Co to jest spawanie laserowe?

Spawanie laserowe to proces wykorzystujący bardzo precyzyjną wiązkę laserową do łączenia metali lub tworzyw termoplastycznych w celu utworzenia spoiny. Jako takie skoncentrowane źródło ciepła, spawanie laserowe umożliwia spawanie cienkich materiałów przy dużych prędkościach spawania. W grubszych materiałach można jednak wykonywać wąskie i głębokie spoiny między częściami o kwadratowych krawędziach.

Co to jest spawanie laserowe?

Laser welding or laser beam welding (LBW) is a process that uses a concentrated heat source in the form of a laser to melt materials that fuse as they cool. Laser welding is a versatile process because it can weld thin materials quickly while forming narrow and deep welds on thicker materials.
Spawanie laserowe wykorzystuje bardzo precyzyjną wiązkę laserową do topienia metali i tworzyw termoplastycznych, dzięki czemu dokładność i precyzja procesu skutkuje niskimi odkształceniami termicznymi, dzięki czemu idealnie nadaje się do spawania wrażliwych materiałów. Proces ten jest zwykle zautomatyzowany, co pozwala na wysokie szybkości lutowania.
Podczas gdy spawarki laserowe kosztują więcej niż tradycyjne procesy spawania, koszty operacyjne są niższe, ponieważ spawanie laserowe niekoniecznie wymaga dodatkowego materiału dodatkowego i obróbki końcowej. Ponadto wyższe prędkości spawania umożliwiają produkcję większej liczby części na godzinę. Technologia spawania laserowego znacznie różni się od tradycyjnych procesów spawania łukowego, takich jak TIG, MIG i SMAW. Nowoczesne aplikacje spawalnicze wykorzystują programowalne roboty z zaawansowaną optyką do precyzyjnego określania obszaru przedmiotu obrabianego.

Rodzaje spawania laserowego

Spawanie laserowe działa w dwóch różnych trybach: spawanie przewodzące ciepło i spawanie głębokich otworów. Wszystkie mają unikalne zasady działania dostosowane do konkretnych zastosowań, a tryb, w którym wiązka lasera oddziałuje na spawany materiał, będzie zależał od gęstości mocy, z jaką wiązka uderza w przedmiot obrabiany.

Spawanie przewodzące ciepło

W tej metodzie do stopienia powierzchni podłoża wykorzystywana jest skupiona wiązka lasera. Proces ten jest zwykle wykonywany za pomocą lasera o małej mocy poniżej 500 W i jest używany głównie do wykonywania spoin, które nie wymagają dużej wytrzymałości spawania. Kiedy złącze ochładza się i krzepnie, powstaje precyzyjne i gładkie spawanie. Spoiny wykonane metodami wymiany ciepła z reguły nie wymagają dodatkowej obróbki wykończeniowej i są gotowe do użycia.
W metodach spawania przewodzonego energia dostaje się do strefy spawania tylko przez przewodzenie ciepła, co ogranicza głębokość spoiny, dlatego proces ten idealnie nadaje się do łączenia cienkich materiałów. Ten rodzaj spawania jest często używany do widocznych spawów, gdzie pożądana jest estetyka.
Istnieją dwie podkategorie spawania przewodzącego ciepło:

Ogrzewanie bezpośrednie – Możliwość nałożenia wiązki laserowej bezpośrednio na metalową powierzchnię.
Przenoszenie energii – na szew nakładany jest atrament absorpcyjny, który absorbuje energię wywieraną przez wiązkę laserową.

Spawanie głębokich otworów

Prowadzenie procesu w trybie spawania głębokich otworów pozwala uzyskać głębokie, wąskie spoiny o jednolitej strukturze. Podczas tego procesu wiązka lasera nagrzewa metal w taki sposób, że odparowuje z powierzchni styku i wnika głęboko w metal. To nie tylko topi metal, ale także go odparowuje, tworząc wąską, wypełnioną parą wnękę zwaną wnęką dziurki od klucza lub kapilarą pary. Gdy promień lasera przechodzi przez przedmiot obrabiany, wypełnia się on stopionym metalem. Spawanie dziurkowe jest procesem przebiegającym z dużą prędkością, dlatego deformacja i powstawanie strefy wpływu ciepła są ograniczone do minimum.

