Lazerinio suvirinimo pagrindai
Lazerinis suvirinimas yra bekontaktis procesas, kuriam reikalinga prieiga prie suvirinimo zonos iš vienos suvirinamų detalių pusės.
• Suvirinimo siūlė susidaro intensyviai lazerio šviesai greitai įkaitinus medžiagą – paprastai tai apskaičiuojama per milisekundes.
• Paprastai yra 3 suvirinimo siūlių tipai:
– Laidumo režimas.
– Laidumo / prasiskverbimo režimas.
– Įsiskverbimo arba rakto skylutės režimas.
• Laidinio suvirinimo režimas atliekamas esant mažam energijos tankiui, suformuojant negilų ir platų suvirinimo grynuolį.
• Laidumo/prasiskverbimo režimas pasireiškia esant vidutiniam energijos tankiui ir pasižymi didesniu prasiskverbimu nei laidumo režimas.
• Įskverbimo arba rakto skylutės tipo suvirinimui būdingi gilūs, siauri suvirinimo siūlės.
– Šiuo režimu lazerio šviesa suformuoja išgarintos medžiagos siūlelį, vadinamą „rakto skylute“, kuris įsiskverbia į medžiagą ir suteikia kanalą, kuriuo lazerio šviesa efektyviai patenka į medžiagą.
– Šis tiesioginis energijos tiekimas į medžiagą nereikalauja laidumo, kad būtų pasiektas įsiskverbimas, todėl sumažinamas šilumos patekimas į medžiagą ir sumažinama karščio paveikta zona.
Laidumo suvirinimas
• Laidinis sujungimas apibūdina procesų šeimą, kurioje lazerio spindulys yra fokusuojamas:
– Kad galios tankis būtų maždaug 10³ Wmm⁻²
– Jis sulydo medžiagą, kad sukurtų jungtį be didelio garavimo.
• Suvirinimas laidiniu būdu turi 2 režimus:
– Tiesioginis šildymas
– Energijos perdavimas.
Tiesioginė šiluma
• Tiesioginio šildymo metu,
– šilumos srautą reguliuoja klasikinis šilumos laidumas iš paviršinio šilumos šaltinio, o suvirinimo siūlė atliekama lydant pagrindinės medžiagos dalis.
• Pirmieji laidumo suvirinimo siūlės buvo atliktos septintojo dešimtmečio pradžioje, naudojant mažos galios impulsinį rubino ir CO2 lazeriai laidų jungtims.
• Laidinio suvirinimo siūlės gali būti atliekamos iš įvairių metalų ir lydinių vielų ir plonų lakštų pavidalu, įvairiomis konfigūracijomis naudojant.
- CO2 , Nd:YAG ir diodiniai lazeriai, kurių galia siekia dešimtis vatų.
– Tiesioginis šildymas naudojant CO2 Lazerio spindulys taip pat gali būti naudojamas polimerinių lakštų suvirinimui per visą ilgį ir užpakalį.
Transmisinis suvirinimas
• Transmisinis suvirinimas yra efektyvus būdas sujungti polimerus, kurie praleidžia Nd:YAG ir diodinių lazerių artimąją infraraudonąją spinduliuotę.
• Energija sugeriama taikant naujus tarpfazinės sugerties metodus.
• Kompozitus galima sujungti, jei matricos ir armatūros terminės savybės yra panašios.
• Konduktyvinio suvirinimo energijos perdavimo būdas naudojamas su medžiagomis, kurios praleidžia artimąją infraraudonąją spinduliuotę, ypač polimerais.
• Ant persidengiančios jungties paviršiaus užtepamas sugeriantis rašalas. Rašalas sugeria lazerio spindulio energiją, kuri perduodama į ribotą aplinkinės medžiagos storį ir sudaro išlydytą tarpsluoksninę plėvelę, kuri sukietėja kaip suvirinta jungtis.
• Storo profilio persidengimo jungtis galima pagaminti neišlydant išorinių jungties paviršių.
