Jako profesjonalista w branży blacharskiej wiem, jak ważna jest inwestycja w odpowiedni sprzęt. Jednym z niezbędnych narzędzi w każdej fabryce blacharskiej jest… maszyny do spawania laserowegoTe maszyny oferują niezrównaną precyzję, szybkość i wydajność, co czyni je niezbędnymi do poprawy produktywności i osiągania wysokiej jakości rezultatów. W tym artykule wyjaśnię, dlaczego… maszyny do spawania laserowego są niezbędne i jak mogą zrewolucjonizować procesy obróbki metali.

Maszyny do spawania laserowego

Spawanie laserowe to nowy rodzaj spawania, stosowany głównie do materiałów cienkościennych i precyzyjnych elementów. Cechuje się łatwością obsługi, estetycznym wykonaniem spoin i dużą prędkością. Jako niezbędne, małe urządzenie do zastosowań w fabrykach i domach, spawarki laserowe zyskały w ostatnich latach ogromną popularność. W tym artykule szczegółowo przedstawimy spawarki laserowe z kilku punktów widzenia, aby pomóc Ci lepiej zrozumieć ich działanie i dokonać zakupu.

Zasada działania

Spawanie laserowe polega na użyciu wysokoenergetycznych impulsów laserowych na materiale w niewielkim obszarze lokalnego ogrzewania. Energia promieniowania laserowego jest przekazywana poprzez przewodzenie ciepła do wewnętrznej dyfuzji materiału. Materiał topi się, tworząc specyficzne jeziorko stopu. Jest to nowy rodzaj metody spawania, głównie do spawania materiałów cienkościennych, precyzyjnych części, spawania punktowego, spawania doczołowego, spawania warstwowego, spawania uszczelniającego itp., z dużym stosunkiem głębokości do szerokości, małą szerokością spoiny, małą strefą wpływu ciepła, małymi odkształceniami, dużą prędkością spawania, płaską i piękną spoiną, bez obróbki lub tylko prostą obróbką po spawaniu, wysokiej jakości spoiną, bez porowatości, precyzyjną kontrolą, małym skupionym punktem, wysoką dokładnością pozycjonowania, łatwą do osiągnięcia automatyzacją. Spawanie jest łatwe do zautomatyzowania.

Główne typy

Urządzenia do spawania laserowego są często nazywane spawarkami laserowymi z ujemnym sprzężeniem zwrotnym energii, laserowymi urządzeniami do spawania na zimno, laserowymi urządzeniami do spawania argonem, urządzeniami do spawania laserowego itp. Ze względu na metodę działania, można je często podzielić na: wypalarki laserowe do form (ręczne urządzenia do spawania laserowego), automatyczne urządzenia do spawania laserowego, laserowe urządzenia do spawania biżuterii, laserowe urządzenia do spawania punktowego, światłowodowe urządzenia do spawania laserowego transmisyjnego, urządzenia do spawania zwierciadłem wibracyjnym, urządzenia do spawania ręcznego itp. Specjalistyczne urządzenia do spawania laserowego to spawarki czujnikowe, urządzenia do spawania laserowego blach ze stali krzemowej oraz urządzenia do spawania laserowego z klawiaturą. Kształty spawalne to: punkty, linie, okręgi, kwadraty lub dowolne kształty płaskie narysowane w oprogramowaniu AUTOCAD.

Kluczowe parametry

Gęstość mocy jest jednym z najważniejszych parametrów obróbki laserowej. Dzięki wysokiej gęstości mocy, warstwa powierzchniowa może zostać podgrzana do temperatury wrzenia w ciągu mikrosekundy, wytwarzając dużą ilość oparów. Dlatego wysokie gęstości mocy są korzystne w procesach usuwania materiału, takich jak wykrawanie, cięcie i grawerowanie. W przypadku niższych gęstości mocy, temperatura warstwy powierzchniowej osiąga temperaturę wrzenia w ciągu kilku milisekund, a warstwa dolna osiąga temperaturę topnienia przed odparowaniem warstwy powierzchniowej, co ułatwia wykonanie dobrej spoiny. Dlatego w spawaniu laserowym kondukcyjnym gęstość mocy mieści się w zakresie od 104 do 106 W/㎡.

