Основы лазерной сварки: освоение бесконтактных технологий плавки

Основы лазерной сварки

Лазерная сварка — это бесконтактный процесс, требующий доступа к зоне сварки с одной стороны свариваемых деталей.

• Шов формируется по мере того, как интенсивный лазерный свет быстро нагревает материал — обычно рассчитывается в миллисекундах.

• Обычно существует три типа швов:

– Режим проводимости.

– Режим проводимости/прогревания.

– Режим проникновения или ключевой отверстия.

• Сварка в режиме проводимости выполняется при низкой плотности энергии, образуя неглубокий и широкий шов.

• Режим проводимости/прогревания происходит при средней плотности энергии и показывает большее проникновение, чем режим проводимости.

• Режим проникновения или ключевого отверстия характеризуется глубокими узкими швами.

– В этом режиме лазерный свет образует нить испаряемого материала, известную как «ключевое отверстие», которая проникает в материал и обеспечивает проводник для эффективной доставки лазерного света в материал.

– Эта прямая доставка энергии в материал не полагается на проводимость для достижения проникновения, и поэтому минимизирует тепло в материале и уменьшает зону теплового воздействия.

Сварка проводимостью

• Сварка проводимостью описывает семейство процессов, в которых лазерный луч фокусируется:

– Для обеспечения плотности мощности порядка 10³ Вт/мм²

– Она расплавляет материал для создания соединения без значимого испарения.

• Сварка проводимостью имеет два режима:

– Прямой нагрев

– Передача энергии.

Прямой нагрев

• Во время прямого нагрева,

– тепловой поток управляется классической теплопроводностью от поверхностного источника тепла, и шов делается плавлением частей основного материала.

• Первые сварки проводимостью были сделаны в начале 1960-х, использовали низкоэнергетические импульсные рубиновые и CO2 лазеры для проводниковых соединителей.

• Сварки проводимостью можно делать в широком спектре металлов и сплавов в виде проводов и тонких листов в различных конфигурациях, используя

– CO2, Nd:YAG и диодные лазеры с уровнями мощности порядка десятков ватт.

– Прямой нагрев пучком CO2 лазера также можно использовать для накладных и стыковых швов в полимерных листах.

Передаточная сварка

• Передаточная сварка — эффективное средство соединения полимеров, передающих ближнее инфракрасное излучение Nd:YAG и диодных лазеров.

• Энергия поглощается через новые интерфейсные методы поглощения.

• Композиты могут соединяться при условии, что термические свойства матрицы и армирования похожи.

• Режим передачи энергии сварки проводимостью используется с материалами, передающими ближнее инфракрасное излучение, особенно полимерами.

• Поглощающие чернила помещают на интерфейс накладного шва. Чернила поглощают энергию лазерного пучка, которая проводится в ограниченную толщину окружающего материала для формирования расплавленной интерфейсной пленки, которая твердеет как сваренный шов.

• Толстые накладные швы могут быть сделаны без плавления внешних поверхностей шва.

• Стыковые швы могут быть сделаны направлением энергии к линии шва под углом через материал с одной стороны шва, или с одного конца, если материал высокопроницаем.

Лазерная пайка и бразинг

• В процессах лазерной пайки и бразинга луч используется для плавления наполнительного добавления, которое смачивает края шва без плавления основного материала.

• Лазерная пайка начала набирать популярность в начале 1980-х для соединения выводов электронных компонентов через отверстия в печатных платах. Параметры процесса определяются свойствами материала.

Лазерная сварка с проникновением

• При высоких плотностях мощности все материалы будут испаряться, если энергия может быть поглощена. Таким образом, при сварке таким образом обычно образуется отверстие испарением.

• Это «отверстие» затем проходится через материал с расплавленными стенками, замыкающимися за ним.

• Результат — так называемый «ключевой шов». Он характеризуется параллельными боковыми зонами плавления и узкой шириной.

Эффективность лазерной сварки

• Термин для определения этого понятия эффективности известен как «эффективность соединения».

• Эффективность соединения не является истинной эффективностью, так как у нее единицы (мм² соединено / кДж поставлено).

– Эффективность = V·t / P (обратная удельной энергии при резке), где V = скорость перемещения, мм/с; t = толщина сваренного, мм; P = инцидентная мощность, кВт.

Эффективность соединения

• Чем выше значение эффективности соединения, тем меньше энергии тратится на ненужный нагрев.

– Меньшая зона теплового воздействия (ЗТВ).

– Меньшие деформации.

• Сопротивленная сварка наиболее эффективна в этом отношении, потому что энергия плавления и ЗТВ генерируется только на высокоомном интерфейсе для сварки.

• Лазер и электронный луч также имеют хорошие эффективности и высокие плотности мощности.

Вариации процесса

• Дугово-усиленная лазерная сварка.

– Дуга от TIG-горрелки, смонтированной близко к точке взаимодействия лазерного пучка, автоматически захватывает лазерно-генерированную горячую точку.

– Температура, необходимая для этого феномена, около 300 °C выше окружающей температуры.

– Эффект либо стабилизирует неустойчивую дугу из-за ее скорости перемещения, либо снижает сопротивление устойчивой дуги.

– Захват происходит только для дуг с низким током и поэтому медленным катодным струем; то есть для токов менее 80 А.

– Дуга находится на той же стороне детали, что и лазер, что позволяет удвоить скорость сварки при незначительном увеличении капитальных затрат.

• Двухлучевая лазерная сварка

– Если используются два лазерных луча одновременно, то есть возможность контроля геометрии ванны плавления и формы шва.

– Используя два электронных пучка, ключевое отверстие может быть стабилизировано, вызывая меньше волн на ванне плавления и давая лучшее проникновение и форму шва.

– Комбинация эксимерного и CO2 лазерного пучка показала улучшенное сцепление для сварки высокорефлективных материалов, таких как алюминий или медь.

– Улучшенное сцепление считалось в основном обусловленным:

• изменением отражательной способности путем рябления поверхности, вызванного эксимером.

• второстепенным эффектом от сцепления через плазму, сгенерированную эксимером.