Technologia laserowa

1. Zasada spawania laserowego

Spawanie laserowe można osiągnąć za pomocą ciągłych lub impulsowych wiązek laserowych. Zasadę spawania laserowego można podzielić na spawanie przewodzeniem ciepła i głębokie spawanie laserowe. Gęstość mocy mniejsza niż 10 ⁴ ~10⁵ Szer./cm ² to spawanie przewodzeniem ciepła, charakteryzujące się płytkim wnikaniem i wolną prędkością spawania. Gdy gęstość mocy przekracza wartość 10 ⁵ ~10⁷ Szer./cm ² , powierzchnia metalu jest nagrzewana, tworząc „wnęki”, co prowadzi do spawania głębokiego wnikania, charakteryzującego się szybką prędkością spawania oraz dużym stosunkiem głębokości do szerokości.

Zasada spawania laserowego przewodzeniem ciepła jest następująca: promieniowanie laserowe nagrzewa obrabianą powierzchnię, a ciepło z powierzchni rozprasza się w głąb materiału poprzez przewodzenie ciepła. Poprzez kontrolę parametrów lasera, takich jak szerokość, energia, moc szczytowa oraz częstotliwość powtarzania impulsów laserowych, materiał roboczy topi się, tworząc określony basen stopiony.

Maszyny do spawania laserowego stosowane do spawania kół zębatych oraz cienkich blach metalurgicznych wykorzystują głównie spawanie laserowe głębokiego wnikania. Zasadę spawania laserowego głębokiego wnikania omówiono szczegółowo poniżej.

Laserowe spawanie głębokie z wnikaniem zwykle wykorzystuje ciągłą wiązkę laserową do łączenia materiałów. Jego fizyka metalurgiczna jest bardzo podobna do spawania wiązką elektronową, a mechanizm konwersji energii osiągany jest za pośrednictwem struktury zwanej „kluczem” (keyhole). Przy wystarczająco wysokiej gęstości mocy promieniowania laserowego materiał paruje i tworzy klucz. To wypełnione parą klucz działa jak ciało doskonale czarne, pochłaniając niemal całą energię padającej wiązki. Temperatura równowagowa wewnątrz klucza osiąga około 2500 °C. Ciepło jest przekazywane z zewnętrznej ścianki tej wysokotemperaturowej otwartej jamy (klucza), powodując stopienie metalu otaczającego ją. Jama wypełniona jest wysokotemperaturową parą, generowaną w wyniku ciągłego parowania materiału ścianki pod wpływem napromieniania wiązką. Ścianki jamy otaczają ciekły metal, a ciekły metal otacza materiał stały (w większości konwencjonalnych procesów spawania oraz w spawaniu laserowym typu przewodzenie energia jest najpierw dostarczana na powierzchnię przedmiotu i dopiero później przenoszona do jego wnętrza). Przepływ ciekłego metalu oraz napięcie powierzchniowe poza ściankami jamy utrzymują dynamiczną równowagę z ciśnieniem pary stale generowanej wewnątrz jamy. W miarę jak wiązka laserowa wchodzi ciągle do jamy, materiał poza jamą nadal przepływa. Podczas ruchu wiązki laserowej jama pozostaje w stanie stabilnego przepływu. Innymi słowy, otwarta jama oraz otaczający ją ciekły metal poruszają się do przodu z tą samą prędkością co prowadząca wiązka. Ciekły metal wypełnia szczeliny pozostawione po przemieszczeniu się jamy, a następnie ulega krzepnięciu, tworząc szew spawalniczy. Cały ten proces zachodzi tak szybko, że prędkość spawania może łatwo osiągać kilka metrów na minutę.

2. Kluczowe parametry procesu spawania głębokiego przenikania laserowego

Moc lasera

Spawanie laserowe wiąże się z progowym poziomem gęstości energii laserowej. Poniżej tego progu głębokość wnikania jest niewielka; po jego osiągnięciu lub przekroczeniu głębokość wnikania znacznie wzrasta. Plazma powstaje jedynie wtedy, gdy gęstość mocy lasera na obrabianym elemencie przekracza ten próg (zależny od materiału), co oznacza rozpoczęcie stabilnego spawania głębokiego. Jeśli moc lasera jest poniżej tego progu, na obrabianym elemencie zachodzi jedynie topnienie powierzchniowe, co oznacza, że spawanie przebiega w stabilnym trybie przewodzenia ciepła. Gdy gęstość mocy lasera znajduje się w pobliżu krytycznego warunku powstawania kanału parowego (keyhole), spawanie głębokie i spawanie przewodzeniowe naprzemiennie się przeplatają, co prowadzi do niestabilnego procesu spawania ze znacznymi wahaniomi głębokości wnikania. W spawaniu laserowym głębokim moc lasera kontroluje jednocześnie głębokość wnikania i prędkość spawania. Głębokość wnikania spoiny zależy bezpośrednio od gęstości mocy wiązki i jest funkcją mocy padającej wiązki oraz wielkości jej ogniska. Ogólnie rzecz biorąc, dla wiązki laserowej o określonym średnicy głębokość wnikania rośnie wraz ze wzrostem mocy wiązki.

