Lázertechnológia

1. A lézerhegesztés elve

A lézerhegesztés folyamatos vagy impulzusos lézersugarak segítségével érhető el. A lézerhegesztés elve két típusra osztható: hővezetéses hegesztés és lézeres mélyhatású hegesztés. A teljesítménysűrűség 10 ⁴ ~10⁵ Sz/CM ² a hővezetéses hegesztés, amely sekély behatolást és lassú hegesztési sebességet jellemz. Amikor a teljesítménysűrűség nagyobb, mint 10 ⁵ ~10⁷ Sz/CM ² , a fémfelület felmelegszik, „üregek” keletkeznek, és mélybehatolásos hegesztés alakul ki, amely gyors hegesztési sebességgel és nagy mélység-szélesség aránnyal jellemezhető.

A hővezetéses lézerhegesztés elve a következő: a lézersugár sugárzása melegíti a feldolgozandó felületet, és a felületi hő a hővezetés útján terjed befelé. A lézerimpulzus szélességének, energiájának, csúcsteljesítményének és ismétlési frekvenciájának szabályozásával a munkadarab olvad, és egy meghatározott olvadékfolyadék-képződik.

A fogaskerék-hegesztéshez és a fémes vékonylemez-hegesztéshez használt lézerhegesztő gépek főként a lézeres mélybehatolásos hegesztést alkalmazzák. Az alábbiakban részletesen ismertetjük a lézeres mélybehatolásos hegesztés elvét.

A lézeres mélyhatású hegesztés általában folyamatos lézersugarat használ az anyagok összekötésére. A fémkohászati fizikai jelenségek nagyon hasonlóak az elektronnsugárral történő hegesztéshez, ahol az energiaváltás mechanizmusát egy „kulcslyuk” szerkezet biztosítja. Elegendően magas teljesítménysűrűségű lézersugárzás hatására az anyag elpárolog, és kulcslyuk jön létre. Ez a gőzzel töltött kulcslyuk úgy viselkedik, mint egy fekete test, és majdnem az egész beeső sugár energiáját elnyeli. A kulcslyuk belsejében uralkodó egyensúlyi hőmérséklet körülbelül 2500 °C °C. A hőt a magas hőmérsékletű kulcslyuk külső faláról vezetik át, amely így megolvadja a körülötte lévő fém anyagot. A kulcslyukat a sugár irányított hatására folyamatosan elpárolgó falanyag által keletkező magas hőmérsékletű gőz tölti ki. A kulcslyuk falai olvadt fémmel vannak körülvéve, és az olvadt fém a szilárd anyagot veszi körül (a legtöbb hagyományos hegesztési eljárásban és a lézeres vezetéses hegesztésben az energia először a munkadarab felületére jut, majd onnan jut be a belső rétegekbe). Az olvadt fém áramlása és a felületi feszültség a kulcslyuk falain kívül dinamikus egyensúlyt tart a kulcslyuk belsejében folyamatosan keletkező gőznyomással. Ahogy a lézersugár folyamatosan behatol a kulcslyukba, a kulcslyukon kívüli anyag továbbra is áramlik. Amikor a lézersugár mozog, a kulcslyuk stabil áramlási állapotban marad. Más szóval a lyuk és körülötte lévő olvadt fém ugyanolyan sebességgel halad előre, mint a vezérlő sugár. Az olvadt fém kitölti a lyuk távozása után keletkező részeket, majd megdermed, így hegesztési varrat jön létre. Mindez olyan gyorsan zajlik le, hogy a hegesztési sebesség könnyen elérheti a néhány méter per perc értéket.

