Laser tehnologija

1. Načelo laserskega varjenja

Lasersko varjenje je mogoče izvesti z neprekinjenimi ali impulznimi laserskimi žarki. Načelo laserskega varjenja se lahko razdeli na varjenje s toplotno prevodnostjo in globoko lasersko varjenje. Gostota moči manj kot 10 ⁴ ~10⁵ W/cm ² je varjenje s prenosom toplote, ki se karakterizira z majhno globino prodiranja in počasno hitrostjo varjenja. Ko je gostota moči večja od 10 ⁵ ~10⁷ W/cm ² , se površina kovine segreje in ustvari »votline« ter oblikuje varjenje z globokim prodiranjem, ki se karakterizira z visoko hitrostjo varjenja in velikim razmerjem globine proti širini.

Načelo varjenja z laserjem s prenosom toplote je naslednje: lasersko sevanje segreva obdelovano površino, toplota pa se od površine notranje širi s prenosom toplote. Z nadzorom laserskih parametrov, kot so širina, energija, vrhunska moč in ponovitvena frekvencijska laserskega impulza, se delovni kos stopi in oblikuje določen talilni bazen.

Laserne varilnice, ki se uporabljajo za varjenje zobnikov in tankih kovinskih plošč v metalurgiji, vključujejo predvsem laserje za varjenje z globokim prodiranjem. Načelo varjenja z laserjem z globokim prodiranjem bo spodaj podrobneje obravnavano.

Laserno varjenje z globokim prodiranjem običajno uporablja neprekinjen laserjni žarek za združevanje materialov. Njegova metalurška fizika je zelo podobna elektronskemu žarku, pri čemer se mehanizem pretvorbe energije doseže s strukturo »ključne luknje«. Pri dovolj visoki gostoti moči laserskega sevanja material izhlapi in tvori ključno luknjo. Ta z izhlapevanjem napolnjena ključna luknja deluje kot črno telo in absorbira skoraj vso energijo padajočega žarka. Ravnovesna temperatura znotraj ključne luknje doseže približno 2500 °C. Toplota se prenaša s zunanje stene te visokotemperaturne luknje (ključavnice), kar taliti kovino okoli nje. Luknja je napolnjena z visokotemperaturno paro, ki nastaja zaradi neprekinjene izparevanja materiala stene pod obsevanjem žarka. Stene luknje obdajajo taljeno kovino, taljena kovina pa obdaja trdno snov (pri večini konvencionalnih postopkov varjenja in pri varjenju z laserjem v načinu prevoda se energija najprej prenese na površino obdelovanega dela in nato v notranjost). Tekoči tok in površinska napetost zunanjih sten luknje vzdržujeta dinamično ravnovesje z neprekinjeno parno tlakom znotraj luknje. Ko laserji žarek neprekinjeno vstopa v luknjo, se material zunaj luknje nadaljuje v pretoku. Ko se laserji žarek premika, ostane luknja v stabilnem pretokovnem stanju. Z drugimi besedami, luknja in taljena kovina okoli nje napredujeta s hitrostjo, ki ustreza hitrosti vodilnega žarka. Taljena kovina zapolni vrzeli, ki jih pusti luknja po svojem odmiku, in nato strdi, s čimer nastane zvar. Vse to poteka tako hitro, da lahko hitrosti varjenja brez težav dosežejo več metrov na minuto.

