflade og overføres derefter til indre dele). Den flydende strømning og overfladespændingen uden for nøglehullens vægge opretholder en dynamisk ligevægt med den kontinuerligt genererede damptryk inden i nøglehullet. Mens laserstrålen kontinuerligt trænger ind i nøglehullet, fortsætter materialet uden for nøglehullet med at strømme. Når laserstrålen bevæger sig, forbliver nøglehullet i en stabil strømtilstand. Med andre ord bevæger nøglehullet og det omkringliggende smeltede metal sig fremad med samme hastighed som guidestrålen. Det smeltede metal udfylder de huller, der efterlades, når nøglehullet bevæger sig væk, og stivner derefter, hvilket danner en svejsning. Alt dette sker så hurtigt, at svejsehastigheder nemt kan nå flere meter pr. minut.

2. Nøgleprocesparametre for laserdybsvejsning

Laserstyrke

Laser svejsning involverer en tærskelværdi for laserenergitæthed. Under denne tærskel er gennemtrængningsdybden lav; når tærsklen nås eller overskrides, øges gennemtrængningsdybden betydeligt. Plasma dannes kun, når laserstrålens effekttæthed på arbejdsemnet overstiger denne tærskel (der afhænger af materialet), hvilket markerer begyndelsen på stabil dybgående svejsning. Hvis laserens effekt ligger under denne tærskel, sker der kun overflademeltning på arbejdsemnet, hvilket betyder, at svejsningen foregår i en stabil varmeledningsmode. Når laserens effekttæthed ligger tæt på den kritiske betingelse for kraterdannelses (keyhole) dannelse, skifter dybgående svejsning og ledningssvejsning af, hvilket resulterer i en ustabil svejseproces med store svingninger i gennemtrængningsdybden. Ved laser-dybgående svejsning kontrollerer laserens effekt samtidigt både gennemtrængningsdybden og svejsehastigheden. Gennemtrængningsdybden i svejsen er direkte relateret til strålens effekttæthed og er en funktion af den indfaldende stråles effekt og strålens fokuspunkt. Generelt øges gennemtrængningsdybden med stigende stråleeffekt for en laserstråle med en bestemt diameter.

Bæltes fokuspunkt

Bæltestørrelsen er en af de vigtigste variable i laser-svejsning, fordi den bestemmer effekttætheden. Måling af bæltestørrelsen for højtydende lasere er imidlertid udfordrende, selvom der findes mange indirekte målemetoder.

Den diffraktionsbegrænsede bæltestørrelse for laserstrålen kan beregnes ud fra optisk diffraktionsteori. På grund af aberrationer i fokuseringslinsen er den faktiske bæltestørrelse dog større end den beregnede værdi. Den simpleste praktiske målemetode er isoterme profilometrimetoden, som indebærer at brænde et tykt stykke papir og gennembore en polypropylenplade, inden fokuspunktet og gennemtrængningshullens diameter måles. Denne metode kræver praktisk måling for at mestre laserens effekt og varigheden af strålekontakten.

Materialeabsorptionsværdi

Absorptionen af laserlys af et materiale afhænger af flere vigtige egenskaber, såsom absorberbarhed, reflektivitet, termisk ledningsevne, smeltepunkt og fordampningstemperatur, hvor absorberbarhed er den mest vigtige.

Faktorer, der påvirker et materials absorberbarhed for en laserstråle, omfatter to aspekter: For det første materialets resistivitet. Målinger af absorberbarheden for polerede overflader viser, at absorberbarheden er proportional med kvadratroden af resistiviteten, som igen varierer med temperaturen. For det andet har overfladens tilstand (eller glathed) en betydelig indflydelse på strålens absorberbarhed og påvirker dermed markant sveiseeffekten.

Udgangs-bølgelængden for en CO2-laser er typisk 10,6 μ m. Ikke-metalliske materialer såsom keramik, glas, gummi og plast har høje absorptionsrater ved stuetemperatur, mens metalliske materialer absorberer dårligt ved stuetemperatur, og absorptionen stiger kun kraftigt, når materialet smelter eller endda fordampes. Overfladebelægninger eller oxidfilm er effektive metoder til at forbedre materialets absorption af laserstrålen.

