Что такое лазерная сварка?

Лазерная сварка является важным аспектом технологии лазерной обработки материалов и часто называется лазерным сварочным аппаратом. Обычно его классифицируют на основе его рабочего режима на аппараты для лазерной сварки пресс-форм (ручные сварочные аппараты), автоматические лазерные сварочные аппараты, аппараты для лазерной точечной сварки и аппараты для волоконной лазерной сварки. Лазерная сварка использует высокоэнергетические лазерные импульсы для локального нагрева небольших участков материала. Энергия лазерного излучения распространяется в материал посредством теплопроводности, расплавляя материал и образуя определенную расплавленную ванну для достижения цели сварки.

В 1970-х годах лазерная сварка в основном использовалась для сварки тонкостенных материалов и низкоскоростной сварки. Этот процесс относится к типу теплопроводности, то есть лазерное излучение нагревает поверхность заготовки, а затем тепло рассеивается вовнутрь посредством теплопроводности. Контролируя такие параметры, как ширина лазерного импульса, энергия, пиковая мощность и частота повторения, заготовка плавится, образуя определенную расплавленную ванну. Благодаря своим уникальным преимуществам лазерная сварка успешно применяется для точной сварки микро- и мелких деталей.

Появление мощных лазеров CO2 и YAG открыло новые области для лазерной сварки, что привело к глубокой сварке на основе теории эффекта малого отверстия. Это привело к все более широкому применению в таких отраслях, как машиностроение, автомобилестроение и сталелитейная промышленность.

По сравнению с другими технологиями сварки основными преимуществами лазерной сварки являются:

1. Высокая скорость, большая глубина и минимальная деформация: Процесс быстрый, обеспечивает получение глубоких сварных швов с минимальной деформацией.

2.Универсальность в условиях сварки: Сварка может выполняться при комнатной температуре или в особых условиях с простой настройкой оборудования. Например, лазеры могут работать через электромагнитные поля без отклонения луча; сварка может происходить в вакууме, воздухе или определенных газовых средах, а также через прозрачные материалы, такие как стекло.

3.Возможность сварки трудноплавких материалов: Лазерная сварка позволяет обрабатывать такие материалы, как титан и кварц, а также достигать хороших результатов при сварке разнородных материалов.

4. Высокая плотность мощности: После фокусировки лазер имеет высокую плотность мощности. В мощных сварочных приложениях отношение глубины к ширине может достигать 5:1, а в некоторых случаях и 10:1.

5.Возможность микросварки: Лазерный луч можно фокусировать для получения очень маленьких пятен и точного позиционирования, что делает его пригодным для обработки микро- и мелких деталей в крупносерийном автоматизированном производстве.

6. Доступ в труднодоступные места: Лазерная сварка может выполнять бесконтактную, дистанционную сварку с высокой гибкостью. Недавние разработки в области лазерной технологии YAG, такие как технология передачи волокон, еще больше расширили применение лазерной сварки.

7.Многолучевая обработка: Лазерные лучи можно разделять в пространстве и во времени, что позволяет выполнять одновременную обработку несколькими лучами и на нескольких рабочих станциях, обеспечивая условия для более точной сварки.

Однако лазерная сварка имеет и определенные ограничения:

1.Высокие требования к точности: Заготовка должна быть собрана с высокой точностью, а лазерный луч должен быть точно позиционирован на заготовке. Поскольку пятно лазера очень мало после фокусировки, а сварной шов узкий, крайне важно обеспечить точность сборки заготовки и позиционирования луча, чтобы избежать дефектов сварки.

2. Высокая стоимость: Стоимость лазеров и связанных с ними систем относительно высока и требует значительных первоначальных инвестиций.

1. Плотность мощности

Плотность мощности является одним из наиболее важных параметров в лазерной обработке. Более высокая плотность мощности может нагреть поверхность до точки кипения в течение микросекунд, вызывая значительное испарение. Поэтому высокая плотность мощности полезна для процессов удаления материала, таких как сверление, резка и гравировка. При более низкой плотности мощности требуется несколько миллисекунд, чтобы температура поверхности достигла точки кипения. Прежде чем поверхность испарится, нижележащие слои достигают точки плавления, что способствует хорошей сварке плавлением. При лазерной сварке кондуктивного типа плотность мощности обычно составляет от 10410^4104 до 10610^6106 Вт/см².

