Laserhitsaus voidaan toteuttaa jatkuvatoimisella tai pulssilasergeneraattorilla. Laserhitsauksen periaate voidaan jakaa lämmönjohtavuushitsaukseen ja lasersyväsulatushitsaukseen. Tehotiheys alle 104–105 W/cm2 on lämmönjohtavuushitsausta, jolloin sulamissyvyys ja hitsausnopeus ovat hitaita. Kun tehotiheys on yli 105–107 W/cm2, metallin pinta kovertuu lämmön vaikutuksesta "avaimenreiän" muotoiseksi, jolloin muodostuu syväsulatushitsaus, jolla on nopea hitsausnopeus ja suuri syvyys-leveyssuhde.
Tänään käsittelemme pääasiassa lasersyvähitsauksen laatuun vaikuttavia tärkeimpiä tekijöitä.
1. Laserteho
Lasersyvähitsauksessa laserin teho säätää sekä tunkeutumissyvyyttä että hitsausnopeutta. Hitsaussyvyys on suoraan verrannollinen säteen tehotiheyteen ja on tulevan säteen tehon ja säteen polttopisteen funktio. Yleisesti ottaen tietyn halkaisijan omaavalla lasersäteellä tunkeutumissyvyys kasvaa säteen tehon kasvaessa.
2. Polttopiste
Säteen pistekoko on yksi tärkeimmistä muuttujista laserhitsauksessa, koska se määrää tehotiheyden. Sen mittaaminen on kuitenkin haasteellista suuritehoisille lasereille, vaikka saatavilla on monia epäsuoria mittaustekniikoita.
Säteen polttopisteen diffraktiorajan pistekoko voidaan laskea diffraktioteorian mukaisesti, mutta todellinen pistekoko on laskettua arvoa suurempi heikon polttopisteen heijastuksen vuoksi. Yksinkertaisin mittausmenetelmä on isolämpötilaprofiilimenetelmä, jossa mitataan polttopisteen halkaisija ja rei'itys sen jälkeen, kun paksu paperi on palanut ja tunkeutunut polypropeenilevyn läpi. Tämä menetelmä mittauskäytännön avulla hallitsee laserin tehon koon ja säteen toiminta-ajan.
3. Suojakaasu
Laserhitsausprosessissa käytetään usein suojakaasuja (heliumia, argonia, typpeä) suojaamaan hitsisulaa estäen työkappaleen hapettumisen hitsausprosessissa. Toinen syy suojakaasun käytölle on suojata tarkennuslinssiä metallihöyryjen aiheuttamalta kontaminaatiolta ja nestepisaroiden aiheuttamalta roiskumiselta. Erityisesti suuritehoisessa laserhitsauksessa ulostyöntö on erittäin voimakasta, joten linssin suojaaminen on välttämätöntä. Suojakaasun kolmas vaikutus on, että se on erittäin tehokas hajottamaan suuritehoisen laserhitsauksen tuottamaa plasmasuojausta. Metallihöyry absorboi lasersäteen ja ionisoituu plasmapilveksi. Myös metallihöyryn ympärillä oleva suojakaasu ionisoituu lämmön vaikutuksesta. Jos plasmaa on liikaa, plasma kuluttaa lasersäteen jotenkin. Toisena energiana työpinnalla on plasmaa, mikä tekee hitsaussyvyydestä matalamman ja hitsaussulan pinnasta leveämmän.
Miten valita oikea suojakaasu?
4. Imeytymisnopeus
Materiaalin laserabsorptio riippuu joistakin materiaalin tärkeistä ominaisuuksista, kuten absorptionopeudesta, heijastavuudesta, lämmönjohtavuudesta, sulamislämpötilasta ja haihtumislämpötilasta. Kaikista tekijöistä tärkein on absorptionopeus.
Kaksi tekijää vaikuttaa materiaalin absorptioasteeseen lasersäteessä. Ensimmäinen on materiaalin resistanssikerroin. Materiaalin absorptioasteen havaitaan olevan verrannollinen resistanssikertoimen neliöjuureen, ja resistanssikerroin vaihtelee lämpötilan mukaan. Toiseksi materiaalin pinnan kunto (tai viimeistely) vaikuttaa merkittävästi säteen absorptioasteeseen, jolla on merkittävä vaikutus hitsaustulokseen.
5. Hitsausnopeus
Hitsausnopeudella on suuri vaikutus tunkeutumissyvyyteen. Nopeuden nostaminen pienentää tunkeutumissyvyyttä, mutta liian alhainen nopeus johtaa materiaalien liialliseen sulamiseen ja työkappaleen läpihitsautumiseen. Siksi tietylle materiaalille on olemassa sopiva hitsausnopeusalue tietyllä laserteholla ja tietyllä paksuudella, ja suurin tunkeutumissyvyys voidaan saavuttaa vastaavalla nopeusarvolla.
6. Tarkennuslinssin polttoväli
Hitsauspistoolin päähän asennetaan yleensä tarkennuslinssi, jonka polttoväli on yleensä 63–254 mm (halkaisija 2,5–10 tuumaa). Tarkennuspisteen koko on verrannollinen polttoväliin, mitä lyhyempi polttoväli, sitä pienempi piste. Polttovälin pituus vaikuttaa kuitenkin myös syväterävyyteen, eli syväterävyys kasvaa synkronisesti polttovälin kanssa, joten lyhyt polttoväli voi parantaa tehotiheyttä. Mutta koska syväterävyys on pieni, linssin ja työkappaleen välinen etäisyys on säilytettävä tarkasti, eikä tunkeutumissyvyys ole suuri. Roiskeiden ja lasertilan vaikutuksesta hitsauksen aikana lyhin varsinaisessa hitsauksessa käytetty polttosyvyys on enimmäkseen 126 mm (halkaisija 5 tuumaa). Kun sauma on suuri tai hitsausta on tarpeen suurentaa pisteen kokoa, voidaan valita 254 mm:n polttovälin omaava linssi (halkaisija 10 tuumaa). Tässä tapauksessa tarvitaan suurempi laserin lähtöteho (tehotiheys) syvän tunkeutumisreiän vaikutuksen saavuttamiseksi.
Lisää kysymyksiä kädessä pidettävän laserhitsauslaitteen hinnasta ja kokoonpanosta
Julkaisun aika: 27.9.2022