Hogyan működik a lézeres hegesztés?

Alapfizika: Hogyan hozza létre a lézerenergia az ötvözést

Energiaelnyelés, olvadási küszöbök és az anyag hőválasza

Amikor elkezdődik a lézeres hegesztés, az intenzív fotonok találkoznak a félfelülettel, és energiájukat átadják a belső elektronoknak. Kezdetben a fémek nem nyelnek el sokat ebből a közeli infravörös fényből, sőt valójában az 50–90 százalékát visszaverik. Ám a helyzet drámaian megváltozik, amikor kb. 1500 °C-on elkezdődik az olvadás acélnál. Az energiaelnyelési képesség ekkor kb. tízszeresére nő a fázisátmenet során. Mindez elsősorban a teljesítménysűrűségtől függ. A legtöbb mérnöki ötvözet megbízhatóan elkezd olvadni, ha egynél több millió watt négyzetcentiméterenként éri. A hővezetés is nagy szerepet játszik abban, hogy mennyi energia szükséges. Vegyük például a réz esetét, amelynek hővezetése 401 watt méter kelvin, szemben a titán 22 watt méter kelvin értékével. Ez azt jelenti, hogy a réz körülbelül háromszor annyi energiát igényel hasonló olvadásmélység eléréséhez. A hegesztési minőség megőrzéséhez gondos hőmérséklet-szabályozás szükséges. Ha a csúcshőmérséklet meghaladja az anyag elpárologtatásához szükséges érték 80 százalékát, problémák lépnek fel a túlzott gőzkiterjedés miatt, ami nemkívánatos pórusokat eredményezhet a végső termékben.

Vezetési mód vs. Furatmód: Mikor és miért következik be mindegyik

A hegesztési mód kiválasztása alapvető kompromisszumot jelent a vezérlés és a behatolás mélysége között:

A hővezetési módú hegesztés során a hő oldalirányban terjed szét az anyagban, így kiválóan alkalmas akkumulátortokok zárására, ahol alacsony hőbevitelre van szükség. Amikor a lézer intenzitása növekszik, áttérünk a fúrólyuk-módra. A gőznyomás gyakorlatilag ideiglenes lyukat váj a fémbe, lehetővé téve a lézersugár mélyebb behatolását az alkatrészbe. Ez a módszer akár egyedülálló hegesztést is lehetővé tesz kb. 15 mm-es, hajóépítéshez használt vastag acéllemezeknél is, bár az operátoroknak figyelemmel kell kísérniük a paramétereket. Nagy jelentősége van a sugár pozíciójának, a teljesítményszinteknek és a hegesztőpisztoly mozgatási sebességének. Ha a fúrólyuk összeomlik a hegesztés során – ami meglepően gyakran előfordul gyártási környezetben –, akkor kellemetlen pórusok keletkeznek, amelyek gyengítik a végső terméket, és javítást igényelnek.

Lézerhegesztő gép fő alkotóelemei

Fiber lézerforrás: Pumpálás, erősítő közeg és sugárképzés

A szálas lézerek akkor hoznak létre élénk, fókuszált fényt, amikor félvezető diódák segítségével ritkaföldfémeket tartalmazó speciális optikai szálakat gerjesztenek. A folyamat a nyereségi közegben zajló gerjesztett emissziót foglalja magában, amely körülbelül 1060 és 1080 nanométer közötti, stabil lézerfényt eredményez. Ez a hullámhossz-tartomány azon a tartományon van, ahol a legtöbb fém a legjobban elnyeli az energiát, így ideálissá teszi ipari alkalmazásokhoz. A nyaláb minősége is nagyon fontos szempont. Amikor az M² érték 1,1 alatti, a jobb nyalábminőség azt jelenti, hogy a lézert kisebb fókuszpontokra lehet összpontosítani, és mélyebb anyagbehatolást lehet elérni vágás vagy hegesztés során. A hőmérséklet-szabályozás sem mellőzhető a gyártók részéről. Ha túl meleg lesz, a kimenő teljesítmény jelentősen csökken – kutatások szerint körülbelül 15%-kal minden 10 Celsius-fokos emelkedés után a tervezett érték felett, ahogyan azt tavaly megjelent tanulmány is közölte a Material Processing Journalban.

