Laseritekniikka

1. Laserhitsaustekniikan periaate

Laserhitsaus voidaan suorittaa jatkuvalla tai pulssillaisella laser­säteellä. Laserhitsaustekniikan periaate jaetaan lämmönjohtohitsaukseen ja laserin syväpukeutumishitsaukseen. Tehotiheys alle 10 ⁴ ~10⁵ W/CM ² on lämmönjohtumisella perustuva hitsaus, joka tunnetaan pintasyvyyden vähäisyydestä ja hitaasta hitsausnopeudesta. Kun tehotiukkuus on suurempi kuin 10 ⁵ ~10⁷ W/CM ² , metallipinnan lämpenemisestä muodostuu "ontelot", joista syntyy syväpukeutuva hitsaus, joka tunnetaan nopeasta hitsausnopeudesta ja suuresta syvyys-leveys-suhteesta.

Lämmönjohtumisella perustuvan laserhitsauksen periaate on seuraava: laser säteilee käsittelyä varten tarkoitettua pintaa, ja pinnan lämpö leviää sisäänpäin lämmönjohtumisen kautta. Työkappale sulaa ja muodostaa tietyn sulamisaltaan ohjaamalla laserparametrejä, kuten laserpulssin leveyttä, energiaa, huipputehoa ja toistotaajuutta.

Hammaspyörähitsaukseen ja metallurgiseen ohutlevyhitsaukseen käytetyt laserhitsauskoneet liittyvät pääasiassa laserin syväpukeutuvaan hitsaukseen. Laserin syväpukeutuvan hitsauksen periaatetta käsitellään yksityiskohtaisemmin alla.

Laserin syväpenetraatiokytkentä käyttää tyypillisesti jatkuvaa laser­säde­pistettä materiaalien yhdistämiseen. Sen metallurginen fysiikka on hyvin samankaltainen kuin elektronisädekytkennän, ja energian muuntomekanismi saavutetaan "avainreikä"-rakenteen avulla. Riittävän korkean tehotiukkuuden laser­säteilyn vaikutuksesta materiaali höyrystyy ja muodostaa avainreikan. Tämä höyryllä täytetty avainreikä toimii kuin musta kappale ja absorboi lähes kaiken saapuvan säteen energian. Avainreikan sisällä vallitseva tasapainolämpötila saavuttaa noin 2500 °C. Lämpö siirtyy tämän korkean lämpötilan avoimen reiän ulkoseinästä, sulattaen sen ympärillä olevaa metallia. Avoin reikä on täytetty korkean lämpötilan höyryllä, joka syntyy jatkuvasti säteen aiheuttaman seinämämateriaalin haihtumisen seurauksena. Avonaisen reiän seinämät ympäröivät sulanutta metallia, ja sulametalli ympäröi kiinteää materiaalia (useimmissa perinteisissä hitsausprosesseissa ja laserjohtohitsauksessa energia siirretään ensin työkappaleen pinnalle ja sitten sisäosiin). Nestemäisen metallin virtaus ja pinnanjännitys avoimen reiän ulkopuolella pitävät dynaamisen tasapainon jatkuvasti syntyvän höyrynpaineen kanssa avoimen reiän sisällä. Kun lasersäde jatkaa jatkuvasti eteenpäin avoimeen reikään, materiaali avoimen reiän ulkopuolella jatkaa virtaamista. Kun lasersäde liikkuu, avoin reikä pysyy stabiilissa virtaus tilassa. Toisin sanoen avoin reikä ja sen ympärillä oleva sulametalli etenevät samalla nopeudella kuin ohjaussäde. Sulametalli täyttää avoimen reiän siirtyessä pois jättämänsä aukot ja kovettuu sitten, mikä muodostaa hitsin. Kaikki tämä tapahtuu niin nopeasti, että hitsausnopeus voi helposti saavuttaa useita metrejä minuutissa.