Kształt fali impulsu jest istotnym zagadnieniem w spawaniu, zwłaszcza cienkich blach. Skierowanie wiązki o wysokiej intensywności na powierzchnię materiału powoduje utratę energii odbitej od powierzchni metalu, a współczynnik odbicia zmienia się wraz z temperaturą powierzchni. Współczynnik odbicia metalu zmienia się znacząco w czasie trwania impulsu.

Szerokość impulsu jest jednym z najważniejszych parametrów spawania impulsowego, zarówno pod względem usuwania, jak i topienia materiału, a także kluczowym parametrem przy określaniu kosztów i wielkości sprzętu przetwórczego.

Efekt objętości poza ogniskiem wynika z wysokiej gęstości mocy w centrum plamki w ognisku lasera, która ma tendencję do parowania w dziurę. Gęstość mocy jest stosunkowo równomiernie rozłożona we wszystkich płaszczyznach od ogniska lasera. Istnieją dwa rodzaje rozogniskowania: rozogniskowanie dodatnie i rozogniskowanie ujemne. Płaszczyzna ogniskowa znajduje się nad przedmiotem obrabianym w przypadku rozogniskowania dodatniego i odwrotnie w przypadku rozogniskowania ujemnego. Zgodnie z teorią optyki geometrycznej, gdy dodatnia i ujemna odległość płaszczyzny ogniska i płaszczyzny spawania są równe, odpowiadająca jej płaszczyzna gęstości mocy jest w przybliżeniu taka sama, ale w praktyce kształt uzyskanego jeziorka stopionego materiału jest inny. Przy rozogniskowaniu ujemnym można uzyskać większą głębokość stopu, co jest związane z procesem formowania jeziorka stopionego materiału.

Korzystne cechy

Spawarka laserowa charakteryzuje się wysokim stopniem automatyzacji i prostym procesem spawania. Bezkontaktowa metoda pracy spełnia wymogi czystości i ochrony środowiska. Zastosowanie spawarek laserowych zwiększa wydajność obróbki przedmiotu obrabianego, zapewniając estetyczny wygląd, małe spoiny, dużą głębokość spawania i wysoką jakość spawania. Spawarki laserowe są szeroko stosowane do obróbki protez dentystycznych, spawania klawiatur, spawania stali krzemowej, spawania czujników, spawania pokrywek baterii i wielu innych zastosowań. Jednak spawarki laserowe mają ograniczenia w tych obszarach ze względu na wysoki koszt i wysoką precyzję wymaganą do montażu przedmiotu obrabianego.

Obszary zastosowań

Produkcja

Technologia spawania laserowego jest szeroko stosowana w zagranicznym przemyśle samochodowym. Według statystyk z 2000 roku, globalny zasięg linii produkcyjnej do cięcia laserowego wykrojów przekroczył 100, a roczna produkcja spawanych elementów samochodowych wykrojów z blachy wykrojowej wyniosła 70 milionów sztuk i nadal rośnie w szybkim tempie. Krajowa produkcja modeli wprowadzających również wykorzystuje niektóre konstrukcje wykrojów ciętych. W Japonii, spawanie laserowe CO2 jest stosowane zamiast spawania doczołowego iskrowego do łączenia zwojów stali walcowanej w przemyśle stalowym. Badania nad spawaniem ultracienkich blach, takich jak folie o grubości 100 mikronów lub mniejszej, nie umożliwiają spawania, ale spawanie laserowe YAG ze specjalnym kształtem fali wyjściowej odnosi sukcesy, wskazując na szeroką przyszłość spawania laserowego. Japonia z powodzeniem opracowała również spawanie laserowe YAG, po raz pierwszy na świecie, do naprawy cienkich rur generatorów pary w reaktorach jądrowych itp. W Japonii prowadzona jest również technologia spawania laserowego kół zębatych.

