En guide til det grundlæggende i lasersvejsning

Grundlæggende om lasersvejsning

Lasersvejsning er en berøringsfri proces, der kræver adgang til svejsezonen fra den ene side af de dele, der svejses.

• Svejsningen dannes, da det intense laserlys hurtigt opvarmer materialet - typisk beregnet i millisekunder.

• Der er typisk 3 typer svejsninger:

– Ledningstilstand.

– Conduction/penetration mode.

– Penetration eller nøglehulstilstand.

• Svejsning i ledningstilstand udføres ved lav energitæthed og danner en svejseklump, der er flad og bred.

• Conduction/penetration mode forekommer ved middel energitæthed og viser mere penetration end conduction mode.

• Penetrations- eller nøglehulssvejsning er karakteriseret ved dybe smalle svejsninger.

– I denne tilstand danner laserlyset en glødetråd af fordampet materiale, kendt som et "nøglehul", der strækker sig ind i materialet og giver en ledning til, at laserlyset effektivt kan leveres ind i materialet.

– Denne direkte levering af energi til materialet er ikke afhængig af ledning for at opnå penetration, og minimerer derfor varmen ind i materialet og reducerer den varmepåvirkede zone.

Ledningssvejsning

• Ledningssammenføjning beskriver en familie af processer, hvor laserstrålen er fokuseret:

– At give en effekttæthed i størrelsesordenen 10³ Wmm⁻²

– Det smelter materiale sammen for at skabe en samling uden væsentlig fordampning.

• Ledningssvejsning har 2 tilstande:

– Direkte opvarmning

– Energitransmission.

Direkte varme

• Under direkte opvarmning,

– varmestrømmen er styret af klassisk termisk ledning fra en overfladevarmekilde, og svejsningen er lavet ved at smelte dele af basismaterialet.

• De første ledningssvejsninger blev lavet i begyndelsen af 1'erne, brugte laveffekt pulseret rubin og CO2 lasere til ledningsforbindelser.

• Ledningssvejsninger kan laves i en lang række metaller og legeringer i form af tråde og tynde plader i forskellige konfigurationer vha.

- CO2 , Nd:YAG og diodelasere med effektniveauer i størrelsesordenen titusinder af watt.

– Direkte opvarmning ved en CO2 laserstråle kan også bruges til lap- og stødsvejsninger i polymerplader.

Transmission svejsning

• Transmissionssvejsning er et effektivt middel til at forbinde polymerer, der transmitterer den nære infrarøde stråling fra Nd:YAG og diodelasere.

• Energien absorberes gennem nye grænsefladeabsorptionsmetoder.

• Kompositmaterialer kan sammenføjes, forudsat at de termiske egenskaber af matrix og armering er ens.

• Energitransmissionsmetoden til ledningssvejsning bruges med materialer, der transmitterer nær infrarød stråling, især polymerer.

• En absorberende blæk er placeret ved grænsefladen af en lapsamling. Blækket absorberer laserstråleenergien, som ledes ind i en begrænset tykkelse af omgivende materiale for at danne en smeltet grænsefladefilm, der størkner som den svejste samling.

• Overfladesamlinger i tykke sektioner kan laves uden at smelte fugens ydre overflader.

• Stumsvejsninger kan laves ved at lede energien mod fugelinjen i en vinkel gennem materiale på den ene side af samlingen, eller fra den ene ende, hvis materialet er meget transmissivt.

Laserlodning og slaglodning

• I laserlodde- og slaglodningsprocesserne bruges strålen til at smelte en fyldstoftilsætning, som befugter samlingens kanter uden at smelte grundmaterialet.

• Laserlodning begyndte at vinde popularitet i begyndelsen af 1980'erne for at forbinde elektroniske komponenters ledninger gennem huller i printkort. Procesparametrene er bestemt af materialeegenskaberne.

Penetration Lasersvejsning

• Ved høje effekttætheder vil alle materialer fordampe, hvis energien kan absorberes. Ved svejsning på denne måde dannes der normalt et hul ved fordampning.

• Dette "hul" føres derefter gennem materialet med de smeltede vægge tætnede bagved.

• Resultatet er, hvad der er kendt som en "nøglehulssvejsning. Denne er kendetegnet ved sin parallelsidede smeltezone og smalle bredde.

Lasersvejsningseffektivitet

• Et udtryk til at definere dette effektivitetsbegreb er kendt som "sammenføjningseffektiviteten".

• Sammenføjningseffektiviteten er ikke en sand effektivitet, idet den har enheder på (mm2 sammenføjet /kJ leveret).

– Virkningsgrad=Vt/P (den reciproke af den specifikke energi ved skæring), hvor V = gennemløbshastighed, mm/s; t = tykkelse svejset, mm; P = indfaldseffekt, KW.

Deltag i effektivitet

• Jo højere værdien af sammenføjningseffektiviteten er, jo mindre energi bruges på unødvendig opvarmning.

– Lavere varmepåvirket zone (HAZ).

– Lavere forvrængning.

• Modstandssvejsning er mest effektiv i denne henseende, fordi fusions- og HAZ-energien kun genereres ved grænsefladen med høj modstand, der skal svejses.

• Laser og elektronstråle har også gode virkningsgrader og høje effekttætheder.

Procesvariationer

• Arc Augmented Laser Welding.

– Buen fra en TIG-brænder monteret tæt på laserstråleinteraktionspunktet vil automatisk låse på det lasergenererede hotspot.

– Den nødvendige temperatur til dette fænomen er omkring 300°C over den omgivende temperatur.

– Effekten er enten at stabilisere en lysbue, som er ustabil på grund af dens travershastighed, eller at reducere modstanden af en lysbue, som er stabil.

– Låsningen sker kun for lysbuer med lav strøm og derfor langsom katodestråle; det vil sige for strømme mindre end 80A.

– Buen er på samme side af emnet som laseren, hvilket tillader en fordobling af svejsehastigheden for en beskeden stigning i kapitalomkostningerne.

• Twin Beam Lasersvejsning

– Hvis der bruges 2 laserstråler samtidigt, er der mulighed for at styre svejsebadets geometri og svejsestrengformen.

– Ved hjælp af 2 elektronstråler kunne nøglehullet stabiliseres, hvilket forårsager færre bølger på svejsebassinet og giver en bedre indtrængning og perleform.

– En excimer og CO2 laserstrålekombination viste, at forbedret kobling til svejsning af materialer med høj reflektivitet, såsom aluminium eller kobber, kunne opnås.

– Den forbedrede kobling blev overvejet primært på grund af:

• ændring af reflektionsevnen ved overfladebølger forårsaget af excimeren.

• en sekundær effekt, der opstår fra kobling gennem det excimer-genererede plasma.