Jak działa spawanie laserowe?

Podstawy fizyki: Jak energia laserowa tworzy spoinę

Absorpcja energii, progi topnienia i termiczna odpowiedź materiału

Gdy zaczyna się spawanie laserowe, intensywne fotony uderzają w powierzchnię metalu i przekazują swoją energię elektronom w jego wnętrzu. Na początku metale słabo absorbują to bliskie światło podczerwone, odbijając nawet od 50 do 90 procent tej energii. Jednak sytuacja zmienia się radykalnie, gdy temperatura osiąga około 1500 stopni Celsjusza, powodując stopienie stali. Wtedy zdolność absorpcji energii wzrasta dziesięciokrotnie w trakcie tej zmiany fazy. To, co wszystko to powoduje, zależy przede wszystkim od gęstości mocy. Większość stopów inżynieryjnych zaczyna topić się stabilnie przy natężeniu przekraczającym milion watów na centymetr kwadratowy. Dużą rolę odgrywa również przewodnictwo cieplne, które decyduje o ilości potrzebnej energii. Weźmy na przykład miedź, której przewodnictwo cieplne wynosi 401 watów na metr kelwin, w porównaniu do zaledwie 22 watów na metr kelwin dla tytanu. Oznacza to, że miedź wymaga około trzy razy więcej energii, aby osiągnąć porównywalne głębokości stopienia. Utrzymywanie wysokiej jakości spoiny wymaga precyzyjnej kontroli temperatury. Gdy szczytowe temperatury przekroczą 80 procent wartości potrzebnej do odparowania materiału, nadmierne rozszerzanie się pary powoduje powstawanie niepożądanej porowatości w gotowym produkcie.

Tryb przewodzenia a tryb klucza: Kiedy i dlaczego każdy z nich występuje

Wybór trybu spawania odzwierciedla podstawowy kompromis między kontrolą a przenikaniem:

W spawaniu metodą przewodzenia ciepło rozprasza się na boki przez materiał, co czyni ją idealną do uszczelniania obudów akumulatorów, gdzie potrzebujemy niskiego wprowadzania ciepła. Gdy intensywność rośnie, przechodzimy do metody wytwarzania otworu parowego. Ciśnienie pary wykrawa tymczasowy otwór w metalu, pozwalając wiązce laserowej na głębsze przeniknięcie w materiał. Ta metoda pozwala na jednoprzebiegowe spoiny nawet w grubych stalach okrętowych o grubości około 15 mm, choć operatorzy muszą dokładnie kontrolować parametry. Duże znaczenie ma pozycja wiązki, poziom mocy oraz szybkość przesuwania palnika. Jeśli otwór parowy zawali się podczas spawania – co zaskakująco często zdarza się w warunkach fabrycznych – powstają irytujące porowatości, które osłabiają końcowy produkt i wymagają poprawek.

Główne składowe maszyny do spawania laserowego

Źródło lasera włóknowego: pompowanie, ośrodek wzmacniający i generowanie wiązki

Laserów włóknowych używa się do wytwarzania jasnego, skoncentrowanego światła poprzez pompowanie specjalnych światłowodów zawierających materiały ziem rzadkich za pomocą diod półprzewodnikowych. Proces ten obejmuje emisję wymuszoną w tych ośrodkach wzmacniających, co prowadzi do powstania stabilnej wiązki laserowej o długości około 1060–1080 nanometrów. Zakres długości fali odpowiada zakresowi, w którym większość metali najlepiej absorbuje energię, co czyni go idealnym dla zastosowań przemysłowych. Jakość wiązki również ma ogromne znaczenie. Gdy jej wartość M² wynosi poniżej 1,1, lepsza jakość wiązki pozwala na skupienie lasera w mniejszych plamkach i osiągnięcie głębszego przenikania materiału podczas cięcia lub spawania. Kontrola temperatury również nie może być ignorowana przez producentów. Przy zbyt wysokiej temperaturze moc wyjściowa znacząco spada — o około 15% przy każdym wzroście o 10 stopni Celsjusza powyżej zaprojektowanej wartości, według badań opublikowanych w zeszłym roku w czasopiśmie Material Processing Journal.