Metalurgia proszków

Wraz z ciągłym rozwojem nauki i technologii, wiele technologii przemysłowych stawia specyficzne wymagania materiałowe, a zastosowanie metod wytapiania i odlewania nie jest w stanie sprostać tym wymaganiom. Ponieważ materiały metalurgii proszków charakteryzują się szczególnymi właściwościami i zaletami produkcyjnymi, w niektórych obszarach, takich jak motoryzacja, lotnictwo, narzędzia i narzędzia skrawające, przemysł wytwórczy zastępuje tradycyjne materiały do wytopu i odlewania. Wraz z rozwojem materiałów metalurgii proszków, problem połączeń jest coraz bardziej widoczny w innych dziedzinach, co ogranicza ich zastosowanie. Na początku lat osiemdziesiątych spawanie laserowe, dzięki swoim unikalnym zaletom w dziedzinie obróbki materiałów metalurgii proszków, otworzyło nowe perspektywy dla zastosowań materiałów metalurgii proszków, takich jak wykorzystanie materiałów metalurgii proszków w połączeniu z lutowaniem twardym diamentem. Ze względu na niską wytrzymałość, szeroka strefa wpływu ciepła nie jest w stanie sprostać wysokim wymaganiom temperaturowym i wytrzymałościowym spowodowanym topnieniem lutu. Zastosowanie spawania laserowego może poprawić wytrzymałość spawania, a także odporność na wysokie temperatury.

Przemysł motoryzacyjny

Pod koniec lat 80. XX wieku lasery o mocy rzędu kilowatów były z powodzeniem stosowane w produkcji przemysłowej, a dziś linie do spawania laserowego pojawiły się na szeroką skalę w przemyśle motoryzacyjnym, stając się jednym z największych osiągnięć branży. Europejscy producenci samochodów jako pierwsi zastosowali spawanie laserowe do spawania blach dachowych, nadwozi i ram bocznych już w latach 80. XX wieku, a w latach 90. XX wieku Stany Zjednoczone rywalizowały o wprowadzenie spawania laserowego do przemysłu motoryzacyjnego, który rozwijał się szybko pomimo późnego startu. We Włoszech spawanie laserowe stosowano w montażu większości elementów z blachy stalowej, w Japonii w procesie spawania i cięcia laserowego poszycia karoserii. Zespoły spawane laserowo ze stali o wysokiej wytrzymałości, ze względu na ich doskonałe właściwości w produkcji nadwozi samochodowych, są coraz częściej stosowane. Według statystyk rynku metalu w USA, do końca 2002 roku zużycie konstrukcji stalowych spawanych laserowo osiągnie 70 000 ton w porównaniu z 1998 rokiem, co stanowi trzykrotny wzrost. Zgodnie z charakterystyką przemysłu motoryzacyjnego, wysoki stopień automatyzacji, urządzenia do spawania laserowego o dużej mocy i wielotorowym kierunku. W procesie wspólnych badań amerykańskich laboratoriów Sandia National Laboratory i PrattWitney nad procesem spawania laserowego z dodatkiem proszku metalu i drutu metalowego, niemiecki Instytut Technologii Stosowanej Wiązki Spawanej w Bremie przeprowadził liczne badania nad zastosowaniem spawania laserowego szkieletu nadwozia ze stopu aluminium. Dodatek spoiwa w spoinie pomaga wyeliminować pęknięcia termiczne, zwiększyć prędkość spawania i rozwiązać problem tolerancji. Opracowana linia jest już produkowana w fabryce.

Przemysł elektroniczny

Spawanie laserowe jest szeroko stosowane w przemyśle elektronicznym, a zwłaszcza w mikroelektronice. Ze względu na małą strefę wpływu ciepła, szybkie nagrzewanie i niskie naprężenia cieplne, spawanie laserowe jest wykorzystywane do pakowania układów scalonych i obudów urządzeń półprzewodnikowych, wykazując się wyjątkową przewagą. Spawanie laserowe znalazło również zastosowanie w rozwoju urządzeń próżniowych, takich jak molibdenowe bieguny ogniskujące z pierścieniami nośnymi ze stali nierdzewnej oraz szybko nagrzewające się zespoły żarników katodowych. Czujniki lub regulatory temperatury w elastycznych, cienkościennych blachach falistych o grubości 0,05-0,1 mm są trudne do rozwiązania w przypadku stosowania tradycyjnych metod spawania. Spawanie TIG jest łatwe do przetopu, a stabilność plazmy jest niska. Wpływ wielu czynników i bardzo dobry efekt spawania laserowego sprawiają, że spawanie laserowe jest szeroko stosowane.

