Osnove laserskog zavarivanja
Lasersko zavarivanje je beskontaktni postupak koji zahtijeva pristup zoni zavara s jedne strane dijelova koji se zavaruju.
• Zavar se formira dok intenzivna laserska svjetlost brzo zagrijava materijal - obično se izračunava u milisekundama.
• Obično postoje 3 vrste zavara:
– Način provođenja.
– Način provođenja/prodiranja.
– Način prodiranja ili ključaonice.
• Zavarivanje kondukcijom se izvodi pri niskoj gustoći energije, stvarajući plitki i široki zavar.
• Način provođenja/prodiranja javlja se pri srednjoj gustoći energije i pokazuje veću penetraciju nego način provođenja.
• Zavarivanje prodiranjem ili zavarivanje ključaonicom karakteriziraju duboki uski zavari.
– U ovom načinu rada laserska svjetlost formira nit isparavanog materijala poznatu kao „ključanica“ koja se proteže u materijal i osigurava kanal za učinkovito dovođenje laserske svjetlosti u materijal.
– Ova izravna isporuka energije u materijal ne oslanja se na vodljivost za postizanje prodiranja, te tako minimizira toplinu u materijalu i smanjuje zonu utjecaja topline.
Provodno zavarivanje
• Kondukcijsko spajanje opisuje skupinu procesa u kojima je laserska zraka fokusirana:
– Da bi se postigla gustoća snage reda veličine 10³ Wmm⁻²
– Spaja materijal stvarajući spoj bez značajnog isparavanja.
• Kondukcijsko zavarivanje ima 2 načina rada:
– Izravno grijanje
– Prijenos energije.
Izravna toplina
• Tijekom izravnog zagrijavanja,
– toplinski tok reguliran je klasičnim toplinskim provođenjem iz površinskog izvora topline, a zavar se izvodi taljenjem dijelova osnovnog materijala.
• Prvi kondukcijski zavari napravljeni su početkom 1-ih, korišten je pulsirajući rubin niske snage i CO2 laseri za žičane konektore.
• Kondukcijski zavari mogu se izvesti u širokom rasponu metala i legura u obliku žica i tankih limova u raznim konfiguracijama.
- CO2 , Nd:YAG i diodni laseri snage reda veličine nekoliko desetaka vata.
– Izravno grijanje pomoću CO2 Laserska zraka se također može koristiti za preklopne i sučeone zavare u polimernim pločama.
Transmisijsko zavarivanje
• Transmisijsko zavarivanje je učinkovit način spajanja polimera koji prenose blisko infracrveno zračenje Nd:YAG i diodnih lasera.
• Energija se apsorbira novim metodama apsorpcije na granici faza.
• Kompoziti se mogu spajati pod uvjetom da su toplinska svojstva matrice i armature slična.
• Način prijenosa energije kondukcijskog zavarivanja koristi se s materijalima koji prenose blisko infracrveno zračenje, posebno s polimerima.
• Apsorbirajuća tinta se postavlja na spoj preklopljenog spoja. Tinta apsorbira energiju laserske zrake, koja se provodi u ograničenu debljinu okolnog materijala stvarajući rastaljeni film na površini koji se skrućuje kao zavareni spoj.
• Spojevi s debelim preklopom mogu se izvesti bez taljenja vanjskih površina spoja.
• Sučeono zavarivanje može se izvesti usmjeravanjem energije prema liniji spoja pod kutom kroz materijal na jednoj strani spoja ili s jednog kraja ako je materijal visoko transmisivan.
Lasersko lemljenje i tvrdo lemljenje
• U postupcima laserskog lemljenja i tvrdog lemljenja, snop se koristi za taljenje dodatka punila, koji vlaži rubove spoja bez taljenja osnovnog materijala.
• Lasersko lemljenje počelo je dobivati na popularnosti početkom 1980-ih za spajanje vodova elektroničkih komponenti kroz rupe u tiskanim pločama. Parametri procesa određeni su svojstvima materijala.
Penetracijsko lasersko zavarivanje
• Pri visokim gustoćama snage svi će materijali isparavati ako se energija može apsorbirati. Stoga se pri zavarivanju na ovaj način obično stvara rupa isparavanjem.
• Ova "rupa" se zatim probija kroz materijal, a rastaljene stijenke se zatvaraju iza nje.
• Rezultat je ono što je poznato kao "zavar ključanice". Karakterizira ga paralelna zona taljenja i uska širina.
Učinkovitost laserskog zavarivanja
• Pojam koji definira ovaj koncept učinkovitosti poznat je kao "učinkovitost spajanja".
• Učinkovitost spajanja nije prava učinkovitost jer se mjeri u jedinicama (mm2 spojenog /kJ isporučenog).
– Učinkovitost = Vt/P (recipročna vrijednost specifične energije rezanja) gdje je V = brzina pomicanja, mm/s; t = debljina zavara, mm; P = ulazna snaga, KW.
Učinkovitost spajanja
• Što je veća vrijednost stupnja korisnosti spajanja, to se manje energije troši na nepotrebno zagrijavanje.
– Donja zona utjecaja topline (ZUT).
– Manja distorzija.
• Otporno zavarivanje je u tom pogledu najučinkovitije jer se energija taljenja i ZUT-a stvara samo na visokootpornom spoju koji se zavaruje.
• Laserska i elektronska zraka također imaju dobru učinkovitost i visoku gustoću snage.
Varijacije procesa
• Zavarivanje laserom s pojačanim elektrolučnim djelovanjem.
– Luk iz TIG gorionika postavljenog blizu točke interakcije laserske zrake automatski će se zaključati na laserski generiranu vruću točku.
– Temperatura potrebna za ovaj fenomen je oko 300°C viša od temperature okoline.
– Učinak je ili stabilizacija luka koji je nestabilan zbog brzine kretanja ili smanjenje otpora luka koji je stabilan.
– Zaključavanje se događa samo za lukove s niskom strujom i stoga sporim katodnim mlazom; to jest, za struje manje od 80 A.
– Luk se nalazi na istoj strani obratka kao i laser, što omogućuje udvostručenje brzine zavarivanja uz umjereno povećanje kapitalnih troškova.
• Dvostruko lasersko zavarivanje
– Ako se istovremeno koriste 2 laserske zrake, postoji mogućnost kontrole geometrije zavarivačke kupke i oblika zavarnog zrna.
– Korištenjem 2 elektronska snopa, ključanica se mogla stabilizirati, što je uzrokovalo manje valova na zavarivačkom bazenu i dalo bolji prodor i oblik zavara.
– Eksimer i CO2 Kombinacija laserskih snopa pokazala je poboljšano spajanje za zavarivanje materijala visoke refleksije, poput aluminija ili bakra.
– Poboljšano spajanje razmatrano je uglavnom zbog:
• mijenjanje reflektivnosti površinskim valovitošću uzrokovanom eksimerom.
• sekundarni učinak koji nastaje spajanjem kroz plazmu generiranu eksimerom.