Svejsehastighed

Svejsehastigheden påvirker betydeligt svejsedybden. Øget hastighed resulterer i en mindre dyb svejsning, mens for lave hastigheder fører til over-smeltning og gennembrænding. Der findes derfor for et bestemt materiale med en given laserstyrke og tykkelse et passende interval af svejsehastigheder, inden for hvilket den maksimale svejsedybde kan opnås. Figur 10-2 viser sammenhængen mellem svejsehastighed og svejsedybde for ståltype 1018.

Beskyttende gas

Inerte gasser bruges almindeligt til at beskytte smeltedammen under laser svejsning. Selvom overfladeoxidering muligvis ikke er et problem for bestemte materialer, bruges helium, argon og kvælstof almindeligt i de fleste anvendelser for at forhindre oxidering af arbejdsemnet under svejsningen.

Helium ioniseres dårligt (men har en høj ioniseringsenergi), hvilket tillader laserstrålen at passere uhindret og nå arbejdsemnets overflade uden forstyrrelse. Dette er den mest effektive beskyttelsesgas, der anvendes ved laser svejsning, men den er relativt dyr.

Argon er billigere og har en højere densitet, hvilket giver god beskyttelse. Det ioniseres dog let af metalplasma ved høj temperatur, hvilket blokerer en del af strålen for at nå arbejdsemnet, reducerer den effektive laserstyrke og påvirker svejshastigheden og -trængningsdybden negativt. Svejsninger, der er beskyttet med argon, har glattere overflader end dem, der er beskyttet med helium.

Nitrogen er den billigste beskyttelsesgas, men er ikke egnet til svejsning af visse typer rustfrit stål, primært på grund af metallurgiske problemer såsom absorption, hvilket nogle gange kan give porøsitet i forbindelsesområdet.

En anden funktion af beskyttelsesgasser er at beskytte fokuseringslinsen mod forurening fra metaldamp og sputtering af smeltedråber. Dette er især vigtigt ved højeffekt-lasersvejsning, hvor det udslynede materiale bliver meget kraftfuldt.

En tredje funktion af beskyttelsesgasser er deres effektivitet ved at spredte plasmaet, der dannes ved svejsning med høj-effekt-laser. Metal-damp absorberer laserstrålen og ioniseres til en plasmasky. Den beskyttende gas, der omgiver metal-dampen, ioniseres også som følge af opvarmningen. Hvis der er for meget plasma, bliver laserstrålen delvist absorberet af plasmaet. Plasma eksisterer som en sekundær energikilde på arbejdsfladen, hvilket resulterer i en mindre dyb svejseindtrængning og en bredere svejsebad. Elektronernes rekombinationshastighed øges ved at øge kollisionerne mellem elektroner, ioner og neutrale atomer, hvilket dermed reducerer elektrontætheden i plasmaet. Jo lettere de neutrale atomer er, jo højere er kollisionsfrekvensen og rekombinationshastigheden; på den anden side kan kun en beskyttelsesgas med høj ioniseringsenergi forhindre en stigning i elektrontætheden som følge af ionisering af gassen selv.

Størrelsen på plasmaclouden varierer afhængigt af den beskyttende gas, hvor helium har den mindste størrelse, efterfulgt af kvælstof, og argon har den største. En større plasmacloud resulterer i en mere overfladisk svejseindtrængen. Denne forskel skyldes primært de forskellige grader af ionisering af gasmolekylerne samt forskellene i metaldampdiffusion forårsaget af de forskellige densiteter af de beskyttende gasser.

Helium har den laveste ioniseringsenergi og densitet, hvilket gør det muligt for helium at forskyde stigende metaldamp fra smeltedammen hurtigt. Derfor undertrykker brug af helium som beskyttende gas plasmaet maksimalt, hvilket øger svejseindtrængen og svejsehastigheden; dets lette vægt gør det også muligt for det at undslippe nemt, hvilket reducerer risikoen for porøsitet. Ifølge vores faktiske svejseresultater har argonbeskyttelse dog vist sig at være ret effektiv.

Indvirkningen af plasmaclouden på svejsepenetreringen er mest udtalt ved lave svejsehastigheder. Effekten aftager, når svejsehastigheden øges.

