Spawanie laserowe: wybór materiału i ograniczenia

Spawanie laserowe jest nową technologią przemysłową w przemysłowej obróbce spawalniczej. Ma zalety dużej prędkości spawania, wysokiej precyzji, wysokiej wydajności oraz gładkich i pięknych spoin. Spawarki laserowe są szeroko stosowane i umożliwiają spawanie różnych materiałów. Ale jakich materiałów nie można stosować w spawarkach laserowych? W tym artykule omówiono wybór materiałów i ograniczenia spawania laserowego, zbadano rodzaje materiałów, które spawanie laserowe może spawać i materiały, które nie nadają się do spawania laserowego, a także dogłębnie przeanalizowano przyczyny.

Podstawowe zasady spawania laserowego

Przed zagłębieniem się w odpowiednie materiały do spawania laserowego należy zrozumieć podstawowe zasady spawania laserowego. Spawanie laserowe to metoda spawania, która wykorzystuje wysoką energię wiązki lasera do miejscowego podgrzania powierzchni przedmiotu obrabianego, aby go natychmiast stopić i po zastygnięciu utworzyć złącze spawane.
Podstawowe etapy spawania laserowego obejmują generowanie, modulację i skupianie wiązki lasera. W pierwszej kolejności generator laserowy generuje niezwykle intensywną wiązkę lasera, a następnie wiązka lasera jest modulowana i skupiana poprzez układ optyczny, tak aby mogła dokładnie oświetlić obszar spawania. W obszarze spawania laser o dużej gęstości energii szybko nagrzewa powierzchnię przedmiotu obrabianego powyżej temperatury krytycznej, powodując jego natychmiastowe stopienie i utworzenie jeziorka. Stopione jeziorko następnie ochładza się i krzepnie, tworząc mocną spoinę.
Jest to nowa metoda spawania stosowana głównie do spawania materiałów cienkościennych i części precyzyjnych. Może osiągnąć efekty spawalnicze, takie jak zgrzewanie punktowe, zgrzewanie stosowe i zgrzewanie uszczelek. Ta metoda spawania charakteryzuje się małą szerokością spoiny, małą strefą wpływu ciepła, dużą prędkością spawania, pięknym wyglądem i brakiem konieczności obróbki po spawaniu. Ale to stawia również pewne wymagania dotyczące wyboru materiałów.

Materiały, które można spawać laserowo

Lasery umożliwiają spawanie ze sobą wielu różnych rodzajów materiałów. W porównaniu z tradycyjnymi metodami spawania termicznego lub elektrycznego, ma szerszy zakres zastosowań i może spawać różnorodne materiały metalowe i niemetalowe. Głównie obejmują następujące kategorie:

Materiały metalowe

Spawanie laserowe jest szeroko stosowane w spawaniu materiałów metalowych i nadaje się do różnych materiałów metalowych, w tym między innymi do następujących kategorii:

Stal nierdzewna

Ze względu na prędkość spawania i małą strefę wpływu ciepła spawarki laserowej, zjawisko przegrzania i duży współczynnik rozszerzalności liniowej spawania stali nierdzewnej są łagodzone, a szew spawalniczy nie ma wad, takich jak pory i wtrącenia. W porównaniu ze stalą węglową, stal nierdzewna jest łatwiejsza do uzyskania wąskich spoin o głębokiej penetracji ze względu na jej niską przewodność cieplną, wysoki współczynnik absorpcji energii i wysoką wydajność topienia. Spawanie cienkich blach za pomocą spawarki laserowej małej mocy pozwala uzyskać dobrze uformowane połączenia z gładkimi i pięknymi spoinami.

Stop aluminium

Aluminium i stopy aluminium są materiałami o wysokim współczynniku odbicia i dobrej przewodności cieplnej, a spawanie laserowe umożliwia wydajne spawanie. Podczas spawania aluminium i jego stopów wraz ze wzrostem temperatury mogą pojawić się puste przestrzenie w grani, a ścieg spoiny może być słabo uformowany. Spawanie laserowe może skutecznie zmniejszyć strefę wpływu ciepła i uniknąć deformacji i pęknięć materiału.

Stopu tytanu

Stopy tytanu są również jednym z idealnych wyborów do spawania laserowego ze względu na ich wysoką wytrzymałość i odporność na korozję. Spawanie laserowe umożliwia uzyskanie wysokiej jakości spoin bez niszczenia właściwości stopów tytanu.

Materiały niemetalowe

Spawanie laserowe nadaje się nie tylko do materiałów metalowych, ale może być również stosowane do spawania niektórych materiałów niemetalowych, szczególnie w zastosowaniach wymagających dużej precyzji i niskiego wpływu termicznego. Poniżej przedstawiono niektóre materiały niemetalowe, które można spawać za pomocą spawania laserowego:

Plastikowy

Spawanie laserowe doskonale sprawdza się w spawaniu materiałów z tworzyw sztucznych. Ta metoda spawania może być stosowana do polimerów, tworzyw termoplastycznych i termoutwardzalnych i jest szeroko stosowana w produkcji wyrobów medycznych, elektroniki i części samochodowych.