2. Ključni procesni parametri laserskega varjenja z globokim prodiranjem

Laserska moč

Laserno varjenje vključuje prag gostote laserne energije. Pod tem pragom je globina prodiranja plitka; ko se ta prag doseže ali preseže, se globina prodiranja znatno poveča. Plazma nastane le takrat, ko gostota laserne moči na obdelovancu presega ta prag (ki je odvisen od materiala), kar označuje začetek stabilnega varjenja z globokim prodiranjem. Če je laserja moč pod tem pragom, na obdelovancu nastane le površinsko taljenje, kar pomeni, da poteka varjenje v stabilnem načinu toplotne prevodnosti. Ko je gostota laserne moči blizu kritičnega stanja za nastanek ključne luknje, se varjenje z globokim prodiranjem in varjenje s prevodnostjo izmenjujeta, kar povzroči nestabilen varilni proces z velikimi nihanji globine prodiranja. Pri laserjem varjenju z globokim prodiranjem laserja moč hkrati nadzoruje globino prodiranja in hitrost varjenja. Globina varilnega šiva je neposredno povezana z gostoto moči žarka in je funkcija vhodne moči žarka ter fokusa žarka. Splošno velja, da se pri laserjem žarku določenega premera globina prodiranja povečuje z naraščajočo močjo žarka.

Fokusna točka žarka

Velikost žarka je ena najpomembnejših spremenljivk pri laserski varjenju, saj določa gostoto moči. Merjenje velikosti žarka za visokomočne lasere je kljub obstoju številnih posrednih metod merjenja zelo zahtevno.

Difracijsko omejeno velikost žarka laserskega žarka lahko izračunamo na podlagi optične difrakcijske teorije. Vendar je zaradi aberacij v fokusirajoči leči dejanska velikost žarka večja od izračunane vrednosti. Najpreprostejša praktična metoda merjenja je metoda izotermne profilometrije, ki vključuje ogrevanje debelega lista papirja in preboj plošče iz polipropilena pred meritvijo fokusne točke in premera preboja. Ta metoda zahteva praktično merjenje, da se obvladajo laserja moč in čas stika žarka.

Vrednost absorpcije materiala

Absorpcija laserske svetlobe s strani materiala je odvisna od več pomembnih lastnosti, kot so absorpcijski koeficient, odbojnost, toplotna prevodnost, talilna temperatura in izhlapevalna temperatura, pri čemer je najpomembnejši absorpcijski koeficient.

Dejavniki, ki vplivajo na absorpcijski koeficient materiala za laserski curek, zajemajo dva vidika: Prvič, električna odpornost materiala. Meritve absorpcijskega koeficienta poliranih površin kažejo, da je absorpcijski koeficient sorazmeren kvadratnemu korenu električne odpornosti, ki pa spet variira glede na temperaturo. Drugič, stanje površine (ali gladkost) materiala bistveno vpliva na absorpcijo curka, kar posledično močno vpliva na učinek varjenja.

Izhodna valovna dolžina CO2 lasera je običajno 10,6 μ n. Nehkovinske materiale, kot so keramika, steklo, guma in plastične mase, pri sobni temperaturi močno absorbirajo, medtem ko kovinski materiali pri sobni temperaturi slabo absorbirajo; absorpcija se poveča šele ob taljenju ali celo izparevanju materiala. Površinske prevleke ali oksidne plasti so učinkovite metode za izboljšanje absorpcije laserskega žarka s strani materiala.

Hitrost svarjenja

Hitrost varjenja bistveno vpliva na globino zvarnega šava. Povečanje hitrosti povzroči manjšo globino prepenjanja, prenizka hitrost pa vodi do prekomernega taljenja in prežganja. Zato za določen material pri dani moči lasera in debelini obstaja primerna razpon hitrosti varjenja, znotraj katerega je dosežljiva največja globina prepenjanja. Slika 10-2 prikazuje odnos med hitrostjo varjenja in globino prepenjanja za jeklo 1018.

Zaščitni plin

Inertni plini se pogosto uporabljajo za zaščito taljene kapljice med laserskim varjenjem. Čeprav površinska oksidacija ni problem pri določenih materialih, se v večini aplikacij uporabljajo helij, argon in dušik za preprečevanje oksidacije obdelovanega dela med varjenjem.

Helij se slabo ionizira (vendar ima visoko energijo ionizacije), kar omogoča, da laserski žarek prosto prehaja skozi in doseže površino obdelovanega dela neprekinjeno. To je najučinkovitejši zaščitni plin za lasersko varjenje, vendar je relativno drag.