Biomedyczny

Spawanie laserowe tkanek biologicznych rozpoczęło się w latach 70. XX wieku, wraz z laserowym spawaniem jajowodów i naczyń krwionośnych, a jego wyższość naukowa została udowodniona. Dlatego też coraz więcej badaczy podejmuje próby spawania różnych tkanek biologicznych, a także rozszerza swoją działalność na spawanie innych tkanek. Badania nad laserowym spawaniem nerwów w kraju i za granicą koncentrują się na długości fali lasera, dawce i jej funkcjonalnym powrocie, a także na doborze materiałów do spawania laserowego i innych aspektach badawczych. Liu Tongjun przeprowadził laserowe spawanie małych naczyń krwionośnych i skóry oraz inne badania podstawowe oparte na badaniach nad spawaniem przewodu żółciowego wspólnego u szczurów. W porównaniu z tradycyjnymi metodami szycia, spawanie laserowe ma zalety szybkiego zespolenia, braku reakcji na ciało obce podczas procesu gojenia, zachowania właściwości mechanicznych spawanego obszaru oraz wzrostu naprawionej tkanki zgodnie z jej pierwotnymi właściwościami biomechanicznymi.

Inne obszary

W innych branżach spawanie laserowe stopniowo zyskuje na popularności, szczególnie w spawaniu materiałów specjalnych. Chiny przeprowadziły wiele badań, takich jak spawanie laserowe stopu tytanu BT20, stopu HEl30, akumulatorów litowo-jonowych itp. Niemcy opracowały nową technologię spawania laserowego szkła płaskiego.

Metody spawania

Zgrzewanie oporowe jest stosowane do spawania cienkich elementów metalowych poprzez zaciskanie spawanego elementu pomiędzy dwiema elektrodami w celu stopienia powierzchni styku elektrod za pomocą wysokiego prądu, tj. poprzez oporowe nagrzewanie elementu w celu wykonania spawania. Element spawany jest podatny na odkształcenia, a zgrzewanie oporowe wykonuje się poprzez spawanie obu stron złącza, podczas gdy spawanie laserowe wykonuje się tylko z jednej strony. Elektrody stosowane w zgrzewaniu oporowym wymagają częstej konserwacji w celu usunięcia tlenków i przywierającego metalu z elementu spawanego, podczas gdy laserowe spawanie cienkich metalowych połączeń zakładkowych nie dotyka elementu spawanego. Ponadto wiązka może również docierać do obszarów trudno spawalnych metodą konwencjonalną, a prędkość spawania jest duża.

Spawanie łukiem argonowym polega na użyciu nie zużywających się elektrod z osłoną gazową, powszechnie stosowane do spawania cienkich elementów, ale prędkość spawania jest wolniejsza, a ilość wprowadzanego ciepła jest znacznie większa niż w przypadku spawania laserowego, co zwiększa podatność na odkształcenia.

Spawanie łukiem plazmowym jest podobne do spawania łukiem argonowym, ale palnik wytwarza łuk sprężony, co zwiększa jego temperaturę i gęstość energii. Jest to szybsze i głębsze spawanie niż spawanie łukiem argonowym, ale gorsze od spawania laserowego.

Spawanie wiązką elektronów polega na uderzaniu przyspieszonego strumienia elektronów o wysokiej gęstości energii w element spawany, wytwarzając ogromną ilość ciepła w małym, gęstym obszarze na powierzchni elementu spawanego, tworząc efekt „małego otworu”, a tym samym zapewniając głębokie stopienie spoiny. Głównymi wadami spawania wiązką elektronów są: konieczność stosowania środowiska o wysokiej próżni, aby zapobiec rozpraszaniu elektronów, złożoność sprzętu, ograniczenia rozmiaru i kształtu spawanego elementu przez komorę próżniową, surowe wymagania dotyczące jakości montażu spawanych elementów. Możliwe jest również spawanie wiązką elektronów bez próżni, ale ze względu na rozpraszanie elektronów i słabe skupienie, wyniki mogą być niekorzystne. Spawanie wiązką elektronów wiąże się również z problemami z odchyleniem magnetycznym i promieniowaniem rentgenowskim, ponieważ elektrony są naładowane elektrycznie i mogą być podatne na odchylenie magnetyczne. Dlatego elementy spawane wiązką elektronów muszą być rozmagnesowane przed spawaniem. Spawanie laserowe nie wymaga komory próżniowej ani rozmagnesowania spawanego elementu przed spawaniem, może być wykonywane w atmosferze i nie ma problemów z ochroną przed promieniowaniem rentgenowskim, dlatego może być stosowane w linii produkcyjnej i umożliwia również spawanie materiałów magnetycznych.

Wideo Demonstracja