Ceramiczny

Spawanie laserowe można stosować do spawania materiałów ceramicznych, w tym ceramiki z tlenku glinu i ceramiki z tlenku cyrkonu. Ma to ważne zastosowania w elektronice, optyce i lotnictwie, ponieważ spawanie laserowe oferuje zalety wysokiej precyzji i braku kontaktu.

Materiały gumowe i elastyczne

W przypadku niektórych materiałów niemetalowych o dobrej elastyczności można również rozważyć spawanie laserowe. Może to mieć zastosowanie w specjalnych obszarach, takich jak produkcja wyrobów medycznych i elastycznych urządzeń elektronicznych.

Materiały, których nie można spawać laserowo

Warto jednak zaznaczyć, że nie wszystkie materiały nadają się do spawania laserowego. Oto niektóre materiały, których spawanie laserowe na ogół nie jest w stanie skutecznie spawać:

Materiały silnie odblaskowe

Spawanie laserowe opiera się na wysokiej energii wiązki laserowej, która podgrzewa powierzchnię materiału. Dlatego w przypadku materiałów silnie odblaskowych wiązka lasera może zostać odbita i nie może zostać skutecznie ogrzana, co utrudnia spawanie. Typowe materiały silnie odblaskowe obejmują miedź i stopy miedzi. Po obróbce mogą wystąpić problemy związane z brakiem stopienia i penetracji. Dlatego wymagana jest skoncentrowana energia, źródła ciepła o dużej mocy i środki podgrzewania wstępnego.

Przezroczysty materiał, tworzywo sztuczne

Spawanie laserowe nie nadaje się do spawania materiałów przezroczystych, ponieważ wiązka lasera nie jest w stanie wytworzyć wystarczającej absorpcji w materiałach o wysokiej przezroczystości. Dotyczy to szkła i niektórych tworzyw sztucznych.

Materiały wrażliwe na temperaturę

Na niektóre materiały o wysokiej wrażliwości na temperaturę, takie jak tworzywa termoplastyczne, może oddziaływać nadmierne ciepło w środowisku o wysokiej temperaturze spawania laserowego, co powoduje spadek wydajności materiału.

Wysoce odblaskowa powłoka metaliczna

Niektóre materiały pokryte są silnie odblaskowymi powłokami metalowymi, które mogą powodować odbicie wiązki lasera i brak możliwości skutecznego nagrzania podłoża.

Materiały wysoce higroskopijne

Spawanie laserowe wymaga stosunkowo suchego środowiska, a w przypadku materiałów o wysokiej higroskopijności wilgoć może zakłócać proces spawania.

Jakie czynniki decydują o spawalności materiału?

Na spawalność spawania laserowego wpływa wiele czynników, obejmujących głównie właściwości termiczne, właściwości optyczne, właściwości chemiczne i właściwości fizyczne materiału. Poniżej znajduje się szczegółowy opis tych czynników z tych czterech aspektów:

Właściwości optyczne materiałów

Współczynnik absorpcji: Zdolność materiału do pochłaniania wiązki lasera zależy od jego współczynnika absorpcji. Wysoki współczynnik absorpcji sprawia, że materiał jest łatwiej nagrzewany przez wiązkę lasera, co ułatwia spawanie.
Przezroczystość: Materiały o dużej przezroczystości zwykle nie nadają się do spawania laserowego, ponieważ laserowi trudno jest uzyskać wystarczającą absorpcję w materiałach przezroczystych. Materiały powinny charakteryzować się wysoką absorpcyjnością, niskim współczynnikiem odbicia i przepuszczalnością, aby zapewnić wydajne i stabilne spawanie

Właściwości cieplne materiałów

Temperatura topnienia i temperatura wrzenia: Temperatura topnienia i temperatura wrzenia materiału bezpośrednio wpływają na przydatność spawania laserowego. Niższa temperatura topnienia ułatwia spawanie laserowe, ułatwiając natychmiastowe topienie materiałów.
Przewodność cieplna: Przewodność cieplna wpływa na szybkość wymiany ciepła w obszarze spawania. Wyższa przewodność cieplna może powodować zbyt szybkie stygnięcie spoiny, powodując pęknięcia lub deformacje.

Właściwości chemiczne materiałów

Utlenianie: Materiały silnie utleniające mogą podczas procesu spawania tworzyć tlenki, wpływając na jakość spoiny. Wybierając materiały odpowiednie do spawania laserowego, należy wziąć pod uwagę ich właściwości utleniające.
Reakcja chemiczna: To, czy materiał będzie ulegał reakcji chemicznej w wysokich temperaturach, zwłaszcza wchodząc w interakcję z gazami w środowisku spawania, może mieć wpływ na jakość spoiny.

