7 Reliable Sources for Laser Welding Technology

Laser welding technology is an efficient and precise welding method that uses a high-energy-density laser beam as a heat source. Laser welding technology is one of the important aspects of the application of laser material processing technology. In the 1970s, it was mainly used for welding thin-walled materials and low-speed welding. The welding process is of thermal conductivity type, that is, the surface of the workpiece is heated by laser radiation, and the surface heat is diffused to the inside through thermal conduction. By controlling the width, energy, peak power, and repetition frequency of the laser pulse With other parameters, the workpiece is melted to form a specific molten pool. Because of its unique advantages, it has been successfully applied to the precision welding of micro and small parts.

Chinas Laserschweißen ist auf dem weltweit fortschrittlichsten Niveau. Es verfügt über die Technologie und die Fähigkeit, einen Laser zu verwenden, um komplexe Titanlegierungskomponenten von mehr als 12 Quadratmetern zu formen, und hat in die Prototypen- und Produktherstellung mehrerer inländischer wissenschaftlicher Forschungsprojekte für die Luftfahrt investiert. Im Oktober 2013 gewannen chinesische Schweißexperten den Brooke-Preis, die höchste akademische Auszeichnung auf dem Gebiet des Schweißens, und Chinas Laserschweißniveau wurde von der Welt anerkannt.

Technisches Prinzip

Das Laserschweißen kann durch einen kontinuierlichen oder gepulsten Laserstrahl realisiert werden. Das Prinzip des Laserschweißens lässt sich in Wärmeleitschweißen und Laser-Tiefschweißen unterteilen. Die Leistungsdichte beträgt weniger als 10⁴~10⁵ W/cm² zum Wärmeleitschweißen. Zu diesem Zeitpunkt ist die Eindringtiefe gering und die Schweißgeschwindigkeit gering; wenn die Leistungsdichte größer als 10 . ist⁵~10⁷ W/cm², wird die Metalloberfläche unter Hitzeeinwirkung in „Löcher“ vertieft, um eine Tiefschweißung zu bilden. Merkmale der schnellen Schweißgeschwindigkeit und des großen Seitenverhältnisses.

Das Prinzip des Wärmeleitungs-Laserschweißens ist: Laserstrahlung erwärmt die zu bearbeitende Oberfläche und die Oberflächenwärme diffundiert durch Wärmeleitung ins Innere. Durch Steuerung der Laserpulsbreite, Energie, Spitzenleistung und Wiederholfrequenz und anderer Laserparameter wird das Werkstück geschmolzen, um ein spezifisches Schmelzbad zu bilden.

Die zum Verzahnungsschweißen und metallurgischen Blechschweißen eingesetzte Laserschweißmaschine umfasst hauptsächlich das Laser-Tiefschweißen.

Beim Laser-Tiefschweißen werden in der Regel kontinuierliche Laserstrahlen verwendet, um die Verbindung von Materialien zu vervollständigen. Der metallurgisch-physikalische Prozess ist dem Elektronenstrahlschweißen sehr ähnlich, dh der Energieumwandlungsmechanismus wird durch eine „Schlüsselloch“-Struktur abgeschlossen. Bei Laserbestrahlung mit ausreichend hoher Leistungsdichte verdampft das Material und bildet kleine Löcher. Dieses dampfgefüllte Loch ist wie ein schwarzer Körper, der fast die gesamte einfallende Strahlenergie absorbiert.

Die Gleichgewichtstemperatur in der Kavität erreicht etwa 2500°C. Die Wärme wird von der Außenwand des Hochtemperaturhohlraums übertragen, um das den Hohlraum umgebende Metall zu schmelzen. Das kleine Loch wird mit Hochtemperaturdampf gefüllt, der durch die kontinuierliche Verdampfung des Wandmaterials unter Bestrahlung des Strahls erzeugt wird. Die vier Wände des kleinen Lochs sind von geschmolzenem Metall umgeben, und das flüssige Metall ist von festen Materialien umgeben (und bei den meisten herkömmlichen Schweißverfahren und dem Laserleitungsschweißen wird die Energie zuerst auf der Oberfläche des Werkstücks deponiert und dann zum das Innere per Überweisung).

