Πώς λειτουργεί η συγκόλληση λέιζερ;

Βασική φυσική: Πώς η ενέργεια λέιζερ δημιουργεί συγκόλληση

Απορρόφηση ενέργειας, κατώφλι τήξης και θερμική αντίδραση υλικού

Όταν ξεκινά η συγκόλληση με λέιζερ, αυτά τα έντονα φωτόνια χτυπούν την επιφάνεια του μετάλλου και μεταφέρουν την ενέργειά τους στα ηλεκτρόνια εντός του. Αρχικά, τα μέταλλα δεν απορροφούν πολύ από αυτό το φως κοντινού υπερύθρου, αντανακλώντας στην πραγματικότητα από 50 έως 90 τοις εκατό αυτού. Αλλά τα πράγματα αλλάζουν δραματικά όταν η τήξη ξεκινά γύρω στους 1500 βαθμούς Κελσίου στα υλικά χάλυβα. Η ικανότητα απορρόφησης ενέργειας αυξάνεται περίπου δέκα φορές κατά τη διάρκεια αυτής της μετάβασης φάσης. Αυτό που καθιστά δυνατό όλο αυτό εξαρτάται κυρίως από την πυκνότητα ισχύος. Οι περισσότεροι μηχανικοί κράματοι θα αρχίσουν να τήκονται με αξιοπιστία όταν εκτίθενται σε περισσότερο από ένα εκατομμύριο βατς ανά τετραγωνικό εκατοστό. Η θερμική αγωγιμότητα διαδραματίζει επίσης σημαντικό ρόλο στον προσδιορισμό της ποσότητας ενέργειας που απαιτείται. Πάρτε για παράδειγμα το χαλκό, ο οποίος έχει θερμική αγωγιμότητα 401 βατς ανά μέτρο Κέλβιν σε σύγκριση με μόλις 22 βατς ανά μέτρο Κέλβιν για το τιτάνιο. Αυτό σημαίνει ότι ο χαλκός χρειάζεται περίπου τρεις φορές περισσότερη ενέργεια για να επιτευχθούν παρόμοια βάθη τήξης. Για να διατηρηθεί η ποιότητα της συγκόλλησης, απαιτείται προσεκτικός έλεγχος της θερμοκρασίας. Εάν οι μέγιστες θερμοκρασίες ξεπεράσουν το 80 τοις εκατό της θερμοκρασίας που απαιτείται για την εξάτμιση του υλικού, προκύπτουν προβλήματα λόγω υπερβολικής επέκτασης ατμών, δημιουργώντας ανεπιθύμητη πορώδη δομή στο τελικό προϊόν.

Λειτουργία Αγωγής έναντι Λειτουργίας Κλειδότρυπας: Πότε και γιατί εμφανίζεται η κάθε μία

Η επιλογή λειτουργίας συγκόλλησης αντικατοπτρίζει μια βασική ανταλλαγή μεταξύ ελέγχου και διείσδυσης:

Στη συγκόλληση με τρόπο αγωγιμότητας, η θερμότητα διαδίδεται πλαγίως μέσω του υλικού, κάνοντάς την ιδανική για τη σφράγιση θηκών μπαταριών όπου χρειαζόμαστε χαμηλή είσοδο θερμότητας. Όταν η ένταση αυξάνεται, μπαίνουμε στη λειτουργία οπής. Η τάση ατμών ουσιαστικά δημιουργεί μια προσωρινή οπή στο μέταλλο, επιτρέποντας στην ακτίνα λέιζερ να διεισδύσει βαθύτερα στο τεμάχιο. Αυτή η μέθοδος μπορεί να χειριστεί συγκολλήσεις ενός περασματός ακόμη και σε παχύ χαλύβδινο υλικό κατασκευής πλοίων περίπου 15 mm, αν και οι χειριστές πρέπει να ελέγχουν προσεκτικά τις παραμέτρους τους. Η θέση της δέσμης έχει μεγάλη σημασία, όπως και τα επίπεδα ισχύος και η ταχύτητα με την οποία μετακινούν το καρφί. Αν η οπή καταρρεύσει κατά τη διάρκεια της συγκόλλησης, κάτι που συμβαίνει αρκετά συχνά σε βιομηχανικά περιβάλλοντα, δημιουργούνται οι ενοχλητικοί πόροι που αδυνατίζουν το τελικό προϊόν και απαιτούν επανεργασία.

