Эволюция технологии лазерной сварки

Технология лазерной сварки стала предпочтительным процессом для производителей и производителей металлов из-за ошеломляющего разнообразия применений.

Примечание редактора: все нижеследующее основано на документе «Введение в промышленную лазерную сварку», представленном Томом Куглером, менеджером по волоконным системам компании Laser Mechanisms Inc., на выставке FABTECH, 13–16 сентября 2021 г., Чикаго.

Лазерная сварка проникла в высокотехнологичное и прецизионное производство металлов. Эта технология играет жизненно важную роль в автомобилестроении, производстве медицинского оборудования, а также в деталях для аэрокосмической и точной электроники. Теперь он появляется в большем количестве мест, чем когда-либо, от крупнейшего OEM-производителя до цеха прецизионной обработки листового металла.

По мере развития лазерной сварки она стала чрезвычайно гибкой. Огромное разнообразие сварочных работ, которые могут выполнять лазеры, поистине ошеломляет. Понимание того, как лазеры достигают всего этого, начинается с изучения основ — как луч света сплавляет два металла вместе.

Металлы, как правило, очень хорошо отражают свет. Лазер концентрирует и фокусирует этот свет, чтобы преодолеть отражательную способность. Когда поглощается достаточно энергии луча, металл начинает разжижаться.

Все это начинается, когда оптика — изогнутое зеркало или линза с изогнутой поверхностью — фокусирует свет до размера пятна, диаметр которого может варьироваться от десятков до нескольких сотен микрон. Такая фокусировка создает чрезвычайную плотность мощности.

Какую прозрачную оптику использовать, зависит от лазера и его длины волны. CO2-лазеры излучают длину волны 10,6 микрон. Стандартное стекло не прозрачно для него, поэтому в таких лазерах используется альтернативный материал линз, например селенид цинка (ZnSe). В одноммикронных лазерах, в том числе волоконных, дисковых и YAG, используется плавленый кварц или стекло.

Линзы ZnSe, фокусирующие 10,6-микронный луч CO2-лазера, обладают превосходной теплопроводностью, что делает оптику более устойчивой к загрязнению. К сожалению, не существует экономически эффективного материала, который бы демонстрировал такую ​​же теплопроводность, как и 1-микронный лазер, а это означает, что среда фокусировки должна оставаться чистой и иметь оптику из стекла или плавленого кварца хорошего качества.

Сварочные работы, требующие высокой мощности лазера, могут привести к образованию неизбежного мусора. В этих случаях для фокусировки луча вместо прозрачной оптики используются зеркала. Фокусирующие зеркала широко распространены в приложениях лазерной сварки CO2, использующих мощность лазера 5 кВт или более. В одноммикронных лазерах, в том числе волоконных и дисковых, также используются зеркала для более высокой мощности лазера. Обычная установка предполагает, что луч (горизонтально рабочей поверхности) попадает в параболическое зеркало, которое отражает луч вниз.

Лазерная оптика фокусирует диаметр необработанного луча, чтобы создать глубину фокуса, при которой луч имеет достаточную интенсивность для обработки материала. Самое узкое место на перетяжке пучка – это размер пятна. Фокусное расстояние — это расстояние между линзой и фокусной точкой (см. рисунок 1).

Все эти переменные взаимосвязаны. Чем короче фокусное расстояние, тем меньше размер пятна и меньше глубина резкости. И каждый из этих параметров можно регулировать для оптимизации процесса сварки. Например, увеличение фокусного расстояния может изменить положение фокуса и увеличить глубину фокуса, что может увеличить проплавление сварного шва.

РИСУНОК 1. Такие переменные, как диаметр луча, глубина фокуса, размер пятна и фокусное расстояние, взаимосвязаны.

Другим фактором является качество луча или врожденная фокусируемость лазерного луча. Его нельзя отрегулировать — это зависит от типа и конструкции лазера, — но этот параметр действительно влияет на то, как человек управляет общим процессом. Лазеры с наивысшим качеством луча называются одномодовыми лазерами, которые имеют чисто гауссовский луч или TEM00 с профилем плотности мощности, который очень интенсивен в центре и менее интенсивен по краям. Высокое качество луча помогает достичь большей глубины фокуса, что, в свою очередь, открывает множество возможностей обработки.

Все распространенные типы лазеров имеют одномодовые версии с высоким качеством луча, но влияние такого высокого качества луча зависит от длины волны лазера. Одномодовый лазер CO2 с длиной волны 10,6 микрона будет иметь размер пятна в 10 раз больше, чем у волоконного лазера с длиной волны 1 микрон. В общем, более короткая длина волны также означает меньший размер пятна фокусировки.