Lāzera metināšanas pamati
Lāzera metināšana ir bezkontakta process, kam nepieciešama piekļuve metināšanas zonai no vienas metināmo detaļu puses.
• Metinājuma šuve veidojas, intensīvajam lāzera staram strauji uzsildot materiālu — parasti tas notiek milisekundēs.
• Parasti ir 3 metināšanas veidu:
– Vadītspējas režīms.
– Vadīšanas/iespiešanās režīms.
– Iekļūšanas vai atslēgas cauruma režīms.
• Vadītspējas režīma metināšana tiek veikta ar zemu enerģijas blīvumu, veidojot seklu un platu metināšanas tīrradni.
• Vadīšanas/iespiešanās režīms notiek pie vidēja enerģijas blīvuma un uzrāda lielāku iespiešanos nekā vadīšanas režīms.
• Penetrācijas jeb atslēgas cauruma metināšanai raksturīgas dziļas, šauras metinājuma šuves.
– Šajā režīmā lāzera gaisma veido iztvaikota materiāla pavedienu, kas pazīstams kā “atslēgas caurums”, kas stiepjas materiālā un nodrošina kanālu, lai lāzera gaisma efektīvi nonāktu materiālā.
– Šī tiešā enerģijas piegāde materiālā nav atkarīga no vadītspējas, lai panāktu iekļūšanu, un tādējādi samazina siltuma iekļūšanu materiālā un samazina karstuma ietekmēto zonu.
Vadošā metināšana
• Vadītspējas savienošana apraksta procesu grupu, kurā lāzera stars tiek fokusēts:
– Lai nodrošinātu jaudas blīvumu aptuveni 10³ Wmm⁻²
– Tas savieno materiālu, lai izveidotu savienojumu bez ievērojamas iztvaikošanas.
• Vadītspējas metināšanai ir 2 režīmi:
– Tieša apkure
– Enerģijas pārvade.
Tiešais karstums
• Tiešas sildīšanas laikā,
– siltuma plūsmu regulē klasiskā siltumvadītspēja no virsmas siltuma avota, un metinājums tiek izveidots, izkausējot pamatmateriāla daļas.
• Pirmās vadītspējas metināšanas tika veiktas 1. gs. sešdesmito gadu sākumā, izmantojot zemas jaudas impulsa rubīna un CO2 lāzeri vadu savienotājiem.
• Vadītspējas metināšanas šuves var veidot plašā metālu un sakausējumu klāstā stiepļu un plānu lokšņu veidā dažādās konfigurācijās, izmantojot.
- CO2 , Nd:YAG un diožu lāzeri ar jaudu desmitiem vatu.
– Tieša apkure ar CO2 Lāzera staru var izmantot arī polimēru loksņu pārlaiduma un mucas metinājumiem.
Transmisijas metināšana
• Transmisijas metināšana ir efektīvs veids, kā savienot polimērus, kas pārraida Nd:YAG un diodes lāzeru tuvā infrasarkanā starojuma starojumu.
• Enerģija tiek absorbēta, izmantojot jaunas starpfāžu absorbcijas metodes.
• Kompozītmateriālus var savienot, ja matricas un stiegrojuma termiskās īpašības ir līdzīgas.
• Vadīšanas metināšanas enerģijas pārneses režīms tiek izmantots ar materiāliem, kas pārraida tuvu infrasarkano starojumu, īpaši polimēriem.
• Absorbējoša tinte tiek novietota pārlaiduma savienojuma saskarnē. Tinte absorbē lāzera stara enerģiju, kas tiek novadīta ierobežotā apkārtējā materiāla biezumā, veidojot izkausētu starpfāžu plēvi, kas sacietē, metinot savienojumu.
• Bieza profila pārlaiduma savienojumus var veidot, neizkausējot savienojuma ārējās virsmas.
• Muguras metinājumus var veidot, virzot enerģiju uz savienojuma līniju leņķī caur materiālu savienojuma vienā pusē vai no viena gala, ja materiālam ir augsta caurlaidība.