Der Flüssigkeitsstrom außerhalb der Porenwand und die Oberflächenspannung der Wandschicht werden mit dem kontinuierlich erzeugten Dampfdruck in der Kavität in einem dynamischen Gleichgewicht gehalten. Der Lichtstrahl tritt kontinuierlich in das kleine Loch ein und das Material außerhalb des kleinen Lochs fließt kontinuierlich. Während sich der Strahl bewegt, befindet sich das kleine Loch immer in einem stabilen Strömungszustand. Mit anderen Worten, das kleine Loch und das die Lochwand umgebende geschmolzene Metall bewegen sich mit der Vorwärtsgeschwindigkeit des führenden Lichtstrahls vorwärts, und das geschmolzene Metall füllt die Lücke, die nach dem Entfernen des kleinen Lochs verbleibt, und kondensiert, und die Schweißnaht wird gebildet . Alle oben genannten Prozesse laufen so schnell ab, dass die Schweißgeschwindigkeit leicht einige Meter pro Minute erreichen kann.

Arbeit EAusrüstung

Es besteht aus einem optischen Oszillator und einem Medium, das zwischen den Spiegeln an beiden Enden des Hohlraums des Oszillators angeordnet ist. Wenn das Medium in einen hochenergetischen Zustand angeregt wird, beginnt es, Lichtwellen in der gleichen Phase zu erzeugen und zwischen den Spiegeln an beiden Enden hin und her zu reflektieren, wodurch ein photoelektrischer String-Junction-Effekt entsteht, die Lichtwellen verstärkt und ausreichend Energie erhalten wird um mit der Emission von Laserlicht zu beginnen.

Der Laser kann auch als ein Gerät interpretiert werden, das Rohenergie wie elektrische Energie, chemische Energie, Wärmeenergie, Lichtenergie oder Kernenergie in einen Strahl elektromagnetischer Strahlung bestimmter spezifischer Lichtfrequenzen (Ultraviolettlicht, sichtbares Licht oder Infrarot) umwandelt hell). Die Umwandlungsform ist in einigen festen, flüssigen oder gasförmigen Medien einfach durchzuführen. Wenn diese Medien in Form von Atomen oder Molekülen angeregt werden, erzeugen sie Lichtstrahlen – Laser mit fast gleicher Phase und fast einer einzigen Wellenlänge. Aufgrund der gleichen Phase und einer einzigen Wellenlänge ist der Differenzwinkel sehr klein, und die übertragbare Entfernung ist ziemlich lang, bevor sie hochkonzentriert wird, um Funktionen wie Schweißen, Schneiden und Wärmebehandlung bereitzustellen.

Welding Method

Sensorschweißverfahren sind Widerstandsschweißen, Argon-Lichtbogenschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Plasmaschweißen und so weiter.

Widerstandsschweißen

Es wird verwendet, um dünne Metallteile zu schweißen. Das Werkstück wird zwischen zwei Elektroden eingespannt, und die von einem großen Strom kontaktierte Oberfläche der Elektrode wird durch einen großen Strom geschmolzen, dh das Schweißen wird durch die Widerstandserwärmung des Werkstücks durchgeführt. Das Werkstück lässt sich leicht verformen. Das Widerstandsschweißen wird auf beiden Seiten der Verbindung geschweißt, während das Laserschweißen nur auf einer Seite durchgeführt wird. Die beim Widerstandsschweißen verwendeten Elektroden müssen häufig gewartet werden, um Oxide und anhaftende Metalle vom Werkstück zu entfernen. Das Laserschweißen von dünnen Überlappungsverbindungen aus Metall hat keinen Kontakt mit dem Werkstück, der Strahl kann auch in den Bereich eindringen, der durch konventionelles Schweißen schwer zu schweißen ist, und die Schweißgeschwindigkeit ist hoch.