Dostarczanie wiązki, optyka skupiająca i kontrola gęstości mocy

Promienie laserowe przemieszczają się przez giętkie światłowody, aby dotrzeć do różnych komponentów dostarczających, takich jak okna ochronne, kolimatory, skanery galwanometryczne oraz specjalistyczne soczewki F-theta, które pomagają ukształtować i skoncentrować wiązkę do plam o średnicy zaledwie 20 mikrometrów. W trybie kluczowym te lasery generują gęstość mocy powyżej 1 miliona watów na centymetr kwadratowy, co oznacza praktycznie natychmiastowe odparowanie materiałów. Zmiana głębokości ostrości lasera lub stosowanie technik takich jak oscylacja kołowa pomaga utrzymać stabilność roztopu podczas spawania i zmniejsza niepożądane rozpryski. Weźmy na przykład regulację długości ogniskowej: skrócenie tej długości zwiększa gęstość mocy o około 40 procent, ale powoduje ciaśniejsze tolerancje głębi ostrości. To wymaga bardzo precyzyjnych systemów sterowania ruchem, aby zapewnić wysoką jakość spoin na różnych elementach.

Proces formowania spoiny: od napromieniowania do trwałego połączenia

Dynamika basenu stopionego, stabilność otworu klucza i mikrostruktura krzepnięcia

Gdy wiązka laserowa trafia na materiał, szybko ogrzewa obszar powyżej temperatury topnienia, tworząc roztopioną strefę, której zachowanie różni się w zależności od metody spawania. W przypadku spawania w warunkach otworu klucza, ciśnienie pary tworzy głęboką, wąską dziurę, która czasem osiąga głębokość do 25 mm. Stabilność tej jamy ma duże znaczenie dla występowania wad, ponieważ jej nadmierne zapadanie może powodować turbulencje, prowadzące do powstawania porów w około 12% spoin produkcyjnych, według badań opublikowanych w zeszłym roku w Journal of Materials Processing. Spawanie przewodzone daje znacznie płytsze strefy stopione, które pozostają stosunkowo spokojne, bez większego ruchu cieczy. W miarę jak laser przemieszcza się wzdłuż materiału, metal zaczyna krystalizować niemal natychmiast, ponieważ chłodzenie zachodzi w tempie przekraczającym milion stopni na sekundę. Tak szybkie chłodzenie poprawia strukturę ziarnową i zmniejsza ilość kruchych związków międzymetalicznych osłabiających połączenia. Testy wykazują, że elementy spawane są o około 30% bardziej plastyczne niż podobne wykonane tradycyjnymi metodami spawania łukowego. Osiągnięcie dobrych wyników zależy w dużym stopniu od kontroli kształtu otworu klucza oraz szybkości chłodzenia, dlatego prawidłowe skonfigurowanie systemu spawania laserowego odgrywa tak dużą rolę w uzyskaniu jednorodnej struktury ziarnowej zamiast problematycznych struktur dendrytycznych koncentrujących naprężenia.

Dlaczego spawanie laserowe zapewnia precyzję i wydajność

Spawanie laserowe jest tak precyzyjne, ponieważ skupia spójne światło na bardzo małych punktach, czasem o szerokości mniejszej niż 0,1 mm, przy jednoczesnym utrzymywaniu dywergencji wiązki poniżej 0,1 stopnia. Dzięki temu osiąga się gęstość mocy przekraczającą 1 MW na centymetr kwadratowy, co pozwala materiałom szybko topić się dokładnie tam, gdzie jest to potrzebne, przy jednoczesnym zachowaniu bardzo małej strefy wpływu ciepła – około pół milimetra w porównaniu do 5–15 mm przy wykorzystaniu tradycyjnych metod spawania łukowego. Efekt końcowy? Elementy pozostają niemal nieodkształcone, oryginalne właściwości metalu są zachowane, a nawet trudne stopy, takie jak aluminium-lit lub nitinol, mogą być przetwarzane bez problemów. Nowoczesne systemy oferują teraz zaawansowane funkcje, takie jak oscylacja wiązki i kształtowanie impulsów, które kontrolują przepływ i krzepnięcie stopionego metalu podczas procesu. W połączeniu z ramionami robotów, spawarki laserowe potrafią tworzyć spójne, wytrzymałe złącza z niesamowitą prędkością przekraczającą 100 mm na sekundę, co czyni je od 2 do 10 razy szybszymi niż techniki TIG czy MIG. Systemy te radzą sobie również z różnymi trudnymi pozycjami i kombinacjami materiałów, na przykład łącząc miedź z aluminium, jednocześnie starannie kontrolując irytujące warstwy międzymetaliczne. Producenci z różnych branż – od komponentów lotniczych, przez urządzenia medyczne, po pojazdy elektryczne – obserwują mniejszą liczbę wyrobów odpadowych, mniejsze zapotrzebowanie na pracę wykończeniową oraz ogólnie lepsze wskaźniki produktywności.