Proces spawania laserowego

Spawanie laserowe działa przy użyciu lasera o dużej gęstości mocy, który doprowadza ciepło do złącza między dwiema metalowymi powierzchniami. Materiał stopi się w szwach i umożliwi stopienie metali w miarę krzepnięcia.
Spawanie laserowe jest zwykle wykonywane przez roboty spawalnicze, które mogą przykładać duże ilości energii z dużą prędkością iz dużą precyzją, prowadzone przez elastyczne światłowody. Powoduje to stopienie wystarczającej ilości metalu w złączu, aby uzyskać wąską spoinę z minimalnymi odkształceniami. Ręczne spawarki laserowe są doskonałą alternatywą dla nieporęcznych urządzeń przemysłowych, ale bezpieczeństwo spawaczy laserowych może być zagrożone i wymagać noszenia specjalistycznej odzieży ochronnej.
Proces spawania można prowadzić w warunkach atmosferycznych, jednak dla materiałów bardziej reaktywnych zaleca się stosowanie osłony gazu obojętnego w celu wyeliminowania ryzyka zanieczyszczenia. Podobnie jak w przypadku spawania wiązką elektronów, spawanie laserowe można wykonywać w próżni, ale nie uznano tego za opłacalne ekonomicznie. Dlatego spawarki laserowe są wyposażone w dysze gazowe, które dostarczają gaz obojętny do obszaru spawania.
Many laser welding applications do not require additional filler material. However, some challenging materials and applications require filler materials to produce satisfactory welds. Adding filler material improves the weld profile, reduces solidification cracking, imparts better mechanical properties to the weld, and allows for a more precise joint fit. The filler material can be in powder form or filler wire. However, since the powder is generally more expensive for most materials, it is more common to use wire stock. The four most common types of joints used with laser welding are butt welds, edge flange welds, filler lap welds, and lap welds.
Spawanie laserowe można wykonywać na różnych materiałach metalowych, w tym na stali miękkiej, stali nierdzewnej, aluminium, tytanie i innych. Spawanie laserowe stali wysokowęglowej generalnie nie jest zalecane ze względu na szybkie stygnięcie i skłonność do pękania.

Typ lasera

Spawarki laserowe do procesów spawania dzielą się głównie na 3 typy: laser gazowy (CO2), laser na ciele stałym i laser światłowodowy.

Laser gazowy (CO2)

Źródłem lasera CO2 jest gaz mieszany, w którym głównym składnikiem jest CO2, a dodatkowo występuje azot i hel. Lasery te mogą pracować w trybie ciągłym lub pulsacyjnym przy niskim prądzie i wysokim napięciu w celu wzbudzenia cząsteczek gazu. Lasery CO2 są również wykorzystywane w specjalnych przypadkach, takich jak spawanie laserowe z podwójną wiązką, w którym generowane są dwie wiązki i układane szeregowo lub obok siebie.

Laser na ciele stałym

Lasery na ciele stałym wykorzystują technologię półprzewodnikową pompowaną diodami (DPSS) do pompowania minerałów, takich jak rubin, szkło lub itr, aluminium i granat (YAG) lub kryształy wanadanu itru (YVO4) przez diody laserowe w celu wytworzenia światła laserowego. Lasery te działają w trybie fali ciągłej lub wiązki impulsowej. Tryb pulsacyjny tworzy złącze podobne do spoiny punktowej, ale z pełnym przetopem. W porównaniu z nowoczesnymi laserami światłowodowymi ten typ lasera ma wiele wad, ale nie można zaprzeczyć, że lasery na ciele stałym nadal charakteryzują się doskonałą stabilnością i jakością wiązki oraz wysoką wydajnością.
Semiconductor-based lasers are also in the solid state but are generally considered a different class than solid-state lasers. These lasers are only good for cheaper smaller projects. However, they are sometimes used when welding in hard-to-reach areas because the equipment is more compact. The beam quality is much poorer than other types of lasers, so it is not common in industrial environments.