• Sandūriniai suvirinimo siūlės gali būti atliekamos nukreipiant energiją į jungties liniją kampu per medžiagą vienoje jungties pusėje arba iš vieno galo, jei medžiaga yra labai pralaidi.
Lazerinis litavimas ir kietasis litavimas
• Lazerinio litavimo ir kietojo litavimo procesuose pluoštas naudojamas užpildo priedui išlydyti, kuris sudrėkina jungties kraštus neišlydydamas pagrindinės medžiagos.
• Lazerinis litavimas pradėjo populiarėti devintojo dešimtmečio pradžioje, kai elektroninių komponentų laidai buvo sujungti per spausdintinių plokščių skyles. Proceso parametrus lemia medžiagos savybės.
Lazerinis suvirinimas skverbimosi būdu
• Esant dideliam galios tankiui, visos medžiagos išgaruos, jei energija gali būti absorbuojama. Taigi, suvirinant tokiu būdu, skylė paprastai susidaro dėl garavimo.
• Ši „skylė“ tada pramušama medžiaga, o išsilydžiusios sienelės užsandarinamos.
• Rezultatas yra tai, kas vadinama „rakto skylės suvirinimu“. Jam būdinga lygiagrečių pusių suvirinimo zona ir siauras plotis.
Lazerinio suvirinimo efektyvumas
• Šiai efektyvumo sampratai apibrėžti naudojamas terminas „sujungimo efektyvumas“.
• Jungimo efektyvumas nėra tikrasis efektyvumas, nes jis nurodomas (mm2 sujungtų /kJ tiekiamų) vienetais.
– Efektyvumas = Vt/P (savitosios pjovimo energijos atvirkštinė vertė), kur V = skersinis greitis, mm/s; t = suvirinto sluoksnio storis, mm; P = kritimo galia, kW.
Prisijungimo efektyvumas
• Kuo didesnė jungimo efektyvumo vertė, tuo mažiau energijos sunaudojama nereikalingam šildymui.
– Apatinė karščio paveikta zona (HAZ).
– Mažesnis iškraipymas.
• Šiuo atžvilgiu efektyviausias yra kontaktinis suvirinimas, nes lydymosi ir HAZ energija generuojama tik suvirinamoje didelio pasipriešinimo sąsajoje.
• Lazeris ir elektronų pluoštas taip pat pasižymi geru našumu ir dideliu galios tankiu.
Proceso variantai
• Lankinis lazerinis suvirinimas.
– TIG degiklio, sumontuoto netoli lazerio spindulio sąveikos taško, lankas automatiškai užsifiksuos lazerio generuojamame karštajame taške.
– Šiam reiškiniui atsirasti reikalinga temperatūra yra apie 300 °C aukštesnė už aplinkos temperatūrą.
– Poveikis yra arba stabilizuoti lanką, kuris yra nestabilus dėl savo skersinio greičio, arba sumažinti stabilaus lanko varžą.
– Užfiksavimas įvyksta tik esant mažai srovei ir todėl lėtam katodo srautui, t. y. esant mažesnei nei 80 A srovei.
– Lankas yra toje pačioje ruošinio pusėje kaip ir lazeris, todėl galima padvigubinti suvirinimo greitį, šiek tiek padidinant kapitalo sąnaudas.
• Dviejų spindulių lazerinis suvirinimas
– Jei vienu metu naudojami 2 lazerio spinduliai, galima valdyti suvirinimo vonios geometriją ir suvirinimo siūlės formą.
– Naudojant 2 elektronų pluoštus, galima stabilizuoti rakto skylę, dėl to suvirinimo vonelėje susidaro mažiau bangų, o įsiskverbimas ir siūlės forma pagerėja.
– Eksimeris ir CO2 Lazerio spindulių derinys parodė geresnį sujungimą, leidžiantį suvirinti didelio atspindžio medžiagas, tokias kaip aliuminis ar varis.
– Patobulintas sujungimas buvo laikomas svarbiausiu dėl:
• keičiant atspindį dėl eksimerinio paviršiaus raibuliavimo.
• antrinis efektas, atsirandantis dėl sąveikos per eksimeru generuojamą plazmą.