2. A lézeres mélybehatolásos hegesztés kulcsfolyamat-paraméterei

Lézererő

A lézerhegesztés során létezik egy lézerenergia-sűrűség küszöbérték. Ezen küszöbérték alatt a behatolási mélység sekély; ha elérjük vagy túllépjük, a behatolási mélység jelentősen növekszik. A plazma csak akkor keletkezik, ha a lézer teljesítménysűrűsége a munkadarabon meghaladja ezt a küszöbértéket (anyagtól függően), ami a stabil mélybehatolásos hegesztés megkezdését jelzi. Ha a lézer teljesítménye alacsonyabb, mint ez a küszöbérték, a munkadarab csak felületi olvadást szenved, azaz a hegesztés stabil hővezetési módban zajlik. Amikor a lézer teljesítménysűrűsége közel van a kulcslyuk-képződés kritikus feltételéhez, a mélybehatolásos és a hővezetéses hegesztés váltakozik, ami instabil hegesztési folyamatot eredményez, nagy ingadozással a behatolási mélységben. A lézeres mélybehatolásos hegesztés során a lézer teljesítmény egyszerre szabályozza a behatolási mélységet és a hegesztési sebességet. A hegesztési varrat behatolási mélysége közvetlenül összefügg a sugár teljesítménysűrűségével, és függvénye a beeső sugár teljesítményének és a sugár fókuszpontjának. Általában egy adott átmérőjű lézersugár esetében a behatolási mélység növekszik a sugár teljesítményének növekedésével.

Sugár fókuszpontja

A sugárfolt mérete a lézerhegesztés egyik legfontosabb változója, mivel meghatározza a teljesítménysűrűséget. Ugyanakkor a nagy teljesítményű lézerek esetében a mérése nehézkes, annak ellenére, hogy számos közvetett mérési módszer létezik.

A lézersugár diffrakciós korlátozta foltmérete kiszámítható az optikai diffrakcióelmélet alapján. Azonban a fókuszáló lencse aberrációi miatt a tényleges foltméret nagyobb, mint a számított érték. A legegyszerűbb gyakorlati mérési módszer az izoterm profilometriás módszer, amely során egy vastag papírlapot megégetnek, és egy polipropilén lemezt átlyukasztanak, majd a fókuszpontot és a lyuk átmérőjét mérik. Ennek a módszernek a sikeres alkalmazásához gyakorlati mérések szükségesek a lézerteljesítmény és a sugár érintkezésének időtartamának meghatározásához.

Anyagelnyelési érték

Egy anyag lézerfény elnyelése több fontos tulajdonságtól függ, például az elnyelési tényezőtől, a visszaverődési tényezőtől, a hővezetőképességtől, az olvadásponttól és az elpárologtatási hőmérséklettől, amelyek közül az elnyelési tényező a legfontosabb.

Az anyag lézerfénnyel szembeni elnyelési tényezőjét két tényező befolyásolja: Először is az anyag fajlagos ellenállása. A csiszolt felületek elnyelési tényezőjének mérései azt mutatják, hogy az elnyelési tényező arányos a fajlagos ellenállás négyzetgyökével, amely viszont hőmérsékletfüggő. Másodszor az anyag felületi állapota (vagy simasága) jelentős hatással van a sugár elnyelési tényezőjére, és így lényegesen befolyásolja a hegesztési eredményt.

Egy CO2 lézer kimeneti hullámhossza általában 10,6 μ m. Nemfém anyagok, például kerámia, üveg, gumi és műanyagok szobahőmérsékleten magas abszorpciós aránnyal rendelkeznek, míg fémes anyagok szobahőmérsékleten alacsony abszorpciós aránnyal bírnak; az abszorpció csak akkor növekszik élesen, ha az anyag megolvad vagy akár elpárolog. A felületi bevonatok vagy oxidrétegek hatékony módszerek a lézerfény-abszorpció javítására.

Hegesztési sebesség

A hegesztési sebesség jelentősen befolyásolja a hegesztés behatolási mélységét. A sebesség növelése sekélyebb behatolást eredményez, míg túl alacsony sebesség esetén túlhevülés és átégés léphet fel. Ezért egy adott anyaghoz, adott lézerteljesítmény és vastagság mellett létezik egy megfelelő hegesztési sebesség-tartomány, amelyen belül a maximális behatolási mélység érhető el. A 10-2. ábra a 1018-as acél hegesztési sebessége és behatolási mélysége közötti összefüggést mutatja.

Védőgáz

Az inaktív gázokat gyakran használják a olvadt kovácsolási medence védelmére lézeres hegesztés során. Bár a felületi oxidáció nem okoz problémát egyes anyagok esetében, a hélium, az argon és a nitrogén a leggyakrabban alkalmazott védőgázok a legtöbb alkalmazásban a munkadarab oxidációjának megelőzésére hegesztés közben.

A hélium nehezen ionizálódik (de magas az ionizációs energiája), így a lézersugár zavartalanul áthalad rajta, és akadálytalanul éri el a munkadarab felületét. Ez a lézeres hegesztéshez leginkább hatékony védőgáz, de viszonylag drága.