Laser światłowodowy

Lasery światłowodowe to nowa klasa laserów na ciele stałym, które oferują wyższą moc lasera, lepszą jakość i bezpieczniejsze działanie. W laserze światłowodowym wiązka laserowa jest wytwarzana, gdy włókno pochłania surowe światło z diody lasera pompującego. Aby osiągnąć to przejście, włókno jest domieszkowane pierwiastkami ziem rzadkich. Dzięki zastosowaniu różnych elementów domieszkujących możliwe jest generowanie wiązek laserowych o szerokim zakresie długości fal, co sprawia, że lasery światłowodowe idealnie nadają się do różnorodnych zastosowań, w tym spawania laserowego i cięcia laserowego. Warto jednak zauważyć, że standardowe głowice do cięcia laserowego nie mogą być używane do spawania, a głowice do spawania laserowego nie mogą sprostać wymaganiom szybkości i jakości cięcia większości zastosowań przemysłowych.

Jakie są wytyczne bezpieczeństwa dotyczące spawania laserowego?

Chociaż ręczna spawarka laserowa jest łatwa w użyciu i ma wbudowane funkcje bezpieczeństwa, należy pamiętać, że jest to potężne urządzenie przemysłowe. Podczas pracy na spawarce laserowej należy pamiętać, że wiązka lasera może być niebezpieczna dla ciała i oczu. Wiązki spawania laserowego są niewidzialnym światłem, więc nie można polegać na wizualnych wskazówkach dotyczących bezpieczeństwa.
Chociaż spawarki laserowe są laserami klasy IV, a funkcje bezpieczeństwa są zintegrowane z systemem, podczas tworzenia programu bezpieczeństwa laserowego należy również wdrożyć tradycyjne wymogi bezpieczeństwa spawania. Oto kilka ogólnych zasad, których należy przestrzegać:

Nosić niepalną odzież, długie rękawy lub kombinezon spawalniczy. Każda osoba w obszarze kontrolowanym przez laser musi używać osobistego wyposażenia ochronnego, w tym okularów ochronnych odpowiednich do rodzaju lasera i konwencjonalnej przyłbicy spawalniczej.
Należy przestrzegać procedur bezpieczeństwa obsługi, biorąc pod uwagę, że światło lasera może zostać odbite.
Nigdy nie obsługuj ręcznej spawarki laserowej, dopóki nie zapoznasz się w pełni z wymogami bezpieczeństwa i procedurami opisanymi w instrukcji obsługi dostarczonej przez producenta.

Zalety spawania laserowego

Doskonała jakość spoiny dzięki niskiemu wprowadzaniu ciepła i precyzyjnemu sterowaniu mocą lasera.
Duża prędkość spawania i niski koszt jednostkowy.
Większe głębokości spawania tworzą spoiny o wysokiej wytrzymałości.
Umożliwia spawanie kombinacji materiałów, których nie można połączyć innymi metodami.
Prosty sprzęt spawalniczy umożliwia spawanie w specjalnych warunkach.

Wady spawania laserowego

Początkowa inwestycja jest wysoka.
Wąskie tolerancje wymagają idealnego dopasowania przedmiotu obrabianego i wyrównania lasera.
Materiały o wysokim współczynniku odbicia i przewodności (aluminium i miedź) mogą dawać złożone wyniki spawania (w przypadku laserów CO2).
Szybkie krzepnięcie może spowodować porowatość i kruchość.
Optyka lasera jest bardzo delikatna i łatwo ją uszkodzić.

Laserowe spawanie hybrydowe

Laserowe spawanie hybrydowe łączy w sobie metody spawania łukiem elektrycznym i wiązką laserową. Dwie metody spawania działają jednocześnie na ten sam obszar spawania, więc efekt spawania ma zalety spawania łukowego i wiązki laserowej, tworząc unikalny proces spawania. Chociaż spawanie laserowe może być stosowane w połączeniu z prawie każdym procesem spawania łukowego, istnieje kilka procesów, które wyróżniają się i są częściej stosowane.
Istnieją trzy główne rodzaje laserowego spawania hybrydowego:

Spawanie addytywne MIG (często równoznaczne z laserowym spawaniem hybrydowym)
spawanie addytywne TIG

Spawanie łukiem plazmowym

Proces spawania hybrydowego zapewnia głęboką penetrację spawania laserowego i profil nakładki spoiny porównywalny z procesami spawania łukowego. Zastosowanie gazu osłonowego i innych materiałów dodatkowych do spawania łukowego pozwala na lepszą kontrolę właściwości spoiny niż samo spawanie laserowe. Laserowe spawanie hybrydowe jest niewątpliwie nowym procesem, który w przyszłości będzie coraz częściej stosowany w przemyśle stoczniowym, kolejowym, motoryzacyjnym i dużych projektach spawania rurociągów.