Argon-Lichtbogenschweißen: mit nicht abschmelzenden Elektroden und Schutzgas wird es oft zum Schweißen dünner Werkstücke verwendet, aber die Schweißgeschwindigkeit ist langsamer und der Wärmeeintrag ist viel größer als beim Laserschweißen, das anfällig für Verformungen ist.

Argon-Lichtbogenschweißgerät

Plasmalichtbogenschweißen: ähnlich dem Argonlichtbogen, aber sein Schweißbrenner erzeugt einen komprimierten Lichtbogen, um die Lichtbogentemperatur und Energiedichte zu erhöhen. Es ist schneller als Argon-Lichtbogenschweißen und hat eine größere Eindringtiefe, ist aber dem Laserschweißen unterlegen.

Elektronenstrahlschweißen: Es beruht auf einem Strahl beschleunigter Elektronen mit hoher Energiedichte, um auf das Werkstück zu treffen und in einem kleinen dichten Bereich auf der Oberfläche des Werkstücks eine große Hitze zu erzeugen, wodurch ein "Kleinloch" -Effekt entsteht, wodurch ein tiefes Eindringen realisiert wird Schweißen. Der Hauptnachteil des Elektronenstrahlschweißens besteht darin, dass es eine Hochvakuumumgebung erfordert, um eine Elektronenstreuung zu verhindern. Die Ausstattung ist kompliziert. Größe und Form der Schweißkonstruktion werden durch die Vakuumkammer eingeschränkt. Die Montagequalität der Schweißkonstruktion ist unbedingt erforderlich.

Auch ein Nicht-Vakuum-Elektronenstrahlschweißen kann implementiert werden. Streuung und schlechte Fokussierung beeinträchtigen den Effekt. Das Elektronenstrahlschweißen weist auch Probleme mit magnetischem Offset und Röntgenstrahlen auf. Da die Elektronen geladen sind, werden sie durch die Ablenkung des Magnetfelds beeinflusst. Daher müssen Werkstücke zum Elektronenstrahlschweißen vor dem Schweißen entmagnetisiert werden. Röntgenstrahlen sind unter hohem Druck besonders stark und Bediener müssen geschützt werden. Das Laserschweißen erfordert keine Vakuumkammer und keine Entmagnetisierungsbehandlung vor dem Schweißen des Werkstücks. Es kann in der Atmosphäre durchgeführt werden und ist mit Röntgenschutz unproblematisch, kann also online in der Produktionslinie betrieben werden und kann auch magnetische Materialien schweißen.

Laserschweißen Einstufung

Es gibt zwei Haupttypen von Lasern, die zum Schweißen verwendet werden, nämlich CO₂ Laser und Nd:YAG-Laser. Beide CO₂ Laser und Nd:YAG-Laser ist für das bloße Auge unsichtbares Infrarotlicht. Der vom Nd:YAG-Laser erzeugte Strahl ist hauptsächlich Nahinfrarotlicht mit einer Wellenlänge von 1,06 Lm. Der Wärmeleiter hat eine hohe Lichtabsorptionsrate dieser Wellenlänge. Für die meisten Metalle beträgt das Reflexionsvermögen 20% ~ 30%. Solange ein handelsüblicher Lichtspiegel verwendet wird, kann der Nahinfrarotstrahl auf einen Durchmesser von 0,25 mm fokussiert werden. Der Strahl des CO₂ Laser ist Ferninfrarotlicht mit einer Wellenlänge von 10,6 Lm.

Das Reflexionsvermögen der meisten Metalle für dieses Licht erreicht 80% ~ 90%, und ein spezieller Lichtspiegel ist erforderlich, um den Strahl auf einen Durchmesser von 0,75-0,1 mm zu fokussieren. Die Leistung des Nd:YAG-Lasers kann im Allgemeinen etwa 4000 bis 6000 W erreichen, und die maximale Leistung hat jetzt 10 000 W erreicht. Das CO₂ Laserleistung kann leicht 20000W oder mehr erreichen.