2. Laserin syväpenetraatiokytkentäprosessin avainparametrit

Laserteho

Laserhitsausta varten on olemassa laserenergiatiukkuuden kynnysarvo. Tätä kynnystä alhaisemmillä arvoilla läpimurto on pintasyvää; kun kynnys saavutetaan tai ylitetään, läpimurto syvenee merkittävästi. Plasma syntyy vain silloin, kun laserin tehotiukkuus työkappaleella ylittää tämän kynnysarvon (materiaalista riippuen), mikä merkitsee vakaaan syvään läpimurtoon perustuvan hitsauksen aloitusta. Jos laserin teho on tätä kynnystä alhaisempi, työkappaleen pinnalla tapahtuu ainoastaan pinnallisesti sulaminen, mikä tarkoittaa, että hitsaus etenee vakavana lämmönjohtumismuotona. Kun laserin tehotiukkuus on lähellä avautuvan kourun muodostumisen kriittistä ehtoa, syvä läpimurto - ja lämmönjohtumishitsaus vaihtelevat toisiaan, mikä johtaa epävakaaseen hitsausprosessiin ja suuriin vaihteluihin läpimurton syvyydessä. Laserilla tehdyn syvän läpimurtohitsauksen yhteydessä laserin teho ohjaa samanaikaisesti sekä läpimurton syvyyttä että hitsausnopeutta. Hitsausläpimurto on suoraan verrannollinen säteen tehotiukkuuteen ja riippuu saapuvan säteen tehosta sekä säteen polttopisteestä. Yleisesti ottaen tiettyä halkaisijaa olevalla lasersäteellä läpimurto syvenee säteen tehon kasvaessa.

Säteen keskittymäpiste

Säteen pistekoko on yksi tärkeimmistä muuttujista lasersulatuksessa, koska se määrittää tehotiukkuuden. Korkeatehoisten laserien pistekoon mittaaminen on kuitenkin haastavaa, vaikka epäsuoria mittausmenetelmiä olisikin useita.

Laser­säteen diffraktiorajoitettu pistekoko voidaan laskea optisen diffraktio­teorian perusteella. Kuitenkin keskittävän linssin aberraatioiden vuoksi todellinen pistekoko on suurempi kuin laskettu arvo. Yksinkertaisin käytännöllinen mittausmenetelmä on isoterminen profiilimittaus, jossa hiiltetään paksu paperilevy ja läpäistään polypropeenilevy ennen keskittymäpisteen ja läpäisyn halkaisijan mittaamista. Tämä menetelmä vaatii käytännön mittauksia, jotta hallitaan laser­teho ja säteen kosketus­aika.

Materiaalin absorptioarvo

Laservalon absorboituminen materiaaliin riippuu useista tärkeistä ominaisuuksista, kuten absorptiivisuudesta, heijastavuudesta, lämmönjohtavuudesta, sulamispisteestä ja höyrystymispisteestä, joista absorptiivisuus on tärkein.

Tekijät, jotka vaikuttavat materiaalin absorptiivisuuteen laser­säteessä, voidaan jakaa kaikkiin näkökohtiin: Ensinnäkin materiaalin resistanssi. Kiillotettujen pintojen absorptiivisuuden mittaukset osoittavat, että absorptiivisuus on verrannollinen resistanssin neliöjuureen, joka puolestaan vaihtelee lämpötilan mukaan. Toiseksi materiaalin pinnan kunto (tai sileys) vaikuttaa merkittävästi säteen absorptiivisuuteen ja siten myös hitsaustulokseen.

CO2-laserin lähtöaalto­pituus on yleensä 10,6 μ m. Epämetalliset materiaalit, kuten keraamit, lasi, kumi ja muovit, absorboivat lämpöä huoneenlämmössä tehokkaasti, kun taas metallimateriaalit absorboivat sitä huoneenlämmössä heikosti; absorptio kasvaa merkittävästi vasta kun materiaali sulaa tai jopa höyrystyy. Pintakäsittelyt tai oksidikalvot ovat tehokkaita keinoja parantaa materiaalin laser­säteen absorptiota.