Punkt skupienia wiązki

Rozmiar plamki wiązki jest jedną z najważniejszych zmiennych w spawaniu laserowym, ponieważ decyduje ona o gęstości mocy. Pomiar tego parametru dla laserów wysokiej mocy stanowi jednak wyzwanie, mimo istnienia wielu pośrednich metod pomiaru.

Rozmiar plamki wiązki ograniczony dyfrakcją można obliczyć na podstawie teorii optycznej dyfrakcji. Ze względu jednak na aberracje soczewki skupiającej rzeczywisty rozmiar plamki jest większy niż wartość obliczona. Najprostszą praktyczną metodą pomiaru jest metoda profilometrii izotermicznej, polegająca na wypaleniu grubej kartki papieru oraz przebiciu płytki z polipropylenu przed dokonaniem pomiaru punktu skupienia i średnicy otworu przebicia. Metoda ta wymaga praktycznego doboru mocy lasera oraz czasu oddziaływania wiązki.

Wartość absorpcji materiału

Absorpcja światła laserowego przez materiał zależy od kilku ważnych właściwości, takich jak współczynnik absorpcji, współczynnik odbicia, przewodnictwo cieplne, temperatura topnienia oraz temperatura parowania, przy czym najważniejszą z nich jest współczynnik absorpcji.

Czynniki wpływające na współczynnik absorpcji materiału wobec wiązki laserowej obejmują dwa aspekty: po pierwsze opór właściwy materiału. Pomiar współczynnika absorpcji na polerowanych powierzchniach wykazuje, że współczynnik absorpcji jest proporcjonalny do pierwiastka kwadratowego z oporu właściwego, który z kolei zmienia się wraz ze zmianą temperatury. Po drugie stan powierzchni (lub jej gładkość) materiału ma istotny wpływ na współczynnik absorpcji wiązki, co w znacznym stopniu wpływa na efekt spawania.

Długość fali wyjściowej lasera CO2 wynosi typowo 10,6 μ m. Niemetaliczne materiały, takie jak ceramika, szkło, guma i tworzywa sztuczne, charakteryzują się wysokim współczynnikiem pochłaniania w temperaturze pokojowej, podczas gdy metale słabo pochłaniają promieniowanie laserowe w temperaturze pokojowej; ich pochłanianie wzrasta gwałtownie dopiero po stopieniu się materiału lub nawet jego odparowaniu. Powłoki powierzchniowe lub warstwy tlenkowe są skutecznymi metodami zwiększenia pochłaniania wiązki laserowej przez materiał.

Prędkość Spawania

Prędkość spawania ma istotny wpływ na głębokość przetopu. Zwiększenie prędkości prowadzi do płytszego przetopu, natomiast zbyt niska prędkość powoduje nadmierny stopień stopienia i przeżarcie. Dlatego też dla określonego materiału przy ustalonej mocy lasera i grubości istnieje odpowiedni zakres prędkości spawania, w którym osiągana jest maksymalna głębokość przetopu. Na rysunku 10-2 przedstawiono zależność między prędkością spawania a głębokością przetopu dla stali 1018.

Gaz osłonowy

Gazy obojętne są powszechnie stosowane do ochrony stopionej wiary podczas spawania laserowego. Choć utlenianie powierzchniowe może nie stanowić problemu dla niektórych materiałów, hel, argon i azot są najczęściej stosowane w większości zastosowań w celu zapobiegania utlenianiu przedmiotu roboczego podczas spawania.

Hel słabo jonizuje się (ale ma wysoką energię jonizacji), co pozwala wiązce laserowej przechodzić przez niego gładko i bez przeszkód osiągać powierzchnię przedmiotu roboczego. Jest to najskuteczniejszy gaz osłonowy stosowany przy spawaniu laserowym, jednak jest stosunkowo drogi.