Βασικά Συστατικά Μηχανής Συγκόλλησης Λέιζερ

Πηγή Ινών Λέιζερ: Άντληση, Ενισχυτικό Μέσο και Δημιουργία Δέσμης

Οι ινοειδείς λέιζερ δημιουργούν φωτεινό, εστιασμένο φως όταν αντλούν ειδικές οπτικές ίνες που περιέχουν γαίες ύλες χρησιμοποιώντας ημιαγωγούς διόδους. Η διαδικασία περιλαμβάνει εξαναγκασμένη εκπομπή μέσα σε αυτά τα ενισχυτικά μέσα, με αποτέλεσμα ένα σταθερό λέιζερ μήκους κύματος περίπου 1.060 έως 1.080 νανομέτρων. Αυτή η περιοχή μήκους κύματος αντιστοιχεί στο σημείο όπου οι περισσότεροι μέταλλοι απορροφούν την ενέργεια πιο αποτελεσματικά, κάνοντάς το ιδανικό για βιομηχανικές εφαρμογές. Επίσης, η ποιότητα της δέσμης έχει μεγάλη σημασία. Όταν μετρηθεί ως τιμές M τετράγωνο κάτω από 1,1, καλύτερη ποιότητα δέσμης σημαίνει ότι μπορούμε να εστιάσουμε το λέιζερ σε μικρότερες περιοχές και να επιτύχουμε βαθύτερη διείσδυση υλικού κατά τις επιχειρήσεις κοπής ή συγκόλλησης. Ο έλεγχος της θερμότητας δεν είναι κάτι που μπορούν να αγνοήσουν οι κατασκευαστές. Αν η θερμοκρασία αυξηθεί υπερβολικά, η έξοδος ισχύος μειώνεται σημαντικά — περίπου 15% για κάθε αύξηση 10 βαθμών Κελσίου πέρα από το σχεδιασμένο, σύμφωνα με έρευνα που δημοσιεύθηκε στο Material Processing Journal πέρυσι.

Μεταφορά Δέσμης, Εστιακά Οπτικά και Έλεγχος Πυκνότητας Ισχύος

Οι λέιζερ δέσμες κινούνται μέσω εύκαμπτων οπτικών ινών για να φτάσουν σε διάφορα εξαρτήματα παράδοσης, όπως προστατευτικά παράθυρα, κολιματόρες, σαρωτές γαλβανόμετρου και ειδικούς φακούς F-theta που βοηθούν στο σχηματισμό και την εστίαση της δέσμης σε κηλίδες μόλις 20 μικρομέτρων. Όταν λειτουργούν σε λειτουργία οπής-κλειδαριάς, αυτά τα λέιζερ παράγουν πυκνότητες ισχύος πάνω από 1 εκατομμύριο βατ ανά τετραγωνικό εκατοστό, γεγονός που σημαίνει ουσιαστικά ότι τα υλικά εξατμίζονται σχεδόν αμέσως. Η αλλαγή της απόστασης εστίασης του λέιζερ ή η χρήση τεχνικών όπως η κυκλική ταλάντωση βοηθά στη διατήρηση της σταθερότητας της λειωμένης λίμνης κατά τη συγκόλληση και μειώνει την ανεπιθύμητη σπινθορισμό. Για παράδειγμα, οι ρυθμίσεις εστιακού μήκους: η μείωσή τους αυξάνει την πυκνότητα ισχύος κατά περίπου 40 τοις εκατό, αλλά δημιουργεί στενότερα ανοχές για το βάθος εστίασης. Αυτό απαιτεί πολύ ακριβή συστήματα ελέγχου κίνησης για τη διατήρηση καλής ποιότητας συγκόλλησης σε διαφορετικά εξαρτήματα.

Διαδικασία Δημιουργίας Συγκόλλησης: Από την Εστίαση έως τη Δημιουργία Στερεού Συνδέσμου

Δυναμική Λειωμένης Λίμνης, Σταθερότητα Οπής-Κλειδαριάς και Μικροδομή Στερεοποίησης