Właściwości fizyczne materiałów

Współczynnik rozszerzalności: Współczynnik rozszerzalności cieplnej materiału wpływa na odkształcenie termiczne podczas spawania. Dopasowane materiały i procesy spawania mogą zmniejszyć ryzyko deformacji.
Twardość: Twardość materiału będzie miała wpływ na proces tworzenia i krzepnięcia stopionego jeziorka podczas spawania laserowego, co może mieć wpływ na jakość spawania.

Uwzględniając powyższe czynniki, można dokładniej ocenić przydatność spawania laserowego do konkretnego materiału. W zastosowaniach praktycznych kompleksowa analiza tych czynników pozwala na dobór odpowiednich parametrów i procesów spawania zapewniających efektywność spawanie laserowe i jakość spoiny.

Wyzwania i kierunki zastosowań spawania laserowego

Chociaż spawanie laserowe odniosło niezwykły sukces w wielu dziedzinach, w przyszłości nadal stoi przed pewnymi wyzwaniami, które mogą mieć wpływ na zakres jego zastosowań i skuteczność. Poniżej przedstawiono wyzwania stojące przed technologią spawania laserowego:

Możliwość dostosowania materiału

Materiały odblaskowe: W przypadku materiałów silnie odblaskowych, takich jak aluminium i miedź, spawanie laserowe ma trudności z efektywnym ogrzaniem powierzchni, co utrudnia spawanie.
Materiały przezroczyste: Wiązka laserowa ma trudności z uzyskaniem wystarczającej absorpcji w materiałach przezroczystych, co utrudnia spawanie laserowe materiałów przezroczystych.

Kontrola procesu

Gradient wysokiej temperatury: Gradient wysokiej temperatury wytwarzany przez spawanie laserowe może powodować odkształcenia termiczne i naprężenia szczątkowe w obszarze spawania, wpływając na jakość spawania.
Kontrola szwu spawalniczego: W przypadku spawania skomplikowanych kształtów spawanie laserowe napotyka pewne wyzwania w zakresie precyzyjnej kontroli szwu spawalniczego.

Koszt i złożoność sprzętu

Koszt sprzętu: Sprzęt do spawania laserowego jest stosunkowo drogi w zakupie i utrzymaniu, co może stanowić czynnik ograniczający w niektórych zastosowaniach.
Złożoność: Systemy spawania laserowego często wymagają bardzo złożonego sprzętu i kontroli procesu, a także wymagają wysokich umiejętności operatora.

Efektywność produkcji

Szybkość produkcji: W niektórych sytuacjach produkcyjnych na dużą skalę spawanie laserowe może nie być tak szybkie jak inne tradycyjne metody spawania, co ogranicza jego zastosowanie w środowiskach o dużej objętości.

Rozwój wysokoenergetycznych źródeł laserowych

Na jakość i wydajność spawania laserowego wpływa moc źródła lasera. W przyszłości potrzebne będą mocniejsze, stabilne i niezawodne źródła lasera o wysokiej energii, aby zwiększyć prędkość i głębokość spawania oraz dostosować się do szerszej gamy materiałów.

Przyjazny dla środowiska

Nowoczesna produkcja w coraz większym stopniu koncentruje się na zrównoważonym rozwoju środowiska, dlatego technologia spawania laserowego musi ograniczać wytwarzanie odpadów, zużycie energii i negatywny wpływ procesu na środowisko.

Podsumować

Spawanie laserowe to proces, który umożliwia spawanie materiałów o różnych właściwościach i grubościach. Spawalność materiału zależy od jego właściwości optycznych, termicznych i chemicznych. Nadaje się do spawania różnych materiałów metalowych i niemetalowych i charakteryzuje się wysoką wydajnością i precyzją. Jednakże nadal wpływają na to właściwości materiału i istnieją pewne ograniczenia w przypadku niektórych konkretnych materiałów. Uważa się, że wraz z ciągłym rozwojem technologii laserowej spawanie laserowe będzie miało w przyszłości szersze zastosowanie i pozwoli pokonać coraz więcej wyzwań materiałowych.
AccTek Laser to zaufany partner dla osób poszukujących niezawodnych, zaawansowanych rozwiązań w zakresie spawania laserowego. Nasze najnowocześniejsze spawarki laserowe zostały zaprojektowane tak, aby spełniać różnorodne potrzeby branży, zapewniając precyzję i wydajność w przypadku różnorodnych materiałów. Nasz zespół ekspertów jest gotowy udzielić pomocy i wskazówek, zapewniając płynną integrację technologii spawania laserowego z procesem produkcyjnym. Prosimy o kontakt AccTek Laser o konsultację i poznanie przyszłości technologii spawania laserowego.

Sprzęt laserowy

Informacje kontaktowe

Uzyskaj rozwiązania laserowe