Hitsaus on prosessi, jossa kaksi tai useampi metalli liitetään yhteen lämmön avulla. Hitsauksessa materiaali kuumennetaan tyypillisesti sulamispisteeseen, jotta perusmetalli sulaa täyttäen liitosten väliset raot ja muodostaen vahvan liitoksen. Laserhitsaus on liitosmenetelmä, jossa laseria käytetään lämmönlähteenä.
Otetaan esimerkiksi neliönmuotoinen akku: akun ydin on yhdistetty laserilla useiden osien kautta. Koko laserhitsausprosessin aikana materiaaliliitoksen lujuus, tuotantotehokkuus ja vikaantumisaste ovat kolme asiaa, joista teollisuus on eniten huolissaan. Materiaaliliitoksen lujuus voi heijastua metallografisessa tunkeutumissyvyydessä ja -leveydessä (jotka liittyvät läheisesti laservalonlähteeseen); tuotantotehokkuus liittyy pääasiassa laservalonlähteen prosessointikykyyn; vikaantumisaste liittyy pääasiassa laservalonlähteen valintaan; siksi tässä artikkelissa käsitellään markkinoilla yleisimpiä. Artikkelissa vertaillaan useiden laservalonlähteiden yhdistelmää ja toivotaan auttavan muita prosessikehittäjiä.
Koskalaserhitsauson pohjimmiltaan valosta lämmöksi muuntamisprosessi, johon liittyy useita keskeisiä parametreja: säteen laatu (BBP, M2, hajaantumiskulma), energiatiheys, ytimen halkaisija, energian jakautumismuoto, mukautuva hitsauspää, käsittely. Prosessi-ikkunoita ja käsiteltäviä materiaaleja käytetään pääasiassa laservalonlähteiden analysointiin ja vertailuun näistä suunnista.
Yksimuoto- ja monimuotolaserien vertailu
Yksitila-monitilamääritelmä:
Yksimoodilla tarkoitetaan lasersäteen yksittäistä jakautumiskuviota kaksiulotteisessa tasossa, kun taas monimoodilla tarkoitetaan useiden jakautumiskuvioiden päällekkäisyydestä muodostuvaa spatiaalista energian jakautumiskuviota. Yleisesti ottaen säteen laatukertoimen M2 kokoa voidaan käyttää arvioimaan, onko kuitulaserin lähtö yksimoodi- vai monimoodi: M2 alle 1,3 on puhdas yksimoodilaser, M2 välillä 1,3 ja 2,0 on lähes yksimoodilaser (muutaman moodin laser) ja M2 yli 2,0 on monimoodilasereille.
Koskalaserhitsauson pohjimmiltaan valosta lämmöksi muuntamisprosessi, johon liittyy useita keskeisiä parametreja: säteen laatu (BBP, M2, hajaantumiskulma), energiatiheys, ytimen halkaisija, energian jakautumismuoto, mukautuva hitsauspää, käsittely. Prosessi-ikkunoita ja käsiteltäviä materiaaleja käytetään pääasiassa laservalonlähteiden analysointiin ja vertailuun näistä suunnista.
Yksimuoto- ja monimuotolaserien vertailu
Yksitila-monitilamääritelmä:
Yksimoodilla tarkoitetaan lasersäteen yksittäistä jakautumiskuviota kaksiulotteisessa tasossa, kun taas monimoodilla tarkoitetaan useiden jakautumiskuvioiden päällekkäisyydestä muodostuvaa spatiaalista energian jakautumiskuviota. Yleisesti ottaen säteen laatukertoimen M2 kokoa voidaan käyttää arvioimaan, onko kuitulaserin lähtö yksimoodi- vai monimoodi: M2 alle 1,3 on puhdas yksimoodilaser, M2 välillä 1,3 ja 2,0 on lähes yksimoodilaser (muutaman moodin laser) ja M2 yli 2,0 on monimoodilasereille.
Kuten kuvassa on esitetty: Kuva b esittää yhden perusmoodin energiajakauman, ja energiajakauma mihin tahansa ympyrän keskipisteen läpi kulkevaan suuntaan on Gaussin käyrän muodossa. Kuva a esittää monimoodienergiajakauman, joka on useiden yksittäisten lasermoodien superpositiosta muodostuva spatiaalinen energiajakauma. Monimoodisuperposition tulos on tasapintainen käyrä.
Yleisiä yksimuotolasereita: IPG YLR-2000-SM, SM on lyhenne sanoista Single Mode. Laskelmissa käytetään kollimoitua polttoväliä 150–250 polttopisteen koon laskemiseen, energiatiheys on 2000 W, ja polttopisteen energiatiheyttä käytetään vertailuna.