Όταν η δέσμη λέιζερ πέφτει στο υλικό, θερμαίνει γρήγορα την περιοχή πέρα από το σημείο τήξης του, δημιουργώντας μια λίμνη υγρού μετάλλου που συμπεριφέρεται διαφορετικά ανάλογα με τη λειτουργία συγκόλλησης. Στη συγκόλληση με οπή κλειδιού, η πίεση των ατμών δημιουργεί μια βαθιά και στενή οπή, η οποία μερικές φορές φτάνει τα 25 mm σε βάθος. Η σταθερότητα αυτής της κοιλότητας είναι κρίσιμη όσον αφορά τα ελαττώματα, γιατί όταν καταρρέει, η ταραχώδης κίνηση μπορεί να δημιουργήσει πόρους σε περίπου το 12% όλων των συγκολλήσεων παραγωγής, σύμφωνα με έρευνα του Journal of Materials Processing πέρυσι. Η συγκόλληση με τρόπο αγωγής δημιουργεί πολύ επιφανειακότερες λίμνες που παραμένουν σχετικά ήρεμες, χωρίς ιδιαίτερη κίνηση υγρού. Καθώς το λέιζερ κινείται, το μέταλλο αρχίζει να στερεοποιείται σχεδόν αμέσως, αφού ο ρυθμός ψύξης ξεπερνά τους ένα εκατομμύριο βαθμούς ανά δευτερόλεπτο. Αυτή η εξαιρετικά γρήγορη ψύξη βοηθά στη βελτίωση της δομής των κόκκων και μειώνει τις εύθραυστες μεταλλικές ενώσεις που αδυνατίζουν τις συνδέσεις. Δοκιμές δείχνουν ότι αυτό κάνει τα συγκολλημένα εξαρτήματα περίπου 30% πιο πλάστικα από παρόμοια εκείνα που κατασκευάζονται με παραδοσιακές μεθόδους τόξου συγκόλλησης. Το να επιτευχθούν καλά αποτελέσματα εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τον έλεγχο τόσο του σχήματος της οπής-κλειδιού όσο και του ρυθμού ψύξης, γι’ αυτό η σωστή ρύθμιση του συστήματος συγκόλλησης με λέιζερ καθορίζει τόσο πολύ αν θα έχουμε ομοιόμορφους κόκκους ή προβληματικές δενδριτικές δομές που συγκεντρώνουν τάσεις.

Γιατί η λέιζερ συγκόλληση παρέχει ακρίβεια και απόδοση

Η λέιζερ συγκόλληση γίνεται τόσο ακριβής επειδή εστιάζει αυτό το συμφασικό φως σε πολύ μικρές κηλίδες, μερικές φορές λιγότερο από 0,1 mm πλάτος, και διατηρεί την απόκλιση της δέσμης κάτω από 0,1 μοίρες. Αυτό δημιουργεί πυκνότητες ισχύος πάνω από 1 MW ανά τετραγωνικό εκατοστό, επιτρέποντας στα υλικά να λιώνουν γρήγορα ακριβώς εκεί που χρειάζεται, ενώ διατηρεί τη θερμικά επηρεαζόμενη περιοχή εξαιρετικά μικρή, περίπου μισό χιλιοστό σε σύγκριση με 5 έως 15 mm όταν χρησιμοποιούνται παραδοσιακές μέθοδοι τόξου συγκόλλησης. Το αποτέλεσμα; Τα εξαρτήματα παραμένουν σχεδόν απαραμόρφωτα, οι αρχικές μεταλλικές τους ιδιότητες διατηρούνται ανέπαφες, και ακόμη και δύσκολα κράματα όπως το αλουμίνιο-λίθιο ή το nitinol μπορούν να επεξεργαστούν χωρίς προβλήματα. Τα σύγχρονα συστήματα διαθέτουν τώρα εντυπωσιακά χαρακτηριστικά όπως την ταλάντωση δέσμης και το σχηματισμό παλμών, τα οποία ελέγχουν πραγματικά τη ροή και τη στερεοποίηση του τήγματος κατά τη διάρκεια της διαδικασίας. Όταν συνδυάζονται με ρομποτικά βραχίονες, οι συγκολλητές λέιζερ μπορούν να παράγουν συνεπείς, ισχυρές συνδέσεις με εκπληκτικές ταχύτητες πάνω από 100 mm ανά δευτερόλεπτο, κάνοντάς τους 2 έως 10 φορές ταχύτερους από τις τεχνικές TIG ή MIG συγκόλλησης. Αυτά τα συστήματα αντιμετωπίζουν επίσης όλες τις δύσκολες θέσεις και διαφορετικούς συνδυασμούς υλικών, όπως η σύνδεση χαλκού με αλουμίνιο, ενώ διαχειρίζονται προσεκτικά τα ενοχλητικά ενδομεταλλικά στρώματα. Οι κατασκευαστές σε κάθε βιομηχανία, από εξαρτήματα αεροδιαστημικής έως ιατρικές συσκευές και ηλεκτρικά οχήματα (EV), βλέπουν λιγότερα ελαττωματικά εξαρτήματα, μειωμένη ανάγκη για τελικές επεξεργασίες και καλύτερα συνολικά μέτρα παραγωγικότητας.