En guide til grunnleggende lasersveising

Grunnleggende om lasersveising

Lasersveising er en berøringsfri prosess som krever tilgang til sveisesonen fra den ene siden av delene som sveises.

• Sveisen dannes når det intense laserlyset raskt varmer opp materialet, typisk beregnet i millisekunder.

• Det er vanligvis 3 typer sveiser:

– Ledningsmodus.

– Lednings-/penetrasjonsmodus.

– Penetrerings- eller nøkkelhullmodus.

• Sveising i ledningsmodus utføres ved lav energitetthet og danner en sveiseklump som er grunn og bred.

• Konduksjons-/penetrasjonsmodus skjer ved middels energitetthet, og viser mer penetrering enn ledningsmodus.

• Penetrasjons- eller nøkkelhullsveisingen er preget av dype, smale sveiser.

– I denne modusen danner laserlyset en filament av fordampet materiale kjent som et "nøkkelhull" som strekker seg inn i materialet og gir en kanal for at laserlyset effektivt kan leveres inn i materialet.

– Denne direkte leveringen av energi til materialet er ikke avhengig av ledning for å oppnå penetrering, og minimerer derfor varmen inn i materialet og reduserer den varmepåvirkede sonen.

Ledningssveising

• Ledningssammenføyning beskriver en familie av prosesser der laserstrålen er fokusert:

– For å gi en effekttetthet i størrelsesorden 10³ Wmm⁻²

– Den smelter sammen materiale for å lage en skjøt uten betydelig fordamping.

• Ledningssveising har 2 moduser:

– Direkte oppvarming

– Energioverføring.

Direkte varme

• Under direkte oppvarming,

– varmestrømmen styres av klassisk termisk ledning fra en overflatevarmekilde og sveisen lages ved å smelte deler av grunnmaterialet.

• De første ledningssveisene ble laget på begynnelsen av 1-tallet, brukte laveffekt pulsert rubin og CO2 lasere for ledningskontakter.

• Ledningssveiser kan lages i et bredt spekter av metaller og legeringer i form av tråder og tynne plater i ulike konfigurasjoner ved hjelp av.

- CO2 , Nd:YAG og diodelasere med effektnivåer i størrelsesorden titalls watt.

– Direkte oppvarming med en CO2 laserstrålen kan også brukes til rund- og stussveising i polymerplater.

Transmisjonssveising

• Transmisjonssveising er en effektiv måte å sammenføye polymerer som overfører nær infrarød stråling fra Nd:YAG og diodelasere.

• Energien absorberes gjennom nye grenseflateabsorpsjonsmetoder.

• Kompositter kan skjøtes forutsatt at de termiske egenskapene til matrisen og armeringen er like.

• Energioverføringsmodusen for ledningssveising brukes med materialer som overfører nær infrarød stråling, spesielt polymerer.

• Et absorberende blekk er plassert ved grensesnittet til en overlappingsskjøt. Blekket absorberer laserstråleenergien, som ledes inn i en begrenset tykkelse av omgivende materiale for å danne en smeltet grensesnittfilm som stivner som den sveisede skjøten.

• Overlappskjøter med tykke seksjoner kan lages uten å smelte de ytre overflatene av skjøten.

• Stumsveising kan lages ved å rette energien mot skjøtelinjen i en vinkel gjennom materialet på den ene siden av skjøten, eller fra den ene enden hvis materialet er svært transmitterende.

Laserlodding og lodding

• I laserlodde- og loddeprosessene brukes strålen til å smelte en fyllmasse, som fukter kantene på skjøten uten å smelte grunnmaterialet.

• Laserlodding begynte å bli populært på begynnelsen av 1980-tallet for å skjøte ledningene til elektroniske komponenter gjennom hull i trykte kretskort. Prosessparametrene bestemmes av materialegenskapene.

Penetrasjonslasersveising

• Ved høye effekttettheter vil alle materialer fordampe hvis energien kan absorberes. Ved sveising på denne måten dannes det vanligvis et hull ved fordampning.

• Dette "hullet" krysses deretter gjennom materialet med de smeltede veggene tette bak.

• Resultatet er det som er kjent som en "nøkkelhullsveis. Denne kjennetegnes ved sin parallellsidige smeltesone og smale bredde.

Lasersveisingseffektivitet

• Et begrep for å definere dette effektivitetsbegrepet er kjent som "sammenføyningseffektivitet".

• Sammenføyningseffektiviteten er ikke en sann effektivitet ved at den har enheter på (mm2 sammenføyd /kJ levert).

– Effektivitet=Vt/P (resiprok av den spesifikke energien ved skjæring) der V = travershastighet, mm/s; t = tykkelse sveiset, mm; P = innfallseffekt, KW.

Bli med i effektivitet

• Jo høyere sammenføyningseffektiviteten er, jo mindre energi brukes på unødvendig oppvarming.

– Lavere varmepåvirket sone (HAZ).

– Lavere forvrengning.

• Motstandssveising er mest effektivt i denne forbindelse fordi smelte- og HAZ-energien kun genereres ved grensesnittet med høy motstand som skal sveises.

• Laser og elektronstråle har også god effektivitet og høy effekttetthet.

Prosessvariasjoner

• Arc Augmented Laser Welding.

– Buen fra en TIG-brenner montert nær interaksjonspunktet for laserstrålen vil automatisk låse seg på det lasergenererte varmepunktet.

– Temperaturen som kreves for dette fenomenet er rundt 300 °C over omgivelsestemperaturen.

– Effekten er enten å stabilisere en bue som er ustabil på grunn av sin travershastighet eller å redusere motstanden til en bue som er stabil.

– Låsingen skjer kun for lysbuer med lav strøm og derfor langsom katodestråle; det vil si for strømmer mindre enn 80A.

– Buen er på samme side av arbeidsstykket som laseren som tillater dobling av sveisehastigheten for en beskjeden økning i kapitalkostnaden.

• Twin Beam Lasersveising

– Hvis 2 laserstråler brukes samtidig, er det mulighet for å kontrollere sveisebassengets geometri og sveisestrengformen.

– Ved å bruke 2 elektronstråler kan nøkkelhullet stabiliseres, noe som gir færre bølger på sveisebassenget og gir bedre penetrasjon og perleform.

– En excimer og CO2 laserstrålekombinasjon viste forbedret kobling for sveising av materialer med høy reflektivitet, slik som aluminium eller kobber kunne oppnås.

– Den forbedrede koblingen ble hovedsakelig vurdert på grunn av:

• endre refleksjonsevnen ved overflatebølger forårsaket av excimeren.

• en sekundær effekt som oppstår fra kobling gjennom det eksimergenererte plasmaet.