Lasersko varjenje

Pri metodi laserskega varjenja se za povezovanje delov uporablja koncentriran svetlobni žarek z visoko energijsko gostoto (premer žarka 0,1 ... 2 mm). Glede na vrsto svetlobnega žarka je lahko lasersko varjenje impulzno in neprekinjeno. Točkovni spoji so varjeni na impulzni način, za neprekinjene šive se uporablja impulzno-periodično ali neprekinjeno sevanje. Impulzno varjenje se uporablja tudi, kadar je treba zagotoviti minimalne deformacije zaradi temperaturnega segrevanja in visoko natančnost, neprekinjeno - za varjenje pri visokih hitrostih v serijski ali masovni proizvodnji.

Z laserskim varjenjem spajamo različne materiale: jeklo, titan, aluminij, ognjevarne kovine, baker, kovinske zlitine, plemenite kovine, bimetale, debeline od deset do nekaj milimetrov. Vendar pa je lasersko varjenje odsevnih kovin, kot sta aluminij in baker, nekoliko težavno. Lasersko varjenje kovin je prikazano na sl. 2.

Varjenje aktivnih kovin se izvaja z uporabo zaščitnega plina v obliki curka, usmerjenega v območje izpostavljenosti svetlobnemu žarku.

Slika 1 — Varjenje v polprevodniškem laserju: 1 — aktivni medij (rubin, granat, neodim), 2 — črpalka, 3 — neprozorno zrcalo, 4 — prosojno zrcalo, 5 — optično vlakno, 6 — optični sistem, 7 — detajl, 8 — laserski žarek v točki ostrenja, 9, 10 — cepilniki laserskega žarka.

Slika 2 — Varljivost materialov

Glede na globino preboja ločimo tri vrste laserskega varjenja:

1) mikrovarjenje (manj kot 100 mikronov),

2) mini varjenje (0,1 ... 1 mm),

3) makro varjenje (več kot 1 mm).

Ker globina preboja običajno ne presega 4 mm, se lasersko varjenje široko uporablja predvsem v izdelavi preciznih orodij, pri izdelavi elektronskih naprav, ur, v letalstvu, v avtomobilski industriji, pri varjenju cevi, veliko pa se uporablja tudi v industrija nakita.

Pred sočelnim varjenjem in prekrivanjem zagotovite razmik 0,1 ... 0,2 mm. Pri velikih vrzelih lahko pride do izgorelosti in pomanjkanja sinteze.

Glavni parametri načina laserskega varjenja so:

1) trajanje impulza in energija,

2) frekvenca impulza,

3) premer svetlobnega žarka,

4) razdalja od najmanjšega dela fokusiranega žarka do površine,

5) hitrost varjenja. Doseže 5 mm / s. Za povečanje hitrosti se poveča frekvenca impulzov ali uporabi neprekinjen način.

Industrija za lasersko varjenje uporablja dve vrsti laserjev:

1) polprevodniški - rubin, neodim in YAG laserji (na osnovi itrijevega aluminijevega granata);

2) plinski CO2 laserji.

V zadnjem času so se pojavili tudi laserski varilni aparati, katerih aktivni element je optično vlakno iz kremena.Takšni laserji omogočajo varjenje "problematičnih" materialov - bakra in medenine z visoko odbojnostjo, titana.

Zmogljivosti različnih laserskih varilnih strojev so prikazane v tabelah 1 in 2.

Primeri načinov varjenja s plinskim laserjem CO2 so prikazani v tabeli 3.

Tabela 1 — Debelina pločevine in moč varilnega laserja

Tabela 2 — Uporabnost laserjev

Tabela 3 - Načini laserskega sočelnega varjenja s plinskim laserjem

Premer laserskega žarka je običajno 0,3 mm. Sočelni zvari, varjeni z žarkom, manjšim od 0,3 mm, imajo lahko pomanjkanje oprijema in preboja. Varjenje z laserji do 10 kW običajno poteka brez polnila.

Zaradi majhne površine, na katero vpliva toplota pri laserskem varjenju, se zvar zelo hitro ohladi. To ima lahko tako negativne kot pozitivne posledice za kakovost zvarnega spoja. Mnoge kovine dajejo najboljše fizikalne in mehanske lastnosti s hitrim ohlajanjem spojev. Vendar pa lahko pri varjenju nerjavečega jekla pride do zloma zvara. Povečanje širine impulza na 10 ms in predgretje pomagata odpraviti ta pojav.

S pravilno izbiro varilnih materialov in načinov lasersko varjenje ustvarja šive najvišje kakovosti.

Laserske sisteme lahko razdelimo v 3 kategorije:

1) Naprave za ohišje. V takih napravah so obdelovanci postavljeni v poseben zaprt prostor, ki vsebuje zaščitno nevtralno atmosfero in laserski žarek. Varilec lahko nadzoruje in spremlja postopek varjenja s pomočjo posebnega optičnega sistema.

2) Naprave za varjenje na prostem.Laserski žarek ima več stopenj svobode in proizvaja programirane gibe. Varilno območje je zaščiteno s plinskim tokom.

3) Naprave za ročno lasersko varjenje. Laserski gorilniki so zelo podobni varilnim gorilnikom TIG. Laserski žarek se na gorilnik prenaša s pomočjo optičnega vlakna. Med varjenjem drži varilec v eni roki laserski gorilnik, v drugi pa dodajni material.

Tabela 4 — Primerjava različnih vrst laserskega varjenja

Prednosti laserskega varjenja vključujejo:

1) majhno območje toplotnega učinka laserskega žarka na material in posledično nepomembne toplotne deformacije;

2) možnost varjenja na težko dostopnih mestih, v okolju, prosojnem za lasersko sevanje (steklo, tekočine, plini);

3) varjenje magnetnih materialov;

4) majhen premer svetlobnega snopa, možnost mikro varjenja, ozek varilni šiv z dobrimi estetskimi lastnostmi;

5) sposobnost avtomatizacije procesa;

6) prilagodljiva manipulacija svetlobnega žarka z optično transmisijo;

7) vsestranskost laserske opreme (možnost uporabe za lasersko varjenje in rezanje, označevanje in vrtanje);

8) možnost varjenja različnih materialov.

Slabosti laserskega varjenja:

1. Visoki stroški in kompleksnost laserske opreme.

2. Visoke zahteve za pripravo, čiščenje zvarnih robov.

3. Nezmožnost varjenja debelostenskih delov, nezadostna moč.Povečanje moči varilnih laserjev omejuje dejstvo, da se ob močnejšem učinku laserskega žarka na kovino ta aktivno razprši v območju varjenja, kar poškoduje optični sistem naprave in v nekaj urah izklopi laser. .