Beskyttelsesgassen blæses ud med et bestemt tryk gennem en dyse og når arbejdsoverfladen. Den hydrodynamiske form af dysen og udløbsåbnings diameteren er afgørende. Beskyttelsesgassen skal være tilstrækkelig stor til at dække svejseoverfladen, men dysens størrelse skal begrænses for effektivt at beskytte linserne og forhindre forurening fra metaldamp eller skade på grund af metalsprøjt. Strømningshastigheden skal også kontrolleres; ellers vil den laminære strømning af beskyttelsesgassen blive turbulent, atmosfærisk luft vil blive trukket ind i smeltedammen, og porøsitet vil endeligt dannes.

For at forbedre afskærmningseffekten kan der anvendes en ekstra laterel blæsningsmetode, hvor afskærmningsgassen tilføres direkte i pindhullet i svejsningen med dybtrængning gennem en mundstykke med mindre diameter i en bestemt vinkel. Afskærmningsgassen undertrykker ikke kun plasma skyen på arbejdsemnets overflade, men påvirker også plasmaet inden i pindhullet samt pindhullets dannelse, hvilket yderligere øger trængedybden og opnår en svejsning med et ideelt forhold mellem dybde og bredde. Denne metode kræver dog præcis kontrol af gasstrømmens hastighed og retning; ellers kan der let opstå turbulens, hvilket beskadiger smeltedammen og gør svejseprocessen ustabil.

Linsens brændvidde

Under svejsning fokuseres laseren typisk, normalt ved hjælp af linser med brændvidder på 63–254 mm (2,5 ”~10”størrelsen på den fokuserede plet er direkte proportional med brændvidden; jo kortere brændvidden er, jo mindre er pletten. Brændvidden påvirker dog også fokussens dybde, hvilket betyder, at fokussens dybde stiger proportionalt med brændvidden. En kortere brændvidde kan derfor øge effekttætheden, men på grund af den begrænsede fokussens dybde skal afstanden mellem linserne og arbejdsemnet holdes præcist, og gennemtrængningsdybden er også begrænset. På grund af sprøjt og lasermodus, der opstår under svejsning, er den korteste brændvidde, der faktisk anvendes ved svejsning, ofte 126 mm (5″). ”når forbindelsen er stor eller når svejsstumpens størrelse skal øges ved at forøge pletstørrelsen, kan en linse med en brændvidde på 254 mm (10″) vælges. ”i dette tilfælde kræves en højere laserudgangseffekt (effekttæthed) for at opnå den dybe gennemtrængende nøglehul-effekt.

Når laserens effekt overstiger 2 kW, især for 10,6 μ cO₂-laserstråler med bølgelængden m, på grund af brugen af specielle optiske materialer i det optiske system, anvender ofte refleksionsfokusering for at undgå optisk skade på fokuseringslinsen. Polerede kobber-spejle anvendes typisk som reflektorer. På grund af deres effektive kølingsegenskaber anbefales de ofte til fokusering af højtydende laserstråler.

Fokuspunkt

Under svejsning er fokuspunktets placering afgørende for at opretholde tilstrækkelig effekttæthed. Ændringer i den relative placering af fokuspunktet i forhold til arbejdsemnets overflade påvirker direkte svejsens bredde og dybde. Figur 2-6 viser virkningen af fokuspunktets placering på gennemtrængningsdybden og svejsbredden for ståltype 1018.

I de fleste laser-svejsningsanvendelser placeres fokuspunktet typisk ca. en fjerdedel af vejen under arbejdsemnets overflade for at opnå den ønskede gennemtrængningsdybde.

Laserstråleplacering

Ved lasersvejsning af forskellige materialer kontrollerer positionen af laserstrålen den endelige svejsekvalitet, især ved stødsvejsninger, hvor den er mere følsom end ved overlappende svejsninger. For eksempel vil korrekt kontrol af laserstrålens position ved svejsning af et hærdet stålgear til en lavkulstofstål-tromle resultere i en svejsning, der primært består af lavkulstofkomponenter, hvilket giver bedre revnbestandighed. I nogle anvendelser kræver geometrien af det arbejdsskærv, der skal svejses, at laserstrålen afbøjes i en vinkel. Når afbøjningsvinklen mellem stråleaksen og svejseplanen er inden for 100 grader, påvirkes arbejdsskærvets absorption af laserenergi ikke.