Hitsausnopeus

Hitsausnopeus vaikuttaa merkittävästi hitsauspenetraatioon. Nopeuden lisääminen johtaa pinnallisempaan penetroitumiseen, kun taas liian alhainen nopeus aiheuttaa ylisulamista ja läpilämmön. Siksi tietylle materiaalille annetulla laser­teholla ja paksuudella on olemassa sopiva hitsausnopeusalue, jossa voidaan saavuttaa suurin mahdollinen penetroituminen. Kuva 10-2 esittää hitsausnopeuden ja penetroitumisen välistä suhdetta 1018-teräkselle.

Suojakaasu

Inerttikaasuja käytetään yleisesti sulan kylvyn suojaamiseen laserhitsauksessa. Vaikka pinnan hapettuminen ei välttämättä ole ongelma tietyille materiaaleille, heliumia, argonia ja typpeä käytetään yleisesti useimmissa sovelluksissa työkappaleen hapettumisen estämiseksi hitsauksen aikana.

Helium ionisoituu huonosti (mutta sen ionisaatioenergia on korkea), mikä mahdollistaa laser­säteen sujuvan kulun läpi ilman esteitä työkappaleen pinnalle. Tämä on tehokkain suojauskaasu, jota käytetään laserhitsauksessa, mutta se on suhteellisen kallista.

Argon on edullisempi ja tiukempi, mikä tarjoaa hyvän suojauksen. Se ionisoituu kuitenkin helposti korkealämpöisessä metalliplasmassa, mikä suojaa osan säteestä työkappaleelta, vähentää tehollista laser­tehoa ja heikentää hitsausnopeutta ja tunkeutumista. Argonilla suojatut hitsausnaumat ovat sileämpiä kuin heliumilla suojatut.

Typpi on halvin suojakaasu, mutta sitä ei voida käyttää tietyntyyppisten ruostumattomien terästen hitsaamiseen, pääasiassa metallurgisista syistä, kuten absorptiosta, joka voi joskus aiheuttaa huokoisuutta liitoksen alueelle.

Suojakaasujen toinen tehtävä on suojata polttimen linssi metallihöyryn saastumiselta ja sulan pisaran särkymiseltä. Tämä on erityisen tärkeää korkeatehoisessa laserhitsauksessa, jossa sinkoutuva materiaali muodostaa erittäin voimakkaan virtauksen.

Kolmas suojauskaasujen tehtävä on niiden tehokkuus korkean tehon laserhitsausta varten syntyvän plasma hajottamisessa. Metallihöyry absorboi laser­säteen ja ionisoituu plasma pilveksi. Myös metallihöyryn ympärillä oleva suojakaasu ionisoituu lämmön vaikutuksesta. Jos plasman määrä on liian suuri, laser­säde kuluu osittain plasmaan. Plasma toimii toissijaisena energialähteenä työpinnalla, mikä johtaa ohuempaan hitsauspenetraatioon ja laajempaan hitsauskuplaan. Elektronien uudelleenyhdistymisnopeutta lisätään elektronien, ionien ja neutraalien atomien välisten törmäysten lisäämisellä, mikä vähentää elektronitiukkuutta plasmassa. Mitä kevyempiä neutraalit atomit ovat, sitä korkeampi on törmäystaajuus ja uudelleenyhdistymisnopeus; toisaalta vain korkean ionisaatioenergian omaava suojakaasu voi estää elektronitiukkuuden kasvua kaasun omasta ionisaatiosta johtuen.

Plasma-avaruuden koko vaihtelee käytetyn suojakaasun mukaan: heliumilla on pienin koko, sen jälkeen tulee typpi ja argonilla on suurin koko. Suurempi plasma-avaruus johtaa pintasyvempään hitsauspenetraatioon. Tämä ero johtuu pääasiassa kaasumolekyylien erilaisesta ionisaatioasteesta sekä eri tiukkuudeltaan olevien suojakaasujen aiheuttamasta metallihöyryn diffuusiosta.