Argon je cenejši in ima višjo gostoto, kar zagotavlja dobro zaščito. Vendar se zaradi visoke temperature kovinske plazme zlahka ionizira, kar delno zasloni žarek pred dosego obdelovanega dela, zmanjša učinkovito lasersko moč ter poslabša hitrost varjenja in globino prodora. Varjeni spoji, zaščiteni z argonom, imajo gladkejše površine kot tisti, zaščiteni z helijem.

Dušik je najcenejši zaščitni plin, vendar ni primeren za varjenje določenih vrst nerjavnega jekla, predvsem zaradi metalurških težav, kot je absorpcija, ki lahko včasih povzroči poroznost v območju spoja.

Druga funkcija zaščitnih plinov je zaščita fokusirajoče leče pred kontaminacijo z kovinskimi izparini in razprševanjem taljenih kapljic. To je še posebej pomembno pri varjenju z visokomocnim laserjem, kjer postane izvrženo material zelo močan.

Tretja funkcija zaščitnih plinov je njihova učinkovitost pri razprševanju plazme, ki jo povzroča lasersko varjenje z visoko močjo. Kovinska para absorbira laserski žarek in se ionizira v oblak plazme. Zaščitni plin, ki obdaja kovinsko paro, se zaradi segrevanja prav tako ionizira. Če je plazme preveč, se laserski žarek delno porabi v plazmi. Plazma obstaja kot sekundarni vir energije na delovni površini, kar povzroči manj globoko varilno penetracijo in širši varilni bazen. Hitrost rekombinacije elektronov se poveča s povečanjem trkov med elektroni, ioni in nevtralnimi atomi, s čimer se zmanjša gostota elektronov v plazmi. Manjša masa nevtralnih atomov pomeni višjo frekvenco trkov in višjo hitrost rekombinacije; po drugi strani pa lahko le zaščitni plin z visoko energijo ionizacije prepreči povečanje gostote elektronov zaradi lastne ionizacije.

Velikost plazemskega oblaka se razlikuje glede na uporabljen zaščitni plin: helij ima najmanjšo velikost, sledi dušik, argon pa največjo. Večji plazemski oblak povzroči manj globoko zvarno penetracijo. Ta razlika je predvsem posledica različne stopnje ionizacije plinskih molekul ter razlik v difuziji kovinske pare, ki jih povzročajo različne gostote zaščitnih plinov.

Helij ima najnižjo ionizacijo in gostoto, kar mu omogoča, da hitro izpodrine dvigajočo se kovinsko paro iz taljene kovinske kopice. Zato uporaba helija kot zaščitnega plina maksimalno potiska plazmo, s čimer poveča globino zvarne penetracije in hitrost varjenja; njegova majhna masa omogoča tudi lahek uhajanje, kar zmanjšuje verjetnost nastanka poroznosti. Vendar so naši dejanski rezultati varjenja pokazali, da je zaščita z argonom precej učinkovita.

Učinek plazemskega oblaka na globino zvarjenega šiva je najopaznejši pri nizkih hitrostih varjenja. Njegov učinek se zmanjšuje z naraščanjem hitrosti varjenja.

Zaščitni plin se izpušča pod določenim tlakom skozi šobo in doseže površino obdelovanega dela. Hidrodinamična oblika šobe in premer izhodnega odprtka sta ključna. Zaščitni plin mora biti dovolj obsežen, da pokrije površino varjenja, velikost šobe pa mora biti omejena, da se učinkovito zaščiti leča in prepreči kontaminacijo z kovinskimi izparini ali poškodbe zaradi kovinskega razprška. Pretok plina je prav tako treba nadzorovati; sicer se laminarni tok zaščitnega plina spremeni v turbulentnega, v talilno kopico vstopi zrak iz okolja in končno nastanejo poredine.

Za izboljšanje učinka zaščite se lahko uporabi dodatna stranska metoda pihanja, pri kateri se zaščitni plin vbrizga neposredno v votlino globokega varilnega šiva skozi šobo manjšega premera pod določenim kotom. Zaščitni plin ne le potiska plazemsko oblačilo na površini obdelovanega dela, temveč vpliva tudi na plazmo znotraj votline in na nastajanje votline, s čimer še dodatno poveča globino prodiranja ter doseže varjeni šiv z idealnim razmerjem globine in širine. Ta metoda zahteva natančno nadzorovanje pretoka in smeri plina; sicer se lahko hitro pojavijo turbulenci, ki poškodujejo taljeni bazen in naredijo varilni proces nestabilnega.