Das leistungsstarke CO₂ Laser löst das Problem der hohen Reflektivität durch den Pinhole-Effekt. Wenn die vom Lichtfleck bestrahlte Oberfläche des Materials schmilzt, wird ein Nadelloch gebildet. Dieses dampfgefüllte Pinhole ist wie ein schwarzer Körper, der die Energie des einfallenden Lichts fast vollständig absorbiert. Die Gleichgewichtstemperatur beträgt etwa 25 000 e, und die Reflektivität fällt innerhalb weniger Mikrosekunden schnell ab.

Obwohl der Entwicklungsschwerpunkt von CO₂ Laser konzentriert sich immer noch auf die Entwicklung von Geräten, geht es nicht um die Erhöhung der maximalen Ausgangsleistung, sondern um die Verbesserung der Strahlqualität und Fokussierleistung. Außerdem beim Hochleistungsschweißen mit CO₂ Laser über 10 kW, wenn Argon-Schutzgas verwendet wird, wird oft ein starkes Plasma induziert und die Eindringtiefe wird geringer. Daher, wenn CO₂ Beim Laser-Hochleistungsschweißen wird häufig Heliumgas, das kein Plasma erzeugt, als Schutzgas verwendet.

Die Anwendung der Diodenlaserkombination zur Anregung von Hochleistungs-Nd:YAG-Kristallen ist ein wichtiges Entwicklungsthema, das die Qualität von Laserstrahlen erheblich verbessern und eine effektivere Laserbearbeitung ermöglichen wird. Bei Verwendung eines Direktdiodenarrays zum Anregen des Lasers, dessen Ausgangswellenlänge im nahen Infrarotbereich liegt, hat seine durchschnittliche Leistung 1 kW erreicht, und der photoelektrische Umwandlungswirkungsgrad liegt nahe bei 50%. Die Diode hat auch eine längere Lebensdauer (10 000 h), was dazu beiträgt, die Wartungskosten der Laserausrüstung zu reduzieren. Entwicklung von diodengepumpten Festkörperlasern.

Verfahren Parameter

Leistung Density

Die Leistungsdichte ist einer der kritischsten Parameter in der Laserbearbeitung. Bei einer höheren Leistungsdichte kann die Oberflächenschicht innerhalb eines Mikrosekundenzeitbereichs bis zum Siedepunkt erhitzt werden, was zu einer starken Verdampfung führt. Daher ist eine hohe Leistungsdichte für die Materialabtragsbearbeitung wie Stanzen, Schneiden und Gravieren von Vorteil. Bei niedrigeren Leistungsdichten dauert es mehrere Millisekunden, bis die Oberflächentemperatur den Siedepunkt erreicht. Bevor die Oberflächenschicht verdampft, erreicht die untere Schicht den Schmelzpunkt, was eine gute Schmelzschweißung erleichtert.

Laser Pulse Waveform

Die Laserpulswellenform ist ein wichtiges Thema beim Laserschweißen, insbesondere beim Blechschweißen. Wenn ein hochintensiver Laserstrahl auf die Oberfläche des Materials trifft, werden 60~98% der Laserenergie reflektiert und gehen an der Metalloberfläche verloren, und das Reflexionsvermögen ändert sich mit der Oberflächentemperatur. Während eines Laserpulses ändert sich die Reflektivität des Metalls stark.

Laser Pulse Width

Die Pulsbreite ist einer der wichtigen Parameter beim gepulsten Laserschweißen. Es ist nicht nur ein wichtiger Parameter, der sich von Materialabtrag und Materialschmelze unterscheidet, sondern auch ein Schlüsselparameter, der die Kosten und das Volumen der Verarbeitungsausrüstung bestimmt.