Heliumilla on alhaisin ionisaatioenergia ja pienin tiukkuus, mikä mahdollistaa metallihöyryn nopean poistamisen sulan metallin alta. Siksi heliumin käyttö suojakaasuna supistaa plasmaa mahdollisimman paljon, mikä lisää hitsauspenetraatiota ja hitsausnopeutta; sen kevyt massa mahdollistaa myös sen helpon poistumisen, mikä vähentää huokosuuden todennäköisyyttä. Kuitenkin omien käytännön hitsaustulosten perusteella argonin käyttö suojakaasuna on osoittautunut erinomaisen tehokkaaksi.

Plasma-avaruuden vaikutus hitsauspenetraatioon on voimakkaimmillaan alhaisilla hitsausnopeuksilla. Sen vaikutus heikkenee, kun hitsausnopeutta lisätään.

Suojakaasu purkautuu tietyllä paineella suutimesta ja saavuttaa työkappaleen pinnan. Suutimen hydrodynaaminen muoto ja ulostulon halkaisija ovat ratkaisevan tärkeitä. Suojakaasun määrän on oltava riittävä kattamaan hitsauspinta, mutta suutimen koon on oltava rajoitettu, jotta linssi voidaan suojata tehokkaasti ja estää metallihöyryn kontaminaatio tai metallisuihkujen aiheuttama vahinko. Virtausnopeus on myös säädettävä; muuten suojakaasun laminaarinen virtaus muuttuu turbulentiksi, ilman sekoittuminen pääsee sulamisaltaaseen ja lopulta muodostuu huokosia.

Suojauksen tehostamiseksi voidaan käyttää lisäksi sivusuuntaista puhallusmenetelmää, jossa suojakaasu injektoidaan suoraan syväpenevän hitsausliitoksen reikään pienemän halkaisijan suuttimen kautta tietyssä kulmassa. Suojakaasu ei ainoastaan tukahduta plasmapilveä työkappaleen pinnalla, vaan vaikuttaa myös reiän sisällä olevaan plasmaan ja reiän muodostumiseen, mikä lisää edelleen penevyyssyvyyttä ja mahdollistaa hitsin saavuttamisen idealisella syvyys-leveys-suhteella. Tämä menetelmä vaatii kuitenkin tarkkaa kaasuvirtauksen nopeuden ja suunnan säätöä; muuten turbulenssi voi helposti syntyä, mikä vahingoittaa sulamakuppia ja tekee hitsausta epävakaaksi.

Linssin polttoväli

Hitsauksen aikana laser keskitetään yleensä linssien avulla, joiden polttoväli on tavallisesti 63–254 mm (2,5 ”~10”keskittämispaikan koko on suoraan verrannollinen polttoväliin; mitä lyhyempi polttoväli, sitä pienempi paikka. Polttoväli vaikuttaa kuitenkin myös keskittämisalueen syvyyteen, mikä tarkoittaa, että keskittämisalueen syvyys kasvaa suhteessa polttoväliin. Siksi lyhyempi polttoväli voi lisätä tehotiukkuutta, mutta koska keskittämisalueen syvyys on tällöin pieni, linssin ja työkappaleen välinen etäisyys on pidettävä tarkasti vakiona, ja läpäisy syvyyttäkin rajoitetaan. Hitsauksen aikana syntyvän sulkupirttien ja laserin tilan vaikutuksesta käytännössä käytetty lyhin polttoväli on usein 126 mm (5″). ”kun liitos on suuri tai kun hitsauskoon halutaan lisätä laajentamalla keskittämispaikan kokoa, voidaan valita linssi, jonka polttoväli on 254 mm (10″). ”tässä tapauksessa syvään läpäisevän avainreikävaikutuksen saavuttamiseksi vaaditaan korkeampi laserlähtöteho (tehotiukkuus).