Goriščna razdalja leče

Med varjenjem je laser običajno osredotočen, najpogosteje z uporabo leč z goriščnimi razdaljami 63–254 mm (2,5 ”~10”velikost osredotočene točke je neposredno sorazmerna z goriščno razdaljo; krajša goriščna razdalja pomeni manjšo točko. Goriščna razdalja vpliva tudi na globino ostrosti, kar pomeni, da se globina ostrosti povečuje sorazmerno z goriščno razdaljo. Zato krajša goriščna razdalja lahko poveča gostoto moči, vendar zaradi plitke globine ostrosti mora biti razdalja med lečo in delovnim kosom natančno ohranjena, hkrati pa je tudi globina prepenjanja omejena. Zaradi vpliva razprševanja in laserskega načina, ki nastaneta med varjenjem, je najkrajša dejansko uporabljena goriščna razdalja pri varjenju pogosto 126 mm (5"), ”ko je spoj velik ali ko je potrebno povečati velikost varilnega šava s povečanjem velikosti točke, se lahko izbere leča z goriščno razdaljo 254 mm (10"), ”v tem primeru je za doseganje učinka ključne luknje z globokim prepenjanjem potrebna višja izhodna moč laserja (gostota moči).

Ko moč laserja preseže 2 kW, zlasti pri 10,6 μ cO₂ laserski žarki z valovno dolžino 10,6 µm, zaradi uporabe posebnih optičnih materialov v optičnem sistemu, se za izogibanje poškodbam fokusirne leče pogosto uporablja odsevno fokusiranje. Za odsevna ogledala se običajno uporabljajo lizgana bakrena ogledala. Zaradi njihovih učinkovitih hladilnih lastnosti so pogosto priporočena za fokusiranje laserskih žarkov visoke moči.

Fokusna pozicija

Med varjenjem je lega fokusa ključnega pomena za ohranitev ustrezne gostote moči. Spremembe relativne lege fokusa glede na površino obdelovanega dela neposredno vplivajo na širino in globino varilnega šva. Slika 2-6 prikazuje vpliv lege fokusa na globino prodiranja in širino varilnega šva pri jeklu 1018.

Pri večini aplikacij laserskega varjenja je fokus običajno postavljen približno četrtino debeline pod površino obdelovanega dela, da se doseže želena globina prodiranja.

Lega laserskega žarka

Pri laserskem varjenju različnih materialov položaj laserskega žarka nadzoruje končno kakovost zvara, zlasti pri stičnih spojih, kjer je občutljivejši kot pri prekrivnih spojih. Na primer pri varjenju zakaljene jeklene zobniške puščice na boben iz nizkoogljičnega jekla pravilno nadzorovanje položaja laserskega žarka povzroči zvar, ki je predvsem sestavljen iz nizkoogljičnih komponent in ima boljšo odpornost proti razpokam. V nekaterih aplikacijah zahteva geometrija delovnega predmeta, ki ga je treba zvariti, da se laserski žarek odkloni pod določenim kotom. Če je kot odklona med osjo žarka in ravnino spoja manjši od 100 stopinj, absorpcija laserske energije s strani delovnega predmeta ni vplivana.

Nadzor povečanja in zmanjšanja laserske moči na začetku in koncu varjenja

Med laserskim varjenjem z globokim prodiranjem se pojav luknje (pinhole) vedno pojavi, ne glede na globino varilnega šiva. Ko se proces varjenja konča in se izklopi napajalni stikalo, se na koncu varilnega šiva pojavi vdolbina. Poleg tega lahko pride do prekomernega absorbiranja laserskega žarka, kadar laserski varilni sloj pokrije obstoječi varilni šiv, kar lahko povzroči pregrevanje ali poroznost varjenega dela.