Argon jest tańszy i ma większą gęstość, co zapewnia dobrą ochronę. Jednak łatwo jonizuje się pod wpływem wysokotemperaturowej plazmy metalowej, co częściowo ekranuje wiązkę i uniemożliwia jej dotarcie do przedmiotu roboczego, zmniejszając skuteczną moc lasera oraz pogarszając szybkość spawania i głębokość wtopienia. Szwy chronione argonem mają gładziejszą powierzchnię niż te chronione helen.

Azot jest najtańszym gazem osłonowym, ale nie nadaje się do spawania niektórych typów stali nierdzewnej, głównie z powodu problemów metalurgicznych, takich jak absorpcja, która czasem może powodować porowatość w obszarze połączenia.

Drugą funkcją gazów osłonowych jest ochrona soczewki skupiającej przed zanieczyszczeniem parą metalu oraz rozpryskiem kropelek stopionego metalu. Jest to szczególnie ważne przy wysokomocowym spawaniu laserowym, gdzie materiały wyrzucane z obszaru spawania stają się bardzo intensywne.

Trzecią funkcją gazów osłonowych jest ich skuteczność w rozpraszaniu plazmy generowanej podczas spawania laserowego wysoką mocą. Para metalu pochłania wiązkę laserową i jonizuje się, tworząc chmurę plazmy. Gaz ochronny otaczający parę metalu również jonizuje się na skutek nagrzewania. W przypadku nadmiaru plazmy wiązka laserowa jest częściowo pochłaniana przez tę plazmę. Plazma występuje jako źródło energii wtórnej na powierzchni roboczej, co prowadzi do mniejszej głębokości przetopu oraz szerszego basenu spawalniczego. Zwiększenie częstotliwości zderzeń pomiędzy elektronami, jonami i obojętnymi atomami przyspiesza szybkość rekombinacji elektronów, co zmniejsza gęstość elektronów w plazmie. Im lżejsze są atomy obojętne, tym wyższa jest częstotliwość zderzeń oraz szybkość rekombinacji; z drugiej strony jedynie gaz ochronny o wysokiej energii jonizacji może zapobiec wzrostowi gęstości elektronów spowodowanemu jonizacją samego gazu.

Wielkość chmury plazmy zależy od użytego gazu osłonowego: hel ma najmniejszą wielkość chmury, następnie azot, a argon – największą. Większa chmura plazmy powoduje płytsze wnikanie spoiny. Różnica ta wynika głównie z różnego stopnia jonizacji cząsteczek gazu oraz z różnic w dyfuzji pary metalu spowodowanych różną gęstością gazów osłonowych.

Hel charakteryzuje się najniższym stopniem jonizacji i najniższą gęstością, co pozwala mu szybko wypierać parę metalu unoszącą się nad basenem stopionego metalu. Dlatego stosowanie helu jako gazu osłonowego maksymalnie hamuje powstawanie plazmy, zwiększając tym samym głębokość wnikania spoiny oraz prędkość spawania; jego niewielka masa cząsteczkowa ułatwia również jego odpływ, co zmniejsza prawdopodobieństwo powstania porów. Jednak na podstawie naszych rzeczywistych wyników spawania okazało się, że osłona argonem jest bardzo skuteczna.

Wpływ chmury plazmy na głębokość spawania jest najbardziej wyraźny przy niskich prędkościach spawania. Jego skuteczność maleje wraz ze wzrostem prędkości spawania.

Gaz osłonowy jest wypychany pod określonym ciśnieniem przez dyszę i dociera do powierzchni przedmiotu roboczego. Kluczowe znaczenie mają hydrodynamiczny kształt dyszy oraz średnica jej otworu wylotowego. Gaz osłonowy musi być wystarczająco obfity, aby pokryć całą powierzchnię spawania, jednak rozmiar dyszy musi być ograniczony, aby skutecznie chronić soczewkę oraz zapobiegać zanieczyszczeniu jej parą metalu lub uszkodzeniom spowodowanym rozpryskiem metalu. Przepływ gazu również musi być kontrolowany; w przeciwnym razie laminarny przepływ gazu osłonowego przejdzie w przepływ turbulentny, a do strefy spawania przedostanie się powietrze atmosferyczne, co ostatecznie doprowadzi do powstania porów.

