Основные соображения по лазерной сварке

Лазерная сварка включает в себя множество переменных процесса. Но творческое мышление также открывает значительные возможности.

В каждой отрасли продукты разрабатываются, перепроектируются или переоцениваются в сторону улучшения материалов и функциональности. Конечная продукция состоит из множества компонентов, и эти компоненты необходимо каким-то образом соединить. Одним из таких способов соединения является лазерная сварка.

В лазерной сварке используется луч света высокой интенсивности, который создает расплавленную сварочную ванну и сплавляет материалы вместе. Это бесконтактный процесс, он имеет низкое тепловложение по сравнению с другими процессами сварки, обеспечивает высокую скорость обработки и позволяет создавать глубокие зоны сварки за один проход.

Конечно, чтобы в полной мере воспользоваться всеми этими преимуществами и обеспечить высококачественный и воспроизводимый процесс, производителям необходимо учитывать, чем лазерная сварка отличается от других процессов сварки плавлением. Конструкция соединений и креплений также играет роль. Как и в случае с любой технологией изготовления металлов, разумное внедрение начинается с хорошего понимания основ процесса.

Лазерная сварка использует луч света, фокусируемый в небольшой точке на заготовке. Генерируемый из какой-либо среды свет выходит из лазерного источника и начинает расходиться. Затем его коллимируют так, чтобы луч был параллелен и не расширялся. Расстояние от выхода до коллимационной поверхности называется коллимационной длиной. Луч остается коллимированным до тех пор, пока не достигнет фокусной поверхности. Затем луч сужается и принимает форму песочных часов, пока не оказывается в фокусе в самой маленькой точке. Расстояние от поверхности фокуса до наименьшей точки называется фокусным расстоянием. Размер пятна фокусировки определяется по следующему уравнению: Диаметр волокна × Фокусное расстояние/Длина коллимации = Диаметр фокуса.

Расстояние, на котором диаметр фокуса находится в пределах 86% площади фокуса, называется глубиной фокуса. Если положение фокуса сместится за пределы этой области, ожидайте, что результаты процесса изменятся. Чем больше соотношение между фокусным расстоянием и длиной коллимации, тем больше становится глубина фокуса для данного волокна.

Волокна большего размера имеют большую глубину фокуса по сравнению с волокнами меньшего диаметра. Большие соотношения и волокна имеют больший размер пятна, что приводит к снижению плотности мощности и, следовательно, к уменьшению проникновения.

Существует два вида лазерной сварки: теплопроводная сварка и сварка с замочной скважиной. При теплопроводной сварке лазерный луч расплавляет сопрягаемые детали вдоль общего соединения, а расплавленные материалы стекают вместе и затвердевают, образуя сварной шов. При сварке теплопроводностью, используемой для соединения тонкостенных деталей, используются твердотельные лазеры импульсного или непрерывного действия.

При теплопроводной сварке энергия передается заготовке исключительно за счет теплопроводности. По этой причине глубина сварного шва колеблется от нескольких десятых миллиметра до 1 мм. Теплопроводность материала ограничивает максимальную глубину сварного шва, а ширина сварного шва всегда больше его глубины. Теплопроводная лазерная сварка используется для угловых сварных швов на видимых поверхностях корпусов устройств, а также для других применений в электронике.

Сварка «замочной скважины» (см.Рисунок 1 ) требует чрезвычайно высокой плотности мощности около 1 мегаватт на квадратный сантиметр. Он используется в тех случаях, когда требуется глубокая сварка или когда необходимо сваривать несколько слоев материала одновременно.

В этом процессе лазерный луч не только плавит металл, но и производит пар. Рассеявшийся пар оказывает давление на расплавленный металл и частично вытесняет его. Тем временем материал продолжает плавиться. В результате получается глубокая, узкая, заполненная паром дыра или замочная скважина, окруженная расплавленным металлом.

РИСУНОК 1Сварка «замочной скважины» требует чрезвычайно высокой плотности мощности и используется в тех случаях, когда требуются глубокие сварные швы.

По мере продвижения лазерного луча вдоль сварного соединения замочная скважина перемещается вместе с ним через заготовку. Расплавленный металл течет вокруг замочной скважины и затвердевает на своем пути. В результате получается глубокий, узкий сварной шов с однородной внутренней структурой. Глубина сварного шва может превышать ширину сварного шва в 10 раз. Расплавленный материал практически полностью поглощает лазерный луч, и эффективность процесса сварки повышается. Пар в замочной скважине также поглощает лазерный свет и частично ионизируется. Это приводит к образованию плазмы, которая также передает энергию заготовке. В результате сварка с глубоким проплавлением отличается большой эффективностью и высокой скоростью сварки. Благодаря высокой скорости зона термического влияния (ЗТВ) мала, а деформация минимальна.