Kun laseriteho ylittää 2 kW, erityisesti 10,6 μ cO₂-laser­säteet, jotka ovat aallonpituudeltaan 10,6 µm, käyttävät optisessa järjestelmässä erityisiä optisia materiaaleja, joten heijastuksella tapahtuva keskittäminen on yleensä suositeltavaa keskittävässä linssissä aiheutuvan optisen vaurion välttämiseksi. Kiillotettuja kuparipeilinä käytetään tyypillisesti heijastimina. Niiden tehokkaiden jäähdytysominaisuuksien vuoksi niitä suositellaan usein korkeatehoisten laser­säteiden keskittämiseen.

Kohdistuspaikka

Hitsauksen aikana keskityksen sijainti on ratkaisevan tärkeä riittävän tehotiukkuuden saavuttamiseksi. Keskitteen ja työkappaleen pinnan välisten suhteellisten sijaintimuutosten vaikutus näkyy suoraan hitsauslevitteessä ja -syvyydessä. Kuva 2–6 esittää keskityksen sijainnin vaikutusta 1018-teräksen läpäisy­syvyyteen ja hitsauslevitteeseen.

Useimmissa laser­hitsaussovelluksissa keskitys sijoitetaan tyypillisesti noin neljäsosa työkappaleen pinnan alapuolelle halutun läpäisy­syvyyden saavuttamiseksi.

Laser­säteen sijainti

Kun eri materiaaleja hitsataan laserilla, laser­säteen sijainti ohjaa lopullista hitsaustulosta, erityisesti pääty­liitoksissa, joissa se on herkempi kuin päällekkäis­liitoksissa. Esimerkiksi kovettuneen teräs­pyörän ja hiilipitoisuudeltaan alhaisen teräs­rumpun hitsaamisessa oikea laser­säteen sijainnin säätö johtaa hitsaukseen, joka koostuu pääosin hiilipitoisuudeltaan alhaisista komponenteista ja jolla on parempi halkeamien kestävyys. Joissakin sovelluksissa hitsattavan työkappaleen geometria vaatii, että laser­säde ohjataan kulmassa. Kun säteen akselin ja liitos­tason välinen poikkeamakulma on alle 100 astetta, työkappaleen laser­energian absorptio ei muutu.

Laser­tehon lisääminen ja vähentäminen hitsauksen alku- ja loppupisteissä

Laserilla tehdessä syväpukeutuvaa hitsausta, riippumatta hitsauskohdan syvyydestä, reikäilmiö esiintyy aina. Kun hitsausprosessi päättyy ja virtakytkin kytketään pois päältä, hitsauksen päätyyn muodostuu kuoppa. Lisäksi, kun laserhitsauskerros peittää alkuperäisen hitsauksen, laser­säteen liiallinen absorboituminen voi aiheuttaa hitsauskappaleen ylikuumenemista tai huokosuutta.

Näiden ilmiöiden estämiseksi tehoon liittyvät käynnistys- ja lopetuspisteet voidaan ohjelmoida siten, että tehon käynnistys- ja lopetusaika ovat säädettävissä. Toisin sanoen lähtöteho nostetaan sähköisesti nollasta asetettuun tehoarvoon lyhyessä ajassa, ja hitsausaikaa säädellään. Lopuksi hitsauksen päätyessä teho vähennetään asteikollisesti asetetusta arvosta nollaan.

3. Laserilla tehdyn syväpukeutuvan hitsauksen ominaisuudet, edut ja haitat

Laserilla tehdyn syväpukeutuvan hitsauksen ominaisuudet

1) Korkea korkeus-leveys-suhde. 1) **Syvä ja kapea hitsaus:** Koska sulan metallin muodostuminen tapahtuu ympärillä sylinterimäisen korkealämpöisen höyrykaviteetin ja se etenee kohti työkappaletta, hitsaus tulee syväksi ja kapeaksi.