Az argon olcsóbb, és nagyobb sűrűségű, ezért jó védelmet nyújt. Azonban könnyen ionizálódik a magas hőmérsékletű fémplazmában, ami részben eltéríti a lézersugarat a munkadarab felé, csökkentve ezzel a hatékony lézer teljesítményt, és hátráltatva a hegesztés sebességét és behatolását. Az argonnal védett hegesztések felülete simább, mint a héliummal védetteké.

A nitrogén a legolcsóbb védőgáz, de nem alkalmas egyes típusú rozsdamentes acélok hegesztésére, főként a fémügyi problémák miatt, például az elnyelődés miatt, amely néha pórusosságot okozhat a varrat területén.

A védőgázok második funkciója a fókuszáló lencse védelme a fémgőz szennyeződésétől és az olvadt cseppek kirepülésétől. Ez különösen fontos a nagy teljesítményű lézerhegesztésnél, ahol a kilökött anyag rendkívül erős lesz.

A védőgázok harmadik funkciója a nagy teljesítményű lézerhegesztés során keletkező plazma szétszórása. A fémgőz elnyeli a lézersugarat, és ionizálódva plazmafelhővé alakul. A fémgőzt körülvevő védőgáz is ionizálódik a felmelegedés hatására. Ha túl sok plazma keletkezik, a lézersugár egy része a plazmában elnyelődik. A plazma másodlagos energiahordozóként jelenik meg a munkafelületen, ami sekélyebb hegesztési behatolást és szélesebb hegesztési fürdőt eredményez. Az elektronok újraegyesülési sebességét az elektronok, ionok és semleges atomok közötti ütközések gyakoriságának növelésével lehet fokozni, ezzel csökkentve a plazma elektronsűrűségét. Minél könnyebb a semleges atom, annál nagyobb az ütközési gyakoriság és az újraegyesülési sebesség; másrészt csak olyan védőgáz képes megakadályozni az elektronsűrűség növekedését, amelynek magas az ionizációs energiája, így saját ionizációja nem járul hozzá az elektronsűrűség növekedéséhez.

A plazmafelhő mérete a védőgáztól függően változik: a héliumnak a legkisebb, a nitrogénnél nagyobb, az argonnál pedig a legnagyobb a mérete. A nagyobb plazmafelhő sekélyebb hegesztési behatolást eredményez. Ez a különbség elsősorban a gázmolekulák ionizációs fokának különbözőségéből, valamint a védőgázok különböző sűrűsége miatt fellépő fémgőz-diffúzió eltéréseiből adódik.

A héliumnak a legalacsonyabb az ionizációs energiája és a sűrűsége, így gyorsan el tudja távolítani a fémolvadék-kád felé emelkedő fémgőzt. Ennélfogva a hélium használata mint védőgáz maximálisan csökkenti a plazma képződését, növelve ezzel a hegesztési behatolást és a hegesztési sebességet; könnyű tömege miatt továbbá könnyen el tud távozni, csökkentve a pórusosság kialakulásának valószínűségét. Azonban saját gyakorlati hegesztési eredményeink alapján az argon védőgázként való alkalmazása is igen hatékonynak bizonyult.

A plazmafelhő hatása a hegesztési behatolásra a legalacsonyabb hegesztési sebességnél a legjelentősebb. Hatása csökken, ahogy a hegesztési sebesség növekszik.

A védőgáz egy bizonyos nyomáson át jut ki a fúvókán és éri el a munkadarab felületét. A fúvóka hidrodinamikai alakja és a kilépő nyílás átmérője döntő fontosságú. A védőgáznak elegendően nagynak kell lennie ahhoz, hogy lefedje a hegesztési felületet, ugyanakkor a fúvóka méretét korlátozni kell, hogy hatékonyan védje a lencsét, és megakadályozza a fémgőz szennyeződését vagy a fémfröccsenés károsítását. A térfogatáramot is szabályozni kell; ellenkező esetben a védőgáz lamináris áramlása turbulenssé válik, a környező levegő bekerül a olvadt fürdőbe, és végül pórusosság keletkezik.