Aby poprawić skuteczność osłony, można zastosować dodatkową metodę bocznego dmuchania, w której gaz osłonowy jest wprowadzany bezpośrednio do otworu igiełkowego w głębokim spawaniu wnikowym przez dyszę o mniejszym średnicy pod określonym kątem. Gaz osłonowy nie tylko hamuje chmurę plazmy na powierzchni przedmiotu roboczego, ale również wpływa na plazmę wewnątrz otworu igiełkowego oraz na proces powstawania tego otworu, co daje dodatkowy wzrost głębokości wnikania i umożliwia uzyskanie szwu o idealnym stosunku głębokości do szerokości. Metoda ta wymaga jednak precyzyjnej kontroli przepływu gazu oraz jego kierunku; w przeciwnym razie łatwo może dojść do zawirowań, które uszkadzają basen ciekły i czynią proces spawania niestabilnym.

Ogniskowa obiektywu

Podczas spawania wiązka lasera jest zwykle skupiana, najczęściej przy użyciu soczewek o długościach ogniskowych wynoszących 63–254 mm (2,5 ”~10”rozmiar skupionego plamki jest wprost proporcjonalny do ogniskowej; im krótsza ogniskowa, tym mniejsza plamka. Jednak ogniskowa wpływa również na głębokość ostrości, co oznacza, że głębokość ostrości rośnie proporcjonalnie wraz z długością ogniskowej. Dlatego krótsza ogniskowa pozwala zwiększyć gęstość mocy, lecz ze względu na małą głębokość ostrości odległość między soczewką a przedmiotem obrabianym musi być utrzymywana z dużą precyzją, a głębokość wnikania jest również ograniczona. Ze względu na wpływ rozprysku i trybu wiązki laserowej powstających podczas spawania najkrótsza rzeczywistnie stosowana ogniskowa w spawaniu wynosi zwykle 126 mm (5" ”gdy złącze jest duże lub gdy konieczne jest zwiększenie rozmiaru szwu poprzez zwiększenie średnicy plamki, można wybrać soczewkę o ogniskowej 254 mm (10" ”) W takim przypadku, aby osiągnąć efekt kluczkowy (keyhole) zapewniający głębokie wnikanie, wymagana jest wyższa moc wyjściowa lasera (wyższa gęstość mocy).

Gdy moc lasera przekracza 2 kW, szczególnie przy 10,6 μ promienie laserowe CO₂ o długości fali m, ze względu na zastosowanie specjalnych materiałów optycznych w układzie optycznym, często wykorzystują ogniskowanie przez odbicie, aby uniknąć uszkodzenia soczewki ogniskującej. Jako zwierciadła odbijające stosuje się zwykle polerowane zwierciadła miedziane. Ze względu na skuteczne właściwości chłodzące są one często zalecane do ogniskowania wiązek laserowych o wysokiej mocy.

Pozycja fokusu

Podczas spawania położenie ogniska ma kluczowe znaczenie dla utrzymania odpowiedniej gęstości mocy. Zmiany względnej pozycji ogniska względem powierzchni przedmiotu spawanego wpływają bezpośrednio na szerokość i głębokość szwu spawalniczego. Rysunek 2-6 przedstawia wpływ położenia ogniska na głębokość penetracji oraz szerokość szwu spawalniczego w stali 1018.

W większości zastosowań spawania laserowego ognisko umieszczane jest zwykle w odległości wynoszącej około jednej czwartej grubości przedmiotu spawanego poniżej jego powierzchni, aby osiągnąć pożądaną głębokość penetracji.

Położenie wiązki laserowej

Podczas spawania laserowego różnych materiałów położenie wiązki laserowej kontroluje końcową jakość spoiny, szczególnie w złączyach czołowych, gdzie jest bardziej czułe niż w złączych nakładkowych. Na przykład przy spawaniu zębatki ze stali hartowanej do bębna ze stali niskowęglowej odpowiednia kontrola położenia wiązki laserowej zapewnia powstanie spoiny składającej się głównie ze składników niskowęglowych, która wykazuje lepszą odporność na pęknięcia. W niektórych zastosowaniach geometria elementu podlegającego spawaniu wymaga odchylenia wiązki laserowej pod kątem. Gdy kąt odchylenia między osią wiązki a płaszczyzną złącza nie przekracza 100 stopni, pochłanianie energii laserowej przez element nie ulega wpływowi.

Kontrola wzrostu i spadku mocy lasera w punktach początkowym i końcowym spawania

Podczas głębokiego spawania laserowego, niezależnie od głębokości szwu, zawsze występuje zjawisko otworu (pinhole). Gdy proces spawania się kończy i wyłączany jest przełącznik mocy, na końcu szwu powstaje wklęsłość. Dodatkowo, gdy warstwa spawu laserowego pokrywa pierwotny szew, może dojść do nadmiernego pochłaniania wiązki laserowej, co prowadzi do przegrzania lub porowatości spoiny.