Yksimuotoisen ja monimuotoisen tekniikan vertailulaserhitsausvaikutukset
Yksimoodilaser: pieni ytimen halkaisija, korkea energiatiheys, voimakas tunkeutumiskyky, pieni lämpövaikutusalue, samanlainen kuin terävä veitsi, sopii erityisesti ohuiden levyjen hitsaukseen ja suurnopeushitsaukseen, ja sitä voidaan käyttää galvanometrien kanssa pienten osien ja erittäin heijastavien osien (erittäin heijastavien osien) käsittelyyn (korvat, liitoskappaleet jne.), kuten yllä olevassa kuvassa on esitetty. Yksimoodilaserissa on pienempi avaimenreikä ja rajoitettu määrä sisäistä korkeapaineista metallihöyryä, joten siinä ei yleensä ole vikoja, kuten sisäisiä huokosia. Alhaisilla nopeuksilla ulkonäkö on karkea ilman suojailman puhaltamista. Suurilla nopeuksilla suojaus lisätään. Kaasunkäsittelyn laatu on hyvä, hyötysuhde on korkea, hitsit ovat sileitä ja tasaisia, ja saantoaste on korkea. Se sopii pinohitsaukseen ja läpihitsaukseen.
Monimuotolaser: Suuri ytimen halkaisija, hieman pienempi energiatiheys kuin yksimuotolaserilla, tylppä veitsi, suurempi avaimenreikä, paksumpi metallirakenne, pienempi syvyys-leveyssuhde ja samalla teholla tunkeutumissyvyys on 30 % pienempi kuin yksimuotolaserilla, joten se soveltuu käytettäväksi hitsausliitosten ja paksujen levyjen työstämiseen, joissa on suuret kokoonpanovälit.
Komposiittirengaslaserkontrasti
Hybridihitsaus: 915 nm:n aallonpituinen puolijohdelasersäde ja 1070 nm:n aallonpituinen kuitulasersäde yhdistetään samaan hitsauspäähän. Kaksi lasersädettä on jaettu koaksiaalisesti ja kahden lasersäteen polttotasoja voidaan säätää joustavasti, jolloin tuotteessa on sekä puolijohde- ettälaserhitsausominaisuudet hitsauksen jälkeen. Vaikutus on kirkas ja siinä on kuidun syvyyslaserhitsaus.
Puolijohteissa käytetään usein yli 400 µm:n suurta valopistettä, joka on pääasiassa vastuussa materiaalin esilämmityksestä, materiaalin pinnan sulamisesta ja materiaalin kuitulaserin absorptionopeuden lisäämisestä (materiaalin laserin absorptionopeus kasvaa lämpötilan noustessa).
Rengaslaser: Kaksi kuitulasermoduulia lähettää laservaloa, joka välittyy materiaalin pinnalle komposiittikuidun (rengasmainen optinen kuitu sylinterimäisen optisen kuidun sisällä) kautta.
Kaksi rengasmaisella pisteellä varustettua lasersädettä: ulompi rengas laajentaa avaimenreiän aukkoa ja sulattaa materiaalin, ja sisempi rengaslaser vastaa tunkeutumissyvyydestä, mikä mahdollistaa erittäin vähäroiskeisen hitsauksen. Sisä- ja ulkorenkaan laserin tehoytimen halkaisijat voidaan sovittaa vapaasti, ja ytimen halkaisija voidaan sovittaa vapaasti. Prosessi-ikkuna on joustavampi kuin yhdellä lasersäteellä.
Komposiitti-ympyrähitsauksen vaikutusten vertailu
Koska hybridihitsaus on yhdistelmä puolijohteiden lämmönjohtavuutta lisäävää hitsausta ja kuituoptista syvätunkeutumishitsausta, ulkorenkaan tunkeutumismitta on matalampi, metallografinen rakenne on terävämpi ja hoikempi; samalla ulkonäkö on lämmönjohtava, sulan altaan lämpötilavaihtelut ovat pieniä ja vaihtelut suuria, ja sula allas on vakaampi, mikä heijastaa tasaisemman ulkonäön.
Koska rengaslaser on yhdistelmä syvätunkeutuvaa hitsausta ja syvätunkeutuvaa hitsausta, ulkorengas voi myös tuottaa tunkeutumissyvyyden, mikä voi tehokkaasti laajentaa avaimenreiän aukkoa. Samalla teholla on suurempi tunkeutumissyvyydet ja paksumpi metallografia, mutta samalla sulan altaan stabiilius on hieman pienempi kuin komposiittihitsauksessa. Optisten kuitujen puolijohteiden vaihtelu on hieman suurempi ja karheus on suhteellisen suuri.
Julkaisun aika: 20.10.2023