Der Einfluss des Defokussierungsbetrags auf die Qualität des Schweißgeräts

Beim Laserschweißen ist in der Regel eine gewisse Defokussierung erforderlich, da die Leistungsdichte im Zentrum des Spots am Laserbrennpunkt zu hoch ist und leicht in ein Loch verdampft werden kann. Auf jeder vom Laserfokus entfernten Ebene ist die Leistungsdichteverteilung relativ gleichmäßig. Es gibt zwei Defokussierungsmethoden: positive Defokussierung und negative Defokussierung. Liegt die Fokusebene über dem Werkstück, handelt es sich um eine positive Defokussierung, andernfalls um eine negative Defokussierung. Wenn der Abstand zwischen der positiven und negativen Defokussierungsebene und der Schweißebene gleich ist, ist nach der Theorie der geometrischen Optik die Leistungsdichte auf der entsprechenden Ebene ungefähr gleich, aber die Form des erhaltenen Schmelzbades ist tatsächlich unterschiedlich. Bei negativer Defokussierung kann eine größere Eindringtiefe erzielt werden, die mit dem Bildungsprozess des Schmelzbades zusammenhängt.

Experimente haben gezeigt, dass der Laser, der 50~200us des Materials erhitzt, zu schmelzen beginnt, flüssiges Metall bildet und teilweise verdampft, Hochdruckdampf bildet und mit sehr hoher Geschwindigkeit sprüht, wobei blendendes weißes Licht emittiert wird. Gleichzeitig führt die hohe Dampfkonzentration dazu, dass sich das flüssige Metall an den Rand des Schmelzbades bewegt und eine Vertiefung in der Mitte des Schmelzbades bildet. Wenn die Defokussierung negativ ist, ist die innere Leistungsdichte des Materials höher als die der Oberfläche, und es ist leicht, ein stärkeres Schmelzen und Verdampfen zu bilden, so dass die Lichtenergie in den tieferen Teil des Materials übertragen werden kann. Daher wird bei praktischen Anwendungen, wenn eine große Eindringtiefe erforderlich ist, die negative Defokussierung verwendet; Wenn das dünne Material geschweißt wird, sollte die positive Defokussierung verwendet werden.

Schweißen Sgepinkelt

Die Geschwindigkeit der Schweißgeschwindigkeit beeinflusst den Wärmeeintrag pro Zeiteinheit. Bei zu geringer Schweißgeschwindigkeit wird der Wärmeeintrag zu groß und das Werkstück brennt durch. Bei zu hoher Schweißgeschwindigkeit ist der Wärmeeintrag zu gering und das Werkstück wird nicht durchgeschweißt.

Eigenschaften des Laserschweißens

Es gehört zum Schmelzschweißen, bei dem ein Laserstrahl als Energiequelle zum Auftreffen auf die Schweißnaht verwendet wird.

Der Laserstrahl kann durch ein flaches optisches Element (wie einen Spiegel) geführt werden und dann wird ein reflektierendes Fokussierelement oder eine Linse verwendet, um den Strahl auf die Schweißnaht zu projizieren.

Laserschweißen ist berührungsloses Schweißen. Während des Betriebs ist kein Druck erforderlich, jedoch ist ein Inertgas erforderlich, um eine Oxidation des Schmelzbades zu verhindern. Füllmetall wird gelegentlich verwendet.

Das Laserschweißen kann mit dem MIG-Schweißen zu einem Laser-MIG-Hybridschweißen kombiniert werden, um ein großes Einschweißen zu erreichen, wobei gleichzeitig der Wärmeeintrag im Vergleich zum MIG-Schweißen stark reduziert wird.

