Kuinka laserhitsaus toimii?

Ydin­fysiikka: kuinka laser­energia luo hitsi­auksen

Energian absorptio, sulamis­kynnykset ja materiaalin lämpö­vaste

Kun laserhitsaus alkaa, ne voimakkaat fotonit osuvat metallin pintaan ja siirtävät energiansa sisällä oleville elektroneille. Aluksi metallit eivät absorboi paljoa tätä lähialasävyistä valoa, vaan heijastavat itse asiassa 50–90 prosenttia siitä. Mutta tilanne muuttuu dramaattisesti, kun sulaminen käynnistyy noin 1500 asteen lämpötilassa teräksissä. Energian absorptiokyky nousee noin kymmenkertaiseksi tämän faasimuutoksen aikana. Sen, mikä kaiken tämän aiheuttaa, määräytyy suurelta osin tehotiheydestä. Useimmat tekniset seokset alkavat sulaamaan luotettavasti, kun niitä altistetaan yli miljoonalle vatiin neliösenttimetriä kohti. Lämpöjohtavuus vaikuttaa myös merkittävästi tarvittavan energiamäärän määrään. Otetaan esimerkiksi kupari, jonka lämpöjohtavuus on 401 wattiä metri-kelvinia kohti verrattuna vain 22 wattiin metri-kelvinia kohti titaanissa. Tämä tarkoittaa, että kuparille tarvitaan noin kolme kertaa enemmän energiaa saavuttaakseen samankaltaiset sulamissyvyydet. Hitsauslaadun ylläpitäminen edellyttää huolellista lämpötilan säätöä. Jos huippulämpötilat nousevat yli 80 prosenttia materiaalin höyrystymiseen tarvittavasta lämpötilasta, syntyy ongelmia liiallisen höyrynpaineen vuoksi, mikä luo epätoivottua huokoisuutta lopputuotteeseen.

Konduktiomuoto vs. avannemuoto: Milloin ja miksi kumpikin esiintyy

Hitsausmenetelmän valinta heijastaa perustavanlaatuista kompromissia hallinnan ja läpäisyn välillä:

Johtumistilassa hitsausta lämpö leviää sivusuunnassa materiaalin läpi, mikä tekee siitä erinomaisen vaihtoehdon akkukotelojen tiivistykseen, jossa halutaan pitää lämmöntuotto alhaisena. Kun intensiteetti nousee, siirrytään niin sanottuun avainreikätilaan. Höyrynpaine porautuu metalliin väliaikaisen reiän, jonka ansiosta laserkeila pääsee syvemmälle työkappaleeseen. Tämä menetelmä kestää yksittäisen hitsausvaiheen jopa noin 15 mm paksussa laivanrakennusteräksessä, vaikka käyttäjien on seurattava tarkasti prosessiparametreja. Säteen sijainti on erittäin tärkeä, samoin tehontaso ja polttimen liikenopeus. Jos avainreikä romahtaa hitsauksen aikana, mikä tapahtuu yllättävän usein tehdasympäristöissä, syntyy epämiellyttäviä huokosia, jotka heikentävät lopputuotetta ja johtavat uudelleenkorjauksiin.

Laserhitsauskoneen keskeiset komponentit

Kuitulaserlähde: Pumpattu, voimistusväliaine ja säteen generointi

Kuitulaserit tuottavat kirkasta, tarkasti keskitettyä valoa, kun puolijohdelaakereilla pumpataan harvinaisia maametalleja sisältäviä erityisiä optisia kuituja. Tämä prosessi perustuu stimuloidtuun emissioon näissä vahvistusväliaineissa, mikä johtaa noin 1 060–1 080 nanometrin aallonpituudella olevaan stabiiliin laserkeilaan. Tämä aallonpituusalue vastaa kohtaa, jossa suurin osa metalleista absorboi energiaa tehokkaimmin, mikä tekee siitä ihanteellisen teollisiin sovelluksiin. Säteen laatu on myös erittäin tärkeää. Kun se mitataan alle 1,1:n oleviksi M²-arvoiksi, parempi säteen laatu tarkoittaa, että laser voidaan keskittää pienemmille alueille ja saavuttaa syvempi materiaaliläpäisy leikkaus- tai hitsausoperaatioissa. Myöskään lämpötilanhallinta ei ole asia, jota valmistajat voivat sivuuttaa. Jos lämpötila nousee liian korkeaksi, lähtöteho laskee merkittävästi – noin 15 % jokaista 10 celsiusasteen nousua kohti suunniteltua yläpuolella, kuten viime vuonna Material Processing Journal -julkaisussa julkaistussa tutkimuksessa todettiin.