2) **Mahdollisimman pieni lämmöntulo:** Korkean lämpötilan vuoksi aukossa sulaminen tapahtuu erinomaisen nopeasti, mikä johtaa hyvin pieneen lämmöntuloon työkappaleeseen, jolloin lämpömuodonmuutokset ja lämpövaikutusalue minimoituvat.

3) **Korkea tiukkuus:** Korkealämpöinen höyry täyttää aukon ja edistää hitsauskuplan sekoittumista sekä kaasun poistumista, mikä johtaa ilmakuplia sisältämättömään ja täysin läpikuultavaan hitsaukseen. Hitsauksen jälkeinen korkea jäähdytysnopeus tehostaa lisäksi hitsausrakenteen mikrorakennetta.

4) **Vahva hitsaus:** Voimakas lämmönlähde ja ei-metallisten komponenttien täydellinen absorboituminen vähentävät epäpuhtauksien määrää ja muuttavat sulamisaltaan sisältävien epäpuhtauksien kokoa ja jakautumista. Hitsaustekniikka ei vaadi elektrodeja tai täyttölangan käyttöä, mikä johtaa vähäisempään saastumiseen sulamisalueella, jolloin hitsin lujuus ja sitkeys ovat vähintään yhtä suuria kuin perusmateriaalin tai jopa suurempia.

5) **Tarkka säätö:** Koska keskitetty valopiste on erinomaisen pieni, hitsaus voidaan sijoittaa tarkasti. Laserin lähtöteholla ei ole "hitautta", mikä mahdollistaa nopeat pysähtymiset ja uudelleenkäynnistykset korkeilla nopeuksilla. CNC-säteen liikutusteknologia mahdollistaa monimutkaisten työkappaleiden hitsaamisen. 6) Kontaktiton ilmakehän alla tapahtuva hitsausprosessi. Koska energia tulee fotonisäteestä, työkappaleeseen ei kohdistu fyysistä kontaktia, eikä työkappaleeseen kohdistu ulkoisia voimia. Lisäksi magneettikenttä ja ilmanpaine eivät vaikuta laseriin.

Laserin syvähitsauksen edut

1) Koska kohdistettujen laserien tehontiheys on paljon suurempi kuin perinteisten menetelmien, hitsausnopeus on nopea, lämpövaikutettu alue ja muodonmuutos ovat pieniä, ja sitä voidaan käyttää vaikeasti hitsattavien materiaalien, kuten titaanin, hitsaamiseen.

2) Koska säde on helppoa siirtää ja ohjata, ei tarvita usein vaihtaa hitsauspolttimeja ja suuttimia, eikä elektronisädehitsauksessa tarvita tyhjiötä, käytöstä poissa oloa vähennetään merkittävästi, mikä johtaa korkeaan kuormitustekijään ja tuotantotehokkuuteen.

3) Puhdistusvaikutuksen ja korkean jäähtymisnopeuden ansiosta hitsausliitos on lujuudeltaan ja sitkeydeltään korkea sekä yleisesti ottaen hyvälaatuinen.

4) Koska keskimääräinen lämpötehonsyöttö on alhainen, prosessointitarkkuus on korkea, mikä vähentää uudelleenprosessointikustannuksia; lisäksi laserhitsauksen käyttökustannukset ovat myös alhaisemmat, mikä vähentää työkappaleiden käsittelykustannuksia.

5) Säteen intensiteettiä ja tarkan sijainnin määrittämistä voidaan tehokkaasti säädellä, mikä tekee automatisoidun toiminnan helpoksi.

Laserin syväpuoluisen hitsauksen haitat

1) Rajallinen hitsaussyvyys.

2) Korkeat vaatimukset työkappaleiden kokoonpanolle.

3) Korkea alkuinvestointi laserjärjestelmiin.