2. Форма волны лазерного импульса

Форма волны лазерного импульса является важным вопросом в лазерной сварке, особенно при сварке тонких листов. Когда лазерный луч высокой интенсивности попадает на поверхность материала, от 60% до 98% энергии лазера отражается, а отражательная способность меняется в зависимости от температуры поверхности. В течение одного лазерного импульса отражательная способность металла существенно меняется.

3.Длительность лазерного импульса

Длительность импульса является важнейшим параметром в импульсной лазерной сварке. Она различает удаление материала и плавление материала, а также является ключевым фактором в определении стоимости и размера технологического оборудования.

4.Влияние фокусного расстояния на качество сварки

Лазерная сварка часто требует определенной степени расфокусировки, поскольку плотность мощности в фокусе лазера очень высока, что может привести к образованию отверстий из-за испарения. На плоскостях, удаленных от фокуса лазера, распределение плотности мощности относительно равномерное.

Существует два типа расфокусировки: положительная расфокусировка и отрицательная расфокусировка. Положительная расфокусировка происходит, когда фокальная плоскость находится выше заготовки, а отрицательная расфокусировка происходит, когда фокальная плоскость находится ниже заготовки. Согласно теории геометрической оптики, когда положительная и отрицательная расфокусировка равны, плотность мощности на соответствующих плоскостях примерно одинакова. Однако формы полученных расплавленных ванн различны.

Отрицательная расфокусировка может привести к большей глубине расплава, что связано с процессом формирования расплавленной ванны. Эксперименты показали, что когда лазер нагревает материал в течение 50–200 микросекунд, материал начинает плавиться, образуя жидкий металл и испарение, создавая пар высокого давления, который выбрасывается с очень высокой скоростью, производя яркий белый свет. Одновременно высокая концентрация газа заставляет жидкий металл перемещаться к краю расплавленной ванны, образуя углубление в центре ванны. Во время отрицательной расфокусировки плотность мощности внутри материала выше, чем на поверхности, что приводит к более сильному плавлению и испарению, позволяя световой энергии проникать глубже в материал. Поэтому в практических приложениях отрицательная расфокусировка используется, когда требуется большая глубина расплава, в то время как положительная расфокусировка предпочтительна для сварки тонких материалов.

1.Сварка между листами

Сюда входят четыре метода сварки: стыковая сварка, торцевая сварка, сварка с проплавлением по центру и сварка с проплавлением по центру.

2.Сварка между проводами

Сюда входят четыре метода сварки: стыковая сварка проволока к проволоке, перекрестная сварка, параллельная сварка внахлест и сварка таврового соединения.

3.Сварка металлической проволоки с блочными компонентами

Лазерная сварка может успешно соединять металлические провода с блочными компонентами, при этом размер блочных компонентов может быть гибким. Во время сварки следует обращать внимание на геометрические размеры проволочных компонентов.

4.Сварка различных металлов

Сварка различных типов металлов подразумевает рассмотрение свариваемости и диапазона параметров сварки. Лазерная сварка между различными материалами возможна только для определенных комбинаций материалов.

Некоторые соединения между компонентами не подходят для лазерной сварки плавлением, но могут выиграть от использования лазеров в качестве источника тепла для мягкой и твердой пайки, которые предлагают аналогичные преимущества лазерной сварки плавлением. Существуют различные методы пайки, при этом лазерная мягкая пайка в основном используется для пайки печатных плат, особенно при сборке листовых компонентов. По сравнению с другими методами лазерная мягкая пайка предлагает следующие преимущества:

1. Локальное отопление: Поскольку нагрев локализован, компоненты менее подвержены термическому повреждению, а зона термического воздействия мала. Это позволяет выполнять мягкую пайку вблизи термочувствительных компонентов.

2.Бесконтактный нагрев: Благодаря бесконтактному нагреву и широкой зоне плавления не требуются дополнительные инструменты. Этот метод позволяет производить обработку после монтажа компонентов на обеих сторонах двухсторонней печатной платы.

3. Стабильная повторяемость: Высокая стабильность повторяющихся операций. Флюс минимально загрязняет сварочные инструменты, а время воздействия лазера и выходная мощность легко контролируются, что обеспечивает высокий выход продукции, паяемой лазером.

4.Простое разделение пучка: Лазерные лучи можно легко разделить с помощью оптических компонентов, таких как полупрозрачные зеркала, отражатели, призмы и сканирующие зеркала, что позволяет выполнять одновременную симметричную сварку в нескольких точках.