Nyalábvezetés, fókuszáló optika és teljesítménysűrűség-szabályozás

A lézersugarak rugalmas optikai szálakon keresztül haladnak, hogy elérjék a különféle leadó komponenseket, mint például védőablakokat, kollimátorokat, galvanométeres szenzorokat, valamint azokat a speciális F-théta lencséket, amelyek segítenek a nyaláb alakításában és fókuszálásában akár 20 mikrométer átmérőjű foltokig. Kulcslyuk-üzemmódban működve ezek a lézerek több mint egymillió watt négyzetcentiméterenkénti teljesítménysűrűséget hoznak létre, ami gyakorlatilag azt jelenti, hogy az anyagok majdnem azonnal elpárolognak. A lézer fókusztávolságának változtatása vagy olyan technikák alkalmazása, mint a körkörös oszcilláció, segíthet abban, hogy a hegesztés során stabil maradjon az olvadt medence, és csökkentse a nem kívánt fröccsenést. Vegyük például a fókusztávolság beállítását: a rövidebb fókusztávolság körülbelül 40 százalékkal növeli a teljesítménysűrűséget, de szigorúbb tűréshatárokat eredményez a fókuszmélységnél. Ez igen pontos mozgásvezérlő rendszereket igényel a jó hegesztési minőség fenntartásához különböző alkatrészek esetén.

Hegesztési Képződés Folyamata: A Megvilágítástól a Szilárd Kapcsolatig

Olvasztott Medence Dinamikája, Kulcslyuk-stabilitás és Szilárdulási Mikroszerkezet

Amikor a lézersugár eléri az anyagot, gyorsan felmelegíti a területet az olvadáspont felett, így kialakul egy olvadt medence, amely viselkedése különböző lehet a hegesztési mód függvényében. A kulcslyukas hegesztés során a gőznyomás egy mély, keskeny lyukat hoz létre, amely néha akár 25 mm mélységig is elérhet. Ennek a üregnek az állapota kritikus fontosságú a hibák szempontjából, mert ha túlságosan összeomlik, a turbulencia miatt a termelési varratok körülbelül 12%-ában pórusok keletkezhetnek, ahogyan azt tavalyi kutatások az „Anyagfeldolgozó Műszaki Folyamatok Lapja” című folyóiratban közölték. A hővezetéses hegesztés sokkal sekélyebb, viszonylag nyugodt olvadt medencét eredményez, amelyben nincs jelentős folyadékmozgás. Ahogy a lézer halad előre, a fém majdnem azonnal megkristályosodik, mivel a hűlési sebesség meghaladja a másodpercenként egymillió fokot. Ez a rendkívül gyors hűlés javítja a szemcsestruktúrát, és csökkenti azokat a rideg intermetallikus vegyületeket, amelyek gyengítik az illesztéseket. Tesztek szerint ez kb. 30%-kal növeli a hegesztett alkatrészek alakváltoztathatóságát (duktilitását) a hagyományos ívhegesztéssel készültekhez képest. A jó eredmények elérése nagyban függ a kulcslyuk alakjának és a hűlési sebességnek a pontos szabályozásától, amiért egy megfelelően beállított lézerhegesztő rendszer olyan nagy különbséget jelent abban, hogy vajon szép, egyenletes szemcséket vagy problémás, feszültséget koncentráló dendrites szerkezeteket kapunk-e.

Miért nyújt a lézeres hegesztés pontosságot és teljesítményt

A lézeres hegesztés olyan pontos, mert a koherens fényt rendkívül kis foltokba fókuszálja, néha kevesebb, mint 0,1 mm szélességűre, miközben a nyalábtágulás mértékét 0,1 fok alatt tartja. Ennek hatására a teljesítménysűrűség több mint 1 MW/cm²-re emelkedik, ami lehetővé teszi az anyagok gyors olvadását csak a szükséges helyeken, miközben a hőhatás által érintett terület rendkívül kicsi marad, körülbelül fél milliméter, szemben az 5–15 mm-es tartománnyal, amit a hagyományos ívhegesztési módszerek produkálnak. Mi ennek az eredménye? Az alkatrészek alig torzulnak, az eredeti fém tulajdonságai megmaradnak, és még nehéz ötvözetek, például alumínium-lítium vagy nitinol is problémamentesen megmunkálhatók. A modern rendszerek olyan kifinomult funkciókkal rendelkeznek, mint a nyaláb-oszcilláció és az impulzusformálás, amelyek valójában befolyásolják az olvadt fém áramlását és szilárdulását a folyamat során. Robotkarokkal párosítva a lézeres hegesztők másodpercenként több mint 100 mm sebességgel képesek konzisztens, erős kötések létrehozására, így 2–10-szer gyorsabbak a TIG vagy MIG hegesztési technikáknál. Ezek a rendszerek különböző nehezen elérhető pozíciók és eltérő anyagkombinációk kezelésére is alkalmasak, például réz és alumínium összekapcsolása során gondosan kezelik a bosszantó intermetallikus rétegeket. A légi- és űrkutatástól kezdve orvosi eszközökön át az elektromos járművekig számos iparágban csökken a selejtarány, csökken a felületi utómunka szükségessége, és javulnak az általános termelékenységi mutatók.