Aby zapobiec tym zjawiskom, punkty rozpoczęcia i zakończenia mocy można zaprogramować tak, aby czas rozpoczęcia i zakończenia działania mocy był regulowany. Oznacza to, że moc początkowa elektronicznie narasta od zera do ustalonej wartości mocy w krótkim czasie, a czas spawania jest odpowiednio dostosowywany. Na koniec procesu spawania moc stopniowo maleje od ustalonej wartości do zera.

3. Charakterystyka, zalety i wady głębokiego spawania laserowego

Charakterystyka głębokiego spawania laserowego

1) Wysoki stosunek wysokości do szerokości. 1) **Głęboki i wąski szew spawalniczy:** Ponieważ stopiona masa metalu tworzy się wokół cylindrycznej jamy pary o wysokiej temperaturze i rozszerza się w kierunku przedmiotu roboczego, szew staje się głęboki i wąski.

2) **Minimalne doprowadzanie ciepła:** Ze względu na bardzo wysoką temperaturę wewnątrz otworu proces topnienia przebiega bardzo szybko, co skutkuje bardzo niskim doprowadzeniem ciepła do przedmiotu roboczego, minimalizując odkształcenia termiczne oraz strefę wpływów cieplnych.

3) **Wysoka gęstość:** Otchłań wypełniona parą o wysokiej temperaturze sprzyja mieszaniu się basenu spawalniczego i uwalnianiu się gazów, co prowadzi do szwu spawalniczego pozbawionego porów i całkowicie przetopionego. Wysoka prędkość chłodzenia po zakończeniu spawania dodatkowo poprawia strukturę mikroskopową szwu.

4) **Silne spawanie:** Intensywne źródło ciepła oraz pełna absorpcja składników niemetalicznych zmniejszają zawartość zanieczyszczeń i modyfikują wielkość oraz rozkład wtrąceń w kąpieli spawalniczej. Proces spawania nie wymaga elektrod ani drutu dodatkowego, co powoduje mniejsze zanieczyszczenie strefy ciekłej i zapewnia wytrzymałość oraz odporność udarnościową spoiny co najmniej na poziomie metalu podstawowego, a nawet wyższą.

5) **Precyzyjna kontrola:** Ze względu na bardzo mały rozmiar skupionego plamki laserowej spoinę można precyzyjnie pozycjonować. Wyjście laserowe nie posiada „bezwładności”, umożliwiając szybkie zatrzymywanie i ponowne uruchamianie przy wysokich prędkościach. Technologia ruchu wiązki sterowanej CNC umożliwia spawanie złożonych elementów roboczych. 6) Bezstykowy proces spawania w atmosferze. Ponieważ energia pochodzi z wiązki fotonów, nie występuje fizyczny kontakt z elementem roboczym, więc do elementu roboczego nie są przykładowane żadne siły zewnętrzne. Ponadto magnetyzm i powietrze nie wpływają na promieniowanie laserowe.

Zalety głębokiego spawania laserowego

1) Ze względu na znacznie wyższą gęstość mocy skupionych laserów w porównaniu do metod konwencjonalnych prędkość spawania jest duża, strefa wpływu ciepła oraz odkształcenia są niewielkie, a możliwe jest spawanie materiałów trudnych do spawania, takich jak tytan.

2) Ponieważ wiązka jest łatwa w przesyłaniu i sterowaniu, nie ma potrzeby częstej wymiany palników spawalniczych i dysz, a także nie wymaga się próżniowania (jak w przypadku spawania wiązką elektronową), czas postoju jest znacznie skrócony, co przekłada się na wysoki współczynnik obciążenia i wydajność produkcji.

3) Dzięki efektowi oczyszczającemu oraz wysokiej szybkości chłodzenia spoina charakteryzuje się dużą wytrzymałością, odpornością na pęknięcia oraz ogólnie wysokimi właściwościami użytkowymi.

4) Ze względu na niskie średnie doprowadzanie ciepła dokładność obróbki jest wysoka, co zmniejsza koszty ponownej obróbki; dodatkowo koszty eksploatacji spawania laserowego są również niższe, co prowadzi do obniżenia kosztów obróbki elementów.

5) Natężenie wiązki oraz precyzyjne pozycjonowanie można skutecznie kontrolować, co ułatwia zautomatyzowanie procesu.

Wady głębokiego spawania laserowego

1) Ograniczona głębokość spawania.

2) Wysokie wymagania dotyczące montażu przedmiotów obrabianych.

3) Duże początkowe inwestycje w systemy laserowe.