Styring af laserstyrkeforøgelse og -formindskelse ved svejsestart og -afslutning

Under laserdybtesvejsning eksisterer pinhole-fænomenet altid, uanset svejse dybden. Når svejseprocessen afsluttes og strømstikket slukkes, opstår der en fordybning ved svejsens ende. Desuden kan der ved dækning af den oprindelige svejs med laget af lasersvejsning ske en overdreven absorption af laserstrålen, hvilket kan føre til overophedning eller porøsitet i svejsestykket.

For at forhindre disse fænomener kan start- og slutpunkterne for effekten programmeres, så start- og sluttiderne for effekten er justerbare. Det vil sige, at starteffekten elektronisk øges fra nul til den indstillede effektværdi inden for kort tid, og svejsetiden justeres. Endelig reduceres effekten gradvist fra den indstillede værdi til nul ved svejsens afslutning.

3. Egenskaber, fordele og ulemper ved laserdybtesvejsning

Egenskaber ved laserdybtesvejsning

1) Høj højde-bredde-forhold. 1) **Dyb og smal svejsning:** Da smeltet metal dannes omkring den cylindriske, højtempererede dampkavitet og udvider sig mod arbejdsemnet, bliver svejsningen dyb og smal.

2) **Minimal varmetilførsel:** På grund af den ekstremt høje temperatur inden i åbningen foregår smelteprocessen meget hurtigt, hvilket resulterer i en meget lav varmetilførsel til arbejdsemnet og dermed minimal varmedeformation samt et lille varmeindvirket område.

3) **Høj densitet:** Åbningen, der er fyldt med højtempereret damp, fremmer omrøring af svejsebadet og udgang af gas, hvilket fører til en porøsitetssfri, fuldt gennemsvejset forbindelse. Den høje afkølingshastighed efter svejsning forbedrer yderligere svejsestrukturernes mikrostruktur.

4) **Stærk svejsning:** Den intense varmekilde og den fuldstændige absorption af ikke-metalliske komponenter reducerer indholdet af urenheder og ændrer størrelsen og fordelingen af inklusioner i svejsebadet. Svejseprocessen kræver ingen elektroder eller tilførselswire, hvilket resulterer i mindre forurening i det smeltede område og gør svejsestyrken og -toughness mindst lige så stor som – eller endda større end – grundmaterialets.

5) **Præcis kontrol:** Fordi den fokuserede plet er meget lille, kan svejsningen præcist placeres. Laserens output har ingen "inertie", hvilket gør hurtige stop og genstart ved høje hastigheder mulige. CNC-strålebevægelsesteknologi gør det muligt at svejse komplekse arbejdsemner. 6) Kontaktløs svejseproces i atmosfærisk luft. Da energien stammer fra en fotonstråle, er der ingen fysisk kontakt med arbejdsemnet, så der påvirkes arbejdsemnet ikke med nogen ekstern kraft. Desuden har magnetisme og luft ingen indflydelse på laseren.

Fordele ved laser-svejsning med dybtrængning

1) På grund af den langt højere effekttæthed fra fokuserede laserstråler sammenlignet med konventionelle metoder er svejshastigheden hurtig, den varmeindvirkede zone og deformationen er små, og det kan svejse svært svejselige materialer såsom titan.

2) Da strålen er nem at overføre og styre, og der ikke er behov for hyppig udskiftning af svejsebrændere og dyser samt ingen vakuumkrav som ved elektronstrålesvejsning, reduceres standstiden betydeligt, hvilket resulterer i en høj belastningsfaktor og produktionseffektivitet.

3) På grund af renseeffekten og den høje afkølingshastighed har svejsningen høj styrke, holdbarhed og samlet ydeevne.

4) På grund af den lave gennemsnitlige varmetilførsel er bearbejdningens nøjagtighed høj, hvilket reducerer omkostningerne til genbearbejdning; desuden er driftsomkostningerne ved lasersvejsning også lavere, hvilket dermed reducerer omkostningerne til bearbejdning af arbejdsemner.

5) Strålintensiteten og præcis positionering kan effektivt styres, hvilket gør automatiseret drift nem.

Ulemper ved lasersvejsning med dybtrængning

1) Begrænset svejse-dybde.

2) Høje krav til montering af arbejdsemner.

3) Høj startinvestering i lasersystemer.