Lāzera lodēšana un cietlodēšana
• Lāzera lodēšanas un cietlodēšanas procesos staru kūli izmanto, lai izkausētu pildvielu, kas samitrina savienojuma malas, neizkausējot pamatmateriālu.
• Lāzerlodēšana sāka iegūt popularitāti 1980. gs. astoņdesmito gadu sākumā elektronisko komponentu vadu savienošanai caur caurumiem iespiedshēmu platēs. Procesa parametrus nosaka materiāla īpašības.
Iespiešanās lāzera metināšana
• Pie liela jaudas blīvuma visi materiāli iztvaikos, ja enerģiju varēs absorbēt. Tādējādi, metinot šādā veidā, caurums parasti veidojas iztvaikošanas rezultātā.
• Pēc tam šis "caurums" tiek izgriezts cauri materiālam, aiz tā noblīvējot izkausētās sienas.
• Rezultāts ir tā sauktā "atslēgas cauruma metinājuma" šuve. To raksturo paralēlo malu kušanas zona un šaurs platums.
Lāzera metināšanas efektivitāte
• Termins, kas definē šo efektivitātes jēdzienu, ir pazīstams kā "apvienošanās efektivitāte".
• Savienojuma efektivitāte nav patiesa efektivitāte, jo tai ir mērvienības (mm2 savienots /kJ piegādāts).
– Efektivitāte = Vt/P (griešanas īpatnējās enerģijas apgrieztā vērtība), kur V = šķērsvirziena ātrums, mm/s; t = metinātā materiāla biezums, mm; P = krītošā jauda, kW.
Pievienošanās efektivitāte
• Jo augstāka ir savienošanas efektivitātes vērtība, jo mazāk enerģijas tiek patērēts nevajadzīgai sildīšanai.
– Apakšējā karstuma ietekmes zona (HAZ).
– Mazāka deformācija.
• Šajā ziņā visefektīvākā ir pretestības metināšana, jo kušanas un HAZ enerģija tiek ģenerēta tikai metināmajā saskarnē ar augstu pretestību.
• Lāzeram un elektronu staram arī ir laba efektivitāte un augsts jaudas blīvums.
Procesa variācijas
• Arka pastiprināta lāzera metināšana.
– Lāzera stara mijiedarbības punkta tuvumā uzstādītā TIG degļa loks automātiski fiksēsies uz lāzera ģenerētā karstajiem punktiem.
– Šīs parādības norisei nepieciešamā temperatūra ir aptuveni par 300 °C augstāka nekā apkārtējā temperatūra.
– Ietekme ir vai nu stabilizēt loku, kas ir nestabils tā šķērsvirziena ātruma dēļ, vai arī samazināt stabila loka pretestību.
– Bloķēšanās notiek tikai lokiem ar zemu strāvu un līdz ar to lēnu katoda strūklu; tas ir, ja strāva ir mazāka par 80 A.
– Loks atrodas tajā pašā sagataves pusē, kur lāzers, kas ļauj divkāršot metināšanas ātrumu, nedaudz palielinot kapitālieguldījumus.
• Divstaru lāzermetināšana
– Ja vienlaikus tiek izmantoti 2 lāzera stari, pastāv iespēja kontrolēt metināšanas vannas ģeometriju un metināšanas lodītes formu.
– Izmantojot 2 elektronu starus, atslēgas caurumu varēja stabilizēt, kā rezultātā metināšanas vannā radās mazāk viļņu un tika panākta labāka iespiešanās un lodītes forma.
– Eksimērs un CO2 Lāzera staru kombinācija uzrādīja uzlabotu saikni augstas atstarošanas materiālu, piemēram, alumīnija vai vara, metināšanai.
– Uzlabotā sasaiste tika apsvērta galvenokārt šādu iemeslu dēļ:
• mainot atstarošanas spēju virsmas viļņošanās dēļ, ko izraisa eksimērs.
• sekundārs efekts, kas rodas no savienošanās caur eksimēra ģenerēto plazmu.