Za preprečevanje teh pojavov je mogoče programirati začetne in končne točke moči tako, da sta časa za vklop in izklop moči nastavljiva. To pomeni, da se začetna moč elektronsko poveča iz nič na nastavljeno vrednost moči v krajšem časovnem intervalu, hkrati pa se prilagodi tudi čas varjenja. Na koncu varjenja se moč nato postopoma zmanjša iz nastavljene vrednosti na nič.

3. Značilnosti, prednosti in slabosti laserskega varjenja z globokim prodiranjem

Značilnosti laserskega varjenja z globokim prodiranjem

1) Visok razmerje višine in širine. 1) **Globok in ozek zvar:** Ker se taljena kovina oblikuje okoli cilindrične pare visoke temperature v visokotemperaturni votlini in se razteza proti delovnemu kosu, je zvar globok in ozek.

2) **Minimalen vnos toplote:** Zaradi izjemno visoke temperature znotraj odprtine poteka proces taljenja zelo hitro, kar povzroči zelo nizek vnos toplote v delovni kos in zmanjša toplotno deformacijo ter območje vpliva toplote.

3) **Visoka gostota:** Odprtina, napolnjena z visokotemperaturno paro, omogoča mešanje zvarne kopice in izhod plinov, kar vodi do brezporega in popolnoma prepenjenega zvara. Visoka hitrost ohlajanja po zvarjanju dodatno izboljša mikrostrukturo zvara.

4) **Močna zvarna šiva:** Intenzivno vir toplote in popolna absorpcija nemetalnih komponent zmanjšata vsebnost nečistoč in spremenita velikost ter porazdelitev vključkov v zvarni kopici. Za zvarni proces ni potreben noben elektrod ali polnilni žični material, kar pomeni manj kontaminacije v taljeni coni in s tem zvarno trdnost ter žilavost, ki sta vsaj enaki ali celo presegata trdnost in žilavost osnovnega materiala.

5) **Natančna regulacija:** Ker je osredotočena točka zelo majhna, je mogoča natančna pozicioniranje zvarne šive. Izhod laserskega žarka nima »vztrajnosti«, kar omogoča hitre zaustavitve in ponovne zagoni pri visokih hitrostih. Tehnologija CNC premikanja žarka omogoča zvarjanje zapletenih delov. 6) Neposredni zvarni proces v atmosferi. Ker energijo zagotavlja fotonski žarek, ni fizičnega stika z delom, zato na delo ni izvajene nobene zunanjih sil. Poleg tega magnetizem in zrak nimata vpliva na laser.

Prednosti laserskega globinskega zvarjanja

1) Zaradi veliko višje gostote moči usmerjenih laserjev v primerjavi z običajnimi metodami je hitrost varjenja visoka, toplotno vplivana cona in deformacija pa majhni; poleg tega je mogoče variti težko varljive materiale, kot je titan.

2) Ker se žarek lahko enostavno prenaša in nadzoruje ter ker ni potrebna pogosta zamenjava varilnih gorilnikov in šob, prav tako pa pri elektronskem žarku ni potrebno ustvarjati vakuuma, je mrtvi čas znatno zmanjšan, kar pomeni visok koeficient izkoriščenosti in visoko proizvodno učinkovitost.

3) Zaradi čistilnega učinka in visoke hitrosti ohlajanja ima zvar visoko trdnost, žilavost in splošne lastnosti.

4) Zaradi nizke povprečne toplotne energije je natančnost obdelave visoka, kar zmanjšuje stroške ponovne obdelave; poleg tega so tudi obratovalni stroški laserskega varjenja nižji, kar zmanjšuje stroške obdelave delov.

5) Intenziteto žarka in natančno pozicioniranje je mogoče učinkovito nadzorovati, kar omogoča enostavno avtomatizirano obratovanje.

Nedostatki globinskega laserskega varjenja

1) Omejena globina varjenja.

2) Visoke zahteve za sestavo delovnih kosov.

3) Visoka začetna naložba v laserske sisteme.