Często Zadawane Pytania

Czy spawanie laserowe wymaga gazu?

Lasery mogą być wykonywane z gazem lub bez, w zależności od zastosowania i spawanego materiału. W niektórych przypadkach do wytworzenia atmosfery osłonowej wokół obszaru spawania można użyć gazu osłonowego, takiego jak argon, hel lub azot. Jest to szczególnie ważne podczas spawania materiałów wrażliwych na utlenianie, takich jak tytan lub aluminium. Rodzaj używanego gazu zależy od spawanego materiału, procesu spawania i używanego sprzętu.
W niektórych przypadkach można zastosować mieszaninę gazów, aby uzyskać określony efekt spawania. Na przykład mieszanina helu i argonu może być używana do spawania stali nierdzewnej, podczas gdy azot jest często używany do spawania aluminium. Użycie gazu jest ważnym aspektem spawania laserowego i przyczynia się do jakości i niezawodności spoiny.

Czy spawanie laserowe jest mocne?

Yes, laser welding is a robust and reliable welding method. Laser welding uses a highly focused laser beam to melt and fuse metal surfaces to form a strong, high-quality bond. The heat generated by the high-power laser beam is highly concentrated, resulting in minimal deformation and a very narrow heat-affected zone.
Wytrzymałość spawania laserowego zależy od wielu czynników, w tym rodzaju spawanego metalu i zastosowanego procesu spawania. Właściwe przygotowanie i parametry spawania, takie jak moc lasera, prędkość i czas trwania impulsu, muszą być dokładnie kontrolowane, aby zapewnić mocną i niezawodną spoinę. Ogólnie rzecz biorąc, spawanie laserowe jest szczególnie skuteczne w przypadku spawania cienkich materiałów, ponieważ minimalizuje ciepło i odkształcenia powstające podczas procesu spawania.
Spawanie laserowe jest powszechnie stosowane w zastosowaniach, w których wytrzymałość i precyzja mają kluczowe znaczenie, takich jak przemysł lotniczy, motoryzacyjny i produkcja urządzeń medycznych. Warto jednak zauważyć, że wytrzymałość spoiny zależy również od właściwego projektu i wykonania spoiny, dlatego niezwykle ważne jest zaangażowanie w ten proces doświadczonych spawaczy i inżynierów.

Jakie metale można spawać laserem?

Spawanie laserowe to bardzo precyzyjna metoda spawania, którą można stosować do łączenia wielu różnych rodzajów metali, w tym:

Stal: Spawanie laserowe jest powszechnie stosowane do spawania różnych gatunków stali, w tym stali miękkiej, stali nierdzewnej i stali o wysokiej wytrzymałości, ponieważ może zapewnić wysokiej jakości spoiny przy niskim wkładzie ciepła.
Aluminium: Spawanie laserowe jest skuteczną metodą spawania aluminium ze względu na jego wysoki współczynnik odbicia i przewodność cieplną.
Miedź: Spawanie laserowe jest również skuteczne w spawaniu miedzi i mosiądzu, podczas gdy tradycyjne techniki spawania są trudne do spawania miedzi, są często stosowane w elektronice i instalacjach hydraulicznych.
Tytan: Spawanie laserowe jest często stosowane do spawania tytanu ze względu na jego wysoką temperaturę topnienia i reaktywność.
Złoto i srebro: Spawanie laserowe może być również stosowane do spawania metali szlachetnych, takich jak złoto i srebro, które są często używane w produkcji biżuterii i innych zaawansowanych zastosowaniach.
Nikiel i jego stopy: Spawanie laserowe może być stosowane do spawania niklu i jego stopów, takich jak Inconel, który jest często używany w lotnictwie i innych zastosowaniach o wysokiej wydajności.
Magnez: Magnez jest metalem lekkim, który można spawać laserowo, zwłaszcza w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym.

Spawanie laserowe to wszechstronna metoda spawania, którą można stosować do łączenia szerokiej gamy metali, zarówno żelaznych, jak i nieżelaznych. Jednak dokładna przydatność spawania laserowego do określonego metalu będzie zależała od specyficznych właściwości metalu i wymagań aplikacji spawalniczej.

Czy spawanie laserowe wykorzystuje drut spawalniczy?