A védőhatás javítása érdekében további oldali fúvási módszer alkalmazható, amely során a védőgáz egy kisebb átmérőjű fúvókán keresztül, meghatározott szögben közvetlenül a mélyhegesztési lyukba juttatódik. A védőgáz nemcsak a munkadarab felületén keletkező plazmavizsgálatot fojtja le, hanem befolyásolja a lyukban lévő plazmát és a lyuk kialakulását is, ezzel tovább növelve a behatolási mélységet, és ideális mélység-szélesség arányú hegesztést érve el. Ez a módszer azonban pontosan szabályozott gázáram- és irányvezérlést igényel; ellenkező esetben könnyen turbulencia alakulhat ki, ami károsítja a folyékony fürdőt, és instabillá teszi a hegesztési folyamatot.

Objektív fókusztávolsága

A hegesztés során a lézer általában fókuszált, általában 63–254 mm-es (2,5 ”~10”a fókuszált folt mérete közvetlenül arányos a fókusztávolsággal; minél rövidebb a fókusztávolság, annál kisebb a folt. Ugyanakkor a fókusztávolság befolyásolja a fókuszmélységet is, azaz a fókuszmélység arányosan nő a fókusztávolsággal. Ezért egy rövidebb fókusztávolság növeli a teljesítménysűrűséget, de a sekély fókuszmélység miatt a lencse és a munkadarab közötti távolságot pontosan be kell állítani, és a behatolási mélység is korlátozott. A hegesztés során keletkező szikrázás és lézer-módus hatása miatt a gyakorlatban használt legrövidebb fókusztávolság gyakran 126 mm (5 ”amikor a kötés nagy, vagy amikor a folt méretének növelésével meg kell növelni a hegesztési varrat méretét, akkor 254 mm-es (10 ”fókusztávolságú lencse választható. Ebben az esetben a mély behatolású kulcslyuk-hatás eléréséhez magasabb lézerteljesítmény (teljesítménysűrűség) szükséges.

Amikor a lézerteljesítmény meghaladja a 2 kW-ot, különösen a 10,6 μ m CO2 lézerfénysugarak esetében, mivel a fényoptikai rendszerben speciális optikai anyagokat használnak, gyakran tükrözéses fókuszálást alkalmaznak a fókuszáló lencse optikai károsodásának elkerülésére. A csiszolt réz tükör általában tükröző elemként szolgál. Hatékony hűtési tulajdonságaik miatt gyakran ajánlottak nagy teljesítményű lézerfénysugarak fókuszálására.

Fókusz pozíció

A hegesztés során a fókuszpont helyzete döntő fontosságú a megfelelő teljesítménysűrűség fenntartásához. A fókuszpont és a munkadarab felülete közötti relatív helyzet változása közvetlenül befolyásolja a hegesztési varrat szélességét és mélységét. A 2-6. ábra a fókuszpont helyzetének hatását mutatja be a 1018-as acél behatolási mélységére és hegesztési varrat-szélességére.

A legtöbb lézerhegesztési alkalmazásban a fókuszpontot általában a munkadarab felülete alatt kb. negyed résznyire helyezik el a kívánt behatolási mélység eléréséhez.

Lézerfénysugár helyzete

Amikor különböző anyagokat hegesztenek lézerrel, a lézersugár helyzete szabályozza a végleges hegesztési minőséget, különösen a csuklós (él-él) illesztéseknél, ahol érzékenyebb, mint a fedő (lapos) illesztéseknél. Például, ha egy keményített acél fogaskereket hegesztenek egy alacsonyszén-tartalmú acél dobhoz, a megfelelő lézersugár helyzet-szabályozás olyan hegesztést eredményez, amely főként alacsonyszén-tartalmú összetevőkből áll, és így jobb repedésállósággal rendelkezik. Egyes alkalmazásokban a hegesztendő munkadarab geometriája azt követeli meg, hogy a lézersugarat szöget bezárva térítsék el. Amikor a sugár tengelye és az illesztés síkja közötti eltérítési szög 100 foknál kisebb, a munkadarab lézerenergia-felvételét nem befolyásolja.

A lézer teljesítményének növelése és csökkentése a hegesztés kezdő- és végpontján

A lézeres mélyhatású hegesztés során, függetlenül a hegesztési mélységtől, mindig megjelenik a lyukasodási (pinhole) jelenség. Amikor a hegesztési folyamat befejeződik, és a teljesítménykapcsolót kikapcsolják, a hegesztés végén egy mélyedés keletkezik. Ezenkívül, amikor a lézerhegesztési réteg lefedi az eredeti hegesztést, túlzott lézersugár-elnyelés léphet fel, ami túlmelegedéshez vagy pórusossághoz vezethet a hegesztményben.