5.Гибкость длины волны: Лазерная пайка обычно использует лазеры с длиной волны 1,06 мкм в качестве источника тепла, которое может передаваться через оптоволокно. Это позволяет обрабатывать области, которые трудно сварить обычными методами, обеспечивая большую гибкость.

6. Хорошая способность фокусировки: Отличная фокусирующая способность, что позволяет легко добиться автоматизации с помощью многостанционных устройств.

Металлургические процессы и теоретические основы

Металлургические и физические процессы сварки лазером с глубоким проникновением очень похожи на процессы сварки электронным лучом, где механизм преобразования энергии достигается через структуру «маленького отверстия». Под воздействием луча достаточно высокой плотности мощности материал испаряется, образуя небольшое отверстие. Это заполненное паром небольшое отверстие действует как черное тело, поглощая почти всю падающую световую энергию, при этом равновесная температура внутри полости достигает приблизительно 25,000 градусов Цельсия. Тепло передается от высокотемпературной стенки полости, заставляя окружающий металл плавиться. Малое отверстие заполняется высокотемпературным паром, образующимся в результате непрерывного испарения материала стенки под лучом. Стенки малого отверстия окружены расплавленным металлом, а жидкий металл заключен в твердый материал. Поток жидкости снаружи отверстия и поверхностное натяжение слоя стенки уравновешивают непрерывное давление пара внутри полости, поддерживая динамическое равновесие. Луч непрерывно входит в небольшое отверстие, а материал снаружи отверстия непрерывно течет. По мере перемещения луча небольшое отверстие остается в состоянии стабильного потока. Другими словами, небольшое отверстие и окружающий его расплавленный металл движутся вперед вместе с ведущим лучом, при этом расплавленный металл заполняет зазор, оставленный небольшим отверстием, и впоследствии затвердевает, образуя сварной шов.

Влияющие факторы

Факторы, влияющие на лазерную сварку с глубоким проплавлением, включают: мощность лазера, диаметр лазерного луча, поглощающую способность материала, скорость сварки, защитный газ, фокусное расстояние линзы, положение фокусной точки, положение лазерного луча и постепенное увеличение и уменьшение мощности лазера в начальной и конечной точках сварки.

Характеристики и преимущества лазерной сварки с глубоким проплавлением

Характеристики:

1.Высокое соотношение глубины и ширины: Расплавленный металл формируется и распространяется вокруг цилиндрической высокотемпературной паровой полости, в результате чего получается глубокий и узкий сварной шов.

2.Минимальное поступление тепла: Благодаря очень высокой температуре в полости источника процесс плавления происходит чрезвычайно быстро, с очень низким подводом тепла к заготовке, что приводит к минимальной тепловой деформации и зоне термического влияния.

3.Высокая плотность: Небольшое отверстие, заполненное паром высокой температуры, облегчает перемешивание расплавленной ванны и выход газа, что приводит к образованию сварных швов без пор. Высокая скорость охлаждения после сварки также способствует улучшению микроструктуры сварного шва.

4. Прочные сварные швы: Полученные сварные швы прочны и долговечны.

5.Точный контроль: Процесс позволяет точно контролировать параметры сварки.

6.Бесконтактный, атмосферный процесс сварки: Процесс сварки не предполагает прямого контакта и происходит в атмосферной среде.

Преимущества:

1. Высокая скорость сварки и минимальная деформация: Сфокусированный лазерный луч имеет гораздо более высокую плотность мощности по сравнению с обычными методами, что приводит к более высокой скорости сварки, меньшим зонам термического воздействия и меньшим искажениям. Он также позволяет сваривать сложные материалы, такие как титан и кварц.

2. Сокращение времени простоя и повышение эффективности: Простота передачи и управления лучом, а также снижение необходимости частой замены резака или сопла значительно сокращают время простоя для вспомогательных операций, что приводит к повышению эффективности и производительности.

3. Прочные сварные швы с высокими общими характеристиками: Очищающий эффект и высокая скорость охлаждения обеспечивают прочные сварные швы с высокими общими характеристиками.

4. Высокая точность и низкие затраты на доработку: Низкий уровень тепловложения и высокая точность обработки снижают необходимость в доработке, а эксплуатационные расходы на лазерную сварку относительно невелики, что способствует снижению производственных затрат.

5.Простота автоматизации: Процесс упрощает автоматизацию благодаря эффективному контролю интенсивности луча и точному позиционированию.