Zasadniczo spawanie laserowe nie wykorzystuje drutu spawalniczego. W przeciwieństwie do innych rodzajów procesów spawalniczych, takich jak spawanie MIG (metal w osłonie gazów obojętnych) lub TIG (wolfram w osłonie gazów obojętnych), spawanie laserowe nie wymaga dodatkowego materiału, takiego jak drut spawalniczy, aby połączyć ze sobą dwa kawałki metalu. Spawanie laserowe wykorzystuje skupioną wiązkę lasera o dużej intensywności do stopienia i połączenia dwóch kawałków metalu. Ciepło wytwarzane przez wiązkę laserową jest zwykle wystarczające do stopienia metalu bez dodatkowego materiału spawalniczego.
Jednak w niektórych przypadkach do złącza można dodać niewielką ilość materiału wypełniającego, aby zwiększyć jego wytrzymałość lub pomóc w wypełnieniu szczeliny między dwiema łączonymi częściami. Ten materiał wypełniający ma zwykle postać drutu lub proszku i jest dodawany do złącza w procesie ręcznym lub automatycznym. Ponadto niektóre techniki spawania laserowego, takie jak hybrydowe spawanie laserowe, mogą wykorzystywać drut spawalniczy w celu uzyskania bardziej stabilnego łuku i zmniejszenia rozprysków.

Jakie są wady spawania laserowego?

Spawanie laserowe jest szeroko stosowanym procesem w różnych branżach, w tym w motoryzacji, lotnictwie i medycynie. Chociaż spawanie laserowe ma wiele zalet, takich jak wysoka precyzja, duża prędkość i niewielkie odkształcenia, istnieje również kilka potencjalnych wad procesu spawania. Niektóre pułapki spawania laserowego obejmują:

Porowatość: tworzenie się małych pustych przestrzeni lub porów w spawanym materiale, spowodowane przez gazy uwięzione podczas procesu spawania, które mogą osłabić spawane złącze i zmniejszyć jego wytrzymałość.
Pęknięcia: Spawanie laserowe może tworzyć silnie skoncentrowaną strefę wpływu ciepła, co może prowadzić do pękania spawanego materiału, zwłaszcza jeśli materiał ma wysoki współczynnik rozszerzalności cieplnej lub prędkość spawania jest zbyt mała.
Niepełne stopienie: Niewystarczająca moc lasera do całkowitego stopienia metalu podstawowego lub spoiny spowoduje niepełne stopienie spoiny, co skutkuje słabym lub niekompletnym połączeniem.
Podcinanie: Nadmierne stopienie materiału podstawowego może powodować rowki lub wyszczerbienia na krawędzi spoiny, osłabiając wytrzymałość złącza.
Wypaczanie: spawanie laserowe generuje dużo ciepła, powodując rozszerzanie się i kurczenie spawanego materiału. Może to spowodować odkształcenie lub wypaczenie spawanego materiału, co może wpłynąć na dokładność wymiarową i jakość produktu, zwłaszcza w przypadku cienkich lub delikatnych materiałów.
Utlenianie: Narażenie na tlen podczas spawania laserowego może powodować utlenianie materiału podstawowego, co skutkuje osłabieniem połączeń i zmniejszoną odpornością na korozję.
Wrażliwość na montaż złącza: Spawanie laserowe wymaga precyzyjnego wyrównania dwóch spawanych części. Jakakolwiek niewspółosiowość lub zmiana wymiarów szczeliny wpłynie na jakość spoiny.

Aby zminimalizować te defekty, należy zoptymalizować parametry procesu spawania laserowego, w tym moc lasera, prędkość spawania i ogniskowanie wiązki, a także stosować odpowiednie materiały dodatkowe i gazy osłonowe. Ponadto właściwa obróbka powierzchni, konstrukcja złącza i obróbka cieplna po spawaniu mogą również pomóc w ograniczeniu występowania wad spawania laserowego.

Podsumować

Spawanie laserowe służy do spawania bardzo precyzyjnego, a ponieważ nie wykorzystuje żadnych elektrod, końcowy wynik spawania będzie lekki, ale mocny. Początkowa inwestycja jest kosztowna, ale jakości i właściwości spawania laserowego nie da się łatwo odtworzyć. Ponieważ lasery stają się coraz mocniejsze i bardziej energooszczędne, przyszłość spawania laserowego rysuje się w jasnych barwach!

Sprzęt laserowy

Informacje kontaktowe

Uzyskaj rozwiązania laserowe