Spawanie laserowe

Spawanie laserowe – rodzaj techniki spawania polegającego na stapianiu obszaru styku wiązką promieni laserowych. Spawanie takie prowadzone jest w osłonie gazu obojętnego i zapewnia dużą wytrzymałość spoin. Powszechnie stosowane jest w produkcji wielkoseryjnej, np. w przemyśle motoryzacyjnym

Charakterystyka procesu

Spawanie laserowe wykorzystuje wiązkę o dużej gęstości energii (około 1 MW/cm²). Efektem spawania laserowego jest mała szerokość strefy wpływu ciepła i niskie oddziaływania temperatury na konstrukcję, szybkie odprowadzanie ciepła i stygnięcie spoiny. Możliwa do uzyskania szerokość uzyskiwanych spoin to 0.2mm do 13mm, praktycznie wykorzystywane są głównie spoiny o małych szerokościach. Głębokość penetracji materiału przez wiązkę laserową jest proporcjonalna do energii zasilania, ale zależy również od lokalizacji punktu skupienia wiązki. Maksymalizacje przenikania wiązki uzyskuje się, gdy punkt skupienia znajduje się nieco poniżej powierzchni łączonych materiałów.

Spawanie laserowe stosowane jest do spawania stali stopowych, wysokowytrzymałych stali niskostopowych (HSLA), stali węglowych, metali trudno topliwych, metali aktywnych chemicznie, aluminium i tytanu.

Moc produkowanych obecnie laserów przeznaczonych do przemysłowych zastosowań spawalniczych wynosi dla laserów CO2 25 kW, choć najczęściej stosuje się lasery o mocy w zakresie od 1 do 6 kW. Do celów doświadczalnych używa się laserów o mocy dochodzącej do 50 kW, np. laser o szybkim przepływie poprzecznym firmy United Technologies Industrial Lasers o mocy 45 kW zainstalowany w French Welding Institut w Yutz. W przypadku laserów Nd:Yag ich moc w trybie pracy ciągłej wynosi 5-6 kW, choć powszechnie stosuje lasery o mocy kilkuset watów przeznaczonych do pracy w reżimie impulsowym.

LASERY STOSOWANE DO SPAWANIA

Lasery gazowe CO2 Lasery CO2 są laserami gazowymi w których ośrodkiem czynnym jest mieszaninia gazów składajaca się z helu, azotu i CO2. Mogą one pracować w sposób ciągły lub impulsowy. Emitują światło o długości fali 10,6 mm i maja sprawność ok. 10-15%. Aby utrzymać wymaganą sprawność, mieszanina gazów znajdująca się w rezonatorze musi być ciągle chłodzona i regenerowana. W tym celu stosuje się zamknięty wymuszony przepływ gazów obejmujący: rezonator, wymiennik ciepła i regenerator. Sposób przepływu gazów przez rezonator istotnie wpływa na jakość wiązki laserowej. Wykorzystywane aktualnie w technologii łączenia materiałów lasery C02 są laserami o przepływie gazów osiowym bądź prostopadłym w stosunku do osi rezonatora. W laserach o przepływie osiowym szybkim, mieszanina gazów przemieszcza się wzdłuż osi rezonatora z prędkością ok. 500 m/s. Tego typu lasery dają wiązkę o modzie toroidalnym TEM*01 pozwalającą uzyskać wysoką jakość spawania. Aktualnie tego typu lasery mogą osiągać moc dochodzącą do 20 kW. W laserach o przepływie poprzecznym mieszanina gazów przepływa, z względnie małymi prędkościami, przez rezonator prostopadle do jego osi. Z uwagi na możliwość znacznego powiększania mocy optycznej wiązki w rezonatorze, moc tych laserów, w zależności od konstrukcji, może kilkakrotnie przekroczyć moc uzyskiwaną przez lasery o podłużnym przepływie. Z uwagi jednak na wielomodowość generowanej wiązki, jakość wykonanych spawów będzie niższa.

Lasery stałe Nd:Yag W laserach tych ośrodek czynny stanowi pręt wykonany z granatu itrowoaluminiowego domieszkowany jonami neodymu Nd3+. Emitują światło o długości fali 1,06 mm. Główną ich zaletą, w porównaniu do laserów CO2, jest to, że promień lasera może być przenoszony światłowodami, co znacznie ułatwia montaż tych urządzeń w systemach produkcyjnych. Z uwagi jednak na bardzo małą sprawność wynoszącą 2-5%, małe generowane moce i pracę w trybie impulsowym, lasery te aż do początku lat 90-tych ubiegłego wieku miały dosyć ograniczone pole zastosowań. Obecnie, dzięki znacznym dokonanym udoskonaleniom, dostępne są lasery, które przy mocy dochodzącej do 5 kW mogą być użyte do spawania ciągłego głębokiego. Zaletą wiązki lasera Nd:Yag, w porównaniu do wiązki lasera CO2, jest krótsza długość fali (lepsza pochłanialność przez metale), brak oddziaływania z plazmą spawalniczą. Wadą jej jest wielomodowość pojawiająca się w wyższych zakresach mocy za względu na obecność procesów cieplnonaprężeniowych wewnątrz prętów emitujących promieniowanie.

Rodzaje spawów laserowych

• Taylor and blanking – Spawanie doczołowe blach, możliwość spawania arkuszy o różnej grubosci
  
• Rob Scan – spawanie nakładkowe blach "przez materiał" na zachodzących na siebie kołnierzach łączonych elementów
• Spawanie metalu z plastikiem na zasadzie wywieranego ciśnienia lokalnego pomiędzy materiałami, większego od sił Van der Waalsa