Bazele sudurii cu laser
Sudarea cu laser este un proces fără contact care necesită acces la zona de sudură dintr-o parte a pieselor sudate.
• Sudura se formează pe măsură ce lumina intensă a laserului încălzește rapid materialul - de obicei calculat în milisecunde.
• Există de obicei 3 tipuri de suduri:
– Modul de conducere.
– Mod de conducere/penetrare.
– Mod de penetrare sau gaura cheii.
• Sudarea în modul de conducție se realizează la o densitate de energie scăzută formând o pepiță de sudură care este mică și lată.
• Modul de conducere/penetrare are loc la o densitate medie de energie și prezintă mai multă penetrare decât modul de conducere.
• Sudarea în modul de penetrare sau gaura cheii este caracterizată prin suduri adânci înguste.
– În acest mod, lumina laser formează un filament de material vaporizat cunoscut sub denumirea de „gaura cheii” care se extinde în material și oferă o conductă pentru ca lumina laser să fie livrată eficient în material.
– Această livrare directă de energie în material nu se bazează pe conducție pentru a obține pătrunderea, și astfel minimizează căldura în material și reduce zona afectată de căldură.
Sudarea prin conducție
• Îmbinarea prin conducție descrie o familie de procese în care este focalizat fasciculul laser:
– Pentru a da o densitate de putere de ordinul a 10³ Wmm⁻²
– Fuzionează materialul pentru a crea o îmbinare fără vaporizare semnificativă.
• Sudarea prin conductie are 2 moduri:
– Incalzire directa
– Transmisia energiei.
Căldură directă
• În timpul încălzirii directe,
– fluxul de căldură este guvernat de conducția termică clasică de la o sursă de căldură de suprafață, iar sudarea se realizează prin topirea porțiunilor din materialul de bază.
• Primele suduri de conducție au fost realizate la începutul anilor 1, au folosit rubin pulsat de putere mică și CO2 lasere pentru conectori de fire.
• Sudurile prin conducție pot fi realizate într-o gamă largă de metale și aliaje sub formă de fire și table subțiri în diverse configurații folosind.
- CO2 , Nd:YAG și lasere cu diode cu niveluri de putere de ordinul zecilor de wați.
– Încălzire directă prin a CO2 fasciculul laser poate fi folosit și pentru suduri prin suprapunere și cap la cap în foile de polimer.
Sudarea transmisiei
• Sudarea prin transmisie este un mijloc eficient de îmbinare a polimerilor care transmit radiația în infraroșu apropiat a laserelor Nd:YAG și diode.
• Energia este absorbită prin metode noi de absorbție interfacială.
• Compozitele pot fi îmbinate cu condiția ca proprietățile termice ale matricei și armăturii să fie similare.
• Modul de transmitere a energiei de sudare prin conducție este utilizat cu materiale care transmit radiații aproape infraroșii, în special polimeri.
• O cerneală absorbantă este plasată la interfața unei îmbinări în poală. Cerneala absoarbe energia fasciculului laser, care este condusă într-o grosime limitată a materialului înconjurător pentru a forma o peliculă interfacială topită care se solidifică ca îmbinarea sudată.
• Imbinarile cu sectiune groasa pot fi realizate fara topirea suprafetelor exterioare ale rostului.
• Sudurile cap la cap pot fi realizate prin direcționarea energiei către linia de îmbinare într-un unghi printr-un material pe o parte a îmbinării sau de la un capăt dacă materialul este foarte transmisiv.
Lipire și lipire cu laser
• În procesele de lipire și lipire cu laser, fasciculul este folosit pentru a topi un adaos de umplutură, care umezește marginile îmbinării fără a topi materialul de bază.
• Lipirea cu laser a început să câștige popularitate la începutul anilor 1980 pentru îmbinarea cablurilor componentelor electronice prin găurile din plăcile de circuite imprimate. Parametrii procesului sunt determinați de proprietățile materialului.
Sudarea cu laser cu penetrare
• La densități mari de putere toate materialele se vor evapora dacă energia poate fi absorbită. Astfel, la sudarea în acest mod se formează de obicei o gaură prin evaporare.
• Această „găură” este apoi traversată prin material, cu pereții topiți etanșând în spatele acestuia.
• Rezultatul este ceea ce este cunoscut sub numele de „sudură în gaura cheii. Aceasta este caracterizată prin zona de fuziune cu laturile paralele și lățimea îngustă.
Eficiența sudării cu laser
• Un termen care definește acest concept de eficiență este cunoscut sub numele de „eficiență de îmbinare”.
• Eficiența îmbinării nu este o eficiență adevărată prin faptul că are unități de (mm2 îmbinat /kJ furnizat).
– Eficiență=Vt/P (reciproca energiei specifice în tăiere) unde V = viteza de deplasare, mm/s; t = grosimea sudată, mm; P = puterea incidentă, KW.
Eficiență de alăturare
• Cu cât este mai mare valoarea eficienței îmbinării, cu atât mai puțină energie este cheltuită în încălzirea inutilă.
– Zona afectată de căldură inferioară (HAZ).
– Distorsiuni mai mici.
• Sudarea prin rezistență este cea mai eficientă în acest sens, deoarece energia de fuziune și HAZ este generată doar la interfața de înaltă rezistență care urmează să fie sudată.
• Laserul și fasciculul de electroni au, de asemenea, eficiențe bune și densități mari de putere.
Variații de proces
• Sudare cu laser cu arc sporit.
– Arcul de la o lanternă TIG montată aproape de punctul de interacțiune al fasciculului laser se va bloca automat pe punctul fierbinte generat cu laser.
– Temperatura necesară pentru acest fenomen este cu aproximativ 300°C peste temperatura din jur.
– Efectul este fie de a stabiliza un arc care este instabil datorită vitezei sale de traversare, fie de a reduce rezistența unui arc care este stabil.
– Blocarea are loc doar pentru arcuri cu un curent scăzut și, prin urmare, cu jet catod lent; adică pentru curenți mai mici de 80A.
– Arcul se află pe aceeași parte a piesei de prelucrat cu laserul, ceea ce permite dublarea vitezei de sudare pentru o creștere modestă a costului de capital.
• Sudare cu laser cu fascicul dublu
– Dacă sunt utilizate simultan 2 fascicule laser, atunci există posibilitatea de a controla geometria bazinului de sudură și forma cordonului de sudură.
– Folosind 2 fascicule de electroni, gaura cheii ar putea fi stabilizată, provocând mai puține valuri pe bazinul de sudură și oferind o penetrare și o formă mai bună a talonului.
– Un excimer și CO2 Combinația de fascicule laser a arătat o cuplare îmbunătățită pentru sudarea materialelor cu reflectivitate ridicată, cum ar fi aluminiul sau cuprul.
– Cuplarea îmbunătățită a fost luată în considerare în principal datorită:
• alterarea reflectivității prin ondularea suprafeței cauzată de excimer.
• un efect secundar care provine din cuplare prin plasma generată de excimer.