E jelenségek elkerülése érdekében a teljesítmény indítási és befejezési pontjai programozhatók úgy, hogy a teljesítmény indítási és befejezési ideje is beállítható legyen. Ez azt jelenti, hogy a kezdőteljesítmény elektronikusan, rövid idő alatt nulláról a beállított teljesítményértékre növekszik, és a hegesztési időt szintén be lehet állítani. Végül a hegesztés befejezésekor a teljesítmény fokozatosan csökken a beállított értékről nullára.

3. A lézeres mélyhatású hegesztés jellemzői, előnyei és hátrányai

A lézeres mélyhatású hegesztés jellemzői

1) Nagy magasság-szélesség arány. 1) **Mély és keskeny hegesztés:** Mivel a folyékony fém a henger alakú, magas hőmérsékletű gőzüreg körül alakul ki, és a munkadarab felé terjed, a hegesztés mély és keskeny lesz.

2) **Minimális hőbevitel:** A nyílás belsejében uralkodó rendkívül magas hőmérséklet miatt a megolvasztási folyamat nagyon gyorsan zajlik le, így a munkadarabba jutó hőbevitel rendkívül alacsony, ami minimálisra csökkenti a hő okozta deformációt és a hőhatott zónát.

3) **Magas sűrűség:** A magas hőmérsékletű gőzzel töltött nyílás elősegíti a hegesztési fürdő keverését és a gázok eltávozását, így porózusításmentes, teljesen áthegesztett varratot eredményez. A hegesztést követő magas hűtési sebesség tovább finomítja a varrat mikroszerkezetét.

4) **Erős hegesztés:** Az intenzív hőforrás és a nemfémes összetevők teljes elnyelődése csökkenti a szennyező anyagok mennyiségét, és megváltoztatja a zárványok méretét és eloszlását a hegesztési fürdőben. A hegesztési folyamat nem igényel elektródákat vagy töltődrótot, így kevesebb szennyeződés jut a olvadt zónába, ami miatt a hegesztési varrat szilárdsága és ütőszilárdsága legalább akkora, sőt akár nagyobb is lehet, mint az alapanyagé.

5) **Pontos vezérlés:** Mivel a fókuszált folt rendkívül kicsi, a hegesztést pontosan el lehet helyezni. A lézer kimenete nincs „tehetetlenséggel” terhelve, így gyors leállításra és újraindításra képes magas sebességnél. A CNC-sugaras mozgatástechnológia lehetővé teszi összetett alkatrészek hegesztését. 6) Érintésmentes, levegőn keresztüli hegesztési folyamat. Mivel az energia fotonnyaláb formájában érkezik, nincs fizikai érintkezés az alkatrésszel, így az alkatrészre semmilyen külső erő nem hat. Ezen felül a mágnesesség és a levegő sem befolyásolja a lézert.

A lézeres mélyhatású hegesztés előnyei

1) A fókuszált lézerek sokkal nagyobb teljesítménysűrűsége miatt a hegesztési sebesség gyors, a hőhatott zóna és a deformáció kicsi, valamint nehéz hegeszthetőségű anyagokat, például titániumot is lehet hegeszteni.

2) Mivel a sugár könnyen továbbítható és szabályozható, nincs szükség gyakori hegesztőpisztolyok és fúvókák cseréjére, és nem igényel vákuumot, mint az elektronnsugáros hegesztés, így a leállásidő jelentősen csökken, ami magas kihasználtsági tényezőt és termelékenységet eredményez.

3) A tisztító hatás és a magas hűtési sebesség miatt az hegesztési varrat magas szilárdsággal, ütőállósággal és általános teljesítménnyel rendelkezik.

4) Az alacsony átlagos hőbevitel miatt a feldolgozási pontosság magas, csökkentve az újrafeldolgozási költségeket; emellett a lézerhegesztés üzemeltetési költségei is alacsonyabbak, így csökkennek a munkadarabok feldolgozási költségei.

5) A sugár intenzitása és a pontos pozicionálás hatékonyan szabályozható, így az automatizált működtetés egyszerű.

A lézeres mélyhegesztés hátrányai

1) Korlátozott hegesztési mélység.

2) Magas követelmények a munkadarabok összeszerelésével szemben.

3) Magas kezdeti beruházás a lézerrendszerekbe.