Vorteil und Mangel

EINVorteil

• Der Wärmeeintrag kann auf das erforderliche Minimum reduziert werden, der metallographische Änderungsbereich der Wärmeeinflusszone ist klein und auch die Verformung durch Wärmeleitung ist am geringsten;
• Die Parameter des Schweißprozesses beim Einlagenschweißen mit einer Blechdicke von 32 mm wurden überprüft und qualifiziert, wodurch die für das Schweißen von dicken Blechen erforderliche Zeit reduziert und sogar der Einsatz von Zusatzmetall eingespart werden kann.
• Es besteht keine Notwendigkeit, Elektroden zu verwenden, und es gibt keine Bedenken hinsichtlich einer Verunreinigung oder Beschädigung der Elektroden. Da es sich nicht um ein Kontaktschweißverfahren handelt, können Verschleiß und Verformung der Ausrüstung minimiert werden;
• Der Laserstrahl lässt sich leicht fokussieren, ausrichten und durch optische Instrumente führen. Er kann in entsprechendem Abstand zum Werkstück platziert und zwischen Werkzeugen oder Hindernissen um das Werkstück herum neu geführt werden. Andere Schweißregeln unterliegen den oben genannten Platzbeschränkungen. Kann nicht gespielt werden
• Das Werkstück kann in einem geschlossenen Raum platziert werden (nachdem Absaugen oder die interne Gasumgebung unter Kontrolle ist);
• Der Laserstrahl kann auf eine kleine Fläche fokussiert werden und kann kleine und eng beieinander liegende Teile schweißen;
• Vielfältige schweißbare Werkstoffe und verschiedene heterogene Werkstoffe können auch miteinander verbunden werden;
• Es ist einfach, Hochgeschwindigkeitsschweißen zu automatisieren, und es kann auch digital oder computergesteuert werden;
• Beim Schweißen von dünnen Materialien oder Drähten mit dünnem Durchmesser ist es nicht so einfach, lästig zu sein wie beim Lichtbogenschweißen;
• Es wird nicht durch das Magnetfeld beeinflusst (Lichtbogenschweißen und Elektronenstrahlschweißen sind einfach) und kann die Schweißkonstruktion genau ausrichten;
• Zwei Metalle mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften (zB unterschiedlichen Widerständen) können geschweißt werden;
• Es ist kein Vakuum- oder Röntgenschutz erforderlich;
• Wenn das Durchgangslochschweißen verwendet wird, kann das Verhältnis von Tiefe zu Breite der Schweißraupe 10:1 erreichen;
• Das Gerät kann umgeschaltet werden, um den Laserstrahl an mehrere Arbeitsplätze zu senden.

SWerbung

• Die Position der Schweißkonstruktion muss sehr genau sein und muss im Fokusbereich des Laserstrahls liegen;
• Wenn für die Schweißkonstruktion eine Vorrichtung verwendet werden muss, muss sichergestellt werden, dass die Endposition der Schweißkonstruktion mit dem vom Laserstrahl getroffenen Schweißpunkt ausgerichtet ist;
• Die maximal schweißbare Dicke ist begrenzt und die Eindringdicke des Werkstücks beträgt weit mehr als 19 mm, und das Laserschweißen ist für die Produktionslinie nicht geeignet;
• Bei Materialien mit hoher Reflektivität und hoher Wärmeleitfähigkeit, wie Aluminium, Kupfer und deren Legierungen, wird die Schweißbarkeit durch Laser verändert;
• Beim Schweißen mit mittlerer bis hoher Energie muss eine Plasmasteuerung verwendet werden, um das ionisierte Gas um das Schmelzbad herum auszutreiben, um das Wiedererscheinen der Schweißraupe sicherzustellen;
• Der Wirkungsgrad der Energieumwandlung ist zu niedrig, normalerweise weniger als 10%;
• Die Schweißraupe verfestigt sich schnell, und es können Bedenken hinsichtlich Porosität und Versprödung bestehen;
• Die Ausrüstung ist teuer.

Um die Fehler des Laserschweißens zu beseitigen oder zu reduzieren und dieses hervorragende Schweißverfahren besser zu nutzen, wurden einige andere Wärmequellen- und Laserhybridschweißverfahren vorgeschlagen, hauptsächlich Laser- und Lichtbogen-, Laser- und Plasmalichtbogen-, Laser- und Induktionswärmequellen-Verbundschweißen, Dual-Laserstrahlschweißen und Mehrstrahl-Laserschweißen etc. Darüber hinaus wurden verschiedene prozessbegleitende Maßnahmen vorgeschlagen, wie z verbessertes Laserschweißen, schutzgasgesteuertes Schmelzbad-Tiefenlaserschweißen und laserunterstütztes Rührreibschweißen.

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