Säteen siirto, keskitysoptiikka ja tehontiheyden säätö

Laser säteet liikkuvat joustavissa optisissa kuiduissa saavuttaakseen erilaisia toimituskomponentteja, kuten suojapintoja, kollimaattoreita, galvanometrisiä skannereita ja niitä erikoistuneita F-theta-linssejä, jotka auttavat muotoilemaan ja keskittämään säteen paikkoihin, joiden halkaisija on vain 20 mikrometriä. Toimiessaan avo-orvotilassa nämä laserit tuottavat tehotiheyksiä yli 1 megawattia neliösenttimetrillä, mikä tarkoittaa käytännössä sitä, että materiaalit höyrystyvät melkein välittömästi. Säteen polttovälin muuttaminen tai pyöreän heilahduksen kaltaiset tekniikat auttavat pitämään sulan allasta stabiilina hitsauksen aikana ja vähentävät epätoivottua roiskehtimista. Otetaan esimerkiksi polttovälin säätö: sen lyhentäminen lisää tehotiheyttä noin 40 prosenttia, mutta luo tiukempia toleransseja syvyyden keskitykselle. Tämä edellyttää erittäin tarkkoja liikeohjausjärjestelmiä, jotta voidaan ylläpitää hyvää hitsaalaatua eri osien aikana.

Hitsin muodostusprosessi: Valaistuksesta kiinteään liitokseen

Sulanta-allasdynamiikka, avo-orvon stabiilius ja jähmettyvä mikrorakenne

Kun laserkeila osuu materiaaliin, se lämmittää alueen nopeasti sulamispisteen yli, luoden sulan altaan, jonka käyttäytyminen vaihtelee hitsausmenetelmän mukaan. Reikätunnelihitsauksessa höyrynpaine luo syvän ja kapean reiän, joka saattaa joskus ulottua jopa 25 mm:n syvyyteen. Tämän kaviteetin vakaus on erittäin tärkeää virheiden kannalta, sillä sen liiallinen romahtaminen voi aiheuttaa turbulenssia, joka synnyttää huokoisuuden noin 12 %:ssa kaikista tuotantohitsauksista viime vuonna Journal of Materials Processingin tutkimuksen mukaan. Johtumishitsaus johtaa paljon pintaisempiin allaskuviin, jotka pysyvät suhteellisen rauhallisina eivätkä sisällä runsaasti virtausta. Kun laser etenee, metalli alkaa jähmettyä lähes välittömästi, koska jäähdytysnopeus on yli miljoona astetta sekunnissa. Tämä erittäin nopea jäähdytys parantaa rakeiden rakennetta ja vähentää hauraita intermetallisia yhdisteitä, jotka heikentävät liitoksia. Testit osoittavat, että näin valmistetut hitsatut osat ovat noin 30 %:sti sitkeämpiä kuin perinteisillä kaarihitsausmenetelmillä valmistetut vastaavat osat. Hyvien tulosten saavuttaminen riippuu merkittävästi sekä reikätunnelin muodon hallinnasta että jäähdytysnopeudesta, mikä selittää, miksi oikein aseteltu laserhitsausjärjestelmä vaikuttaa ratkaisevasti siihen, saadaanko aikaan tasalaatuisia rakeita vai ongelmallisia dendriittisiä rakenteita, jotka keskittävät jännitystä.

Miksi laserhitsaus tarjoaa tarkkuutta ja suorituskykyä

Laserhitsaus on niin tarkkaa, koska se keskittää koherentin valon erittäin pieniin pisteisiin, joskus alle 0,1 mm leveisiin, ja pitää säteen hajonnan alle 0,1 asteen. Tämä luo tehotiheyksiä yli 1 MW neliösenttimetriä kohden, mikä mahdollistaa materiaalien nopean sulamisen juuri tarvittavalla alueella samalla kun lämmön vaikutuksesta kärsivä alue pysyy erittäin pieninä, noin puoli millimetriä verrattuna perinteisillä kaaritukstoimenpideillä käytettäviin 5–15 mm:ään. Lopputuloksena osat pysyvät melko paljon vääristymättöminä, alkuperäiset metalliominaisuudet säilyvät, ja jopa haastavia seoksia, kuten alumiini-litiumia tai nitinolia, voidaan käsitellä ongelmitta. Nykyaikaisissa järjestelmissä on nyt mukavia ominaisuuksia, kuten säteen heiluttelu ja pulssin muokkaus, jotka itse asiassa ohjaavat sulan metallin virtausta ja jähmettymistä prosessin aikana. Kun nämä yhdistetään robottikäsioihin, laserhitsaajat voivat tuottaa tasalaatuisia ja vahvoja liitoksia hämmästyttävällä nopeudella yli 100 mm sekunnissa, mikä tekee niistä 2–10 kertaa nopeampia kuin TIG- tai MIG-hitsausmenetelmät. Järjestelmät selviytyvät myös kaikenlaisista haastavista asennoista ja erilaisten materiaalikombinaatioiden kanssa, kuten kuparin ja alumiinin liittämisestä huolehtimalla tarkasti näistä ikävistä intermetallisten kerrosten muodostumisesta. Valmistajat kaikilla toimialoilla, ilmailuteollisuuden komponenteista lääketeknisiin laitteisiin ja sähköautoihin asti, huomaavat vähemmän hylättyjä osia, vähemmän jälkikäsittelytarvetta ja yleisesti parempia tuottavuusmittareita.