Τι είναι η συγκόλληση με λέιζερ; Ποια είναι η τρέχουσα ανάπτυξη της τεχνολογίας συγκόλλησης με λέιζερ; Σε ποια πεδία μπορεί να εφαρμοστεί η τεχνολογία συγκόλλησης με λέιζερ;
1. Τι είναι η συγκόλληση με λέιζερ;
Εν ολίγοις, η συγκόλληση με λέιζερ είναι να θερμαίνει την επιφάνεια του τεμαχίου εργασίας με ακτινοβολία λέιζερ και η θερμότητα της επιφάνειας διαχέεται προς τα μέσα μέσω της αγωγιμότητας θερμότητας. Στη συνέχεια, με τον έλεγχο του πλάτους, της ενέργειας, της μέγιστης ισχύος και της συχνότητας επανάληψης του παλμού λέιζερ, το τεμάχιο εργασίας λιώνει για να σχηματίσει μια συγκεκριμένη τετηγμένη πισίνα, επιτυγχάνοντας έτσι τη συγκόλληση.
Η συγκόλληση με λέιζερ μπορεί να μειώσει τη θερμότητα εισόδου στην ελάχιστη απαιτούμενη ποσότητα, το εύρος μεταλλογραφικής μεταβολής της ζώνης που επηρεάζεται από τη θερμότητα είναι μικρή και η παραμόρφωση που προκαλείται από τη αγωγιμότητα θερμότητας είναι επίσης ελάχιστη.
Η συγκόλληση μη επαφής μπορεί να μειώσει στο ελάχιστο τη φθορά και την παραμόρφωση του μηχανήματος. Η δέσμη λέιζερ είναι εύκολο να εστιάσει, να ευθυγραμμιστεί και να οδηγήσει με οπτικά όργανα. Μπορεί να τοποθετηθεί σε κατάλληλη απόσταση από το τεμάχιο εργασίας και μπορεί να καθοδηγηθεί μεταξύ των μηχανών ή των εμποδίων γύρω από το τεμάχιο εργασίας.
Η δέσμη λέιζερ μπορεί να επικεντρωθεί σε μια πολύ μικρή περιοχή, να συγκολλήσει μικρά και στενά χωρισμένα μέρη, μπορεί να συγκολλήσει ένα ευρύ φάσμα υλικών και μπορεί επίσης να ενταχθεί σε διάφορα ετερογενή υλικά.
Είναι εύκολο να εκτελέσετε συγκόλληση υψηλής ταχύτητας με αυτοματοποίηση και μπορεί επίσης να ελεγχθεί ψηφιακά ή με υπολογιστή. Κατά τη συγκόλληση λεπτών υλικών ή καλώδια λεπτής διαμέτρου, δεν υπάρχει κανένα πρόβλημα όπως η αναδίπλωση.
2. Ποια είναι η τρέχουσα κατάσταση της τεχνολογίας συγκόλλησης με λέιζερ;
Η τεχνολογία συγκόλλησης με λέιζερ έχει αναπτυχθεί μαζί με την ανάπτυξη της τεχνολογίας λέιζερ. Τα τελευταία χρόνια, έχουν εισαχθεί νέες πηγές φωτός όπως μπλε λέιζερ, πράσινο λέιζερ, λέιζερ femtosecond, συγκόλληση ταλάντευσης, βραχίονα (ρυθμιζόμενος δακτύλιος), η οποία έχει εισαγάγει ρυθμιζόμενη συγκόλληση σημείων και άλλες νέες διεργασίες, οι οποίες έχουν επιλύσει καινοτομικά ορισμένα προβλήματα συγκόλλησης στη βιομηχανική παραγωγή, η οποία έχει επιτρέψει τη συγκόλληση με λέιζερ να προωθείται και να αναπτυχθεί σε διάφορους τομείς της βιομηχανικής παραγωγής.
(1) Μεταλλική τεχνολογία συγκόλλησης λέιζερ
Η υψηλή ενεργειακή πυκνότητα του λέιζερ καθιστά δυνατή τη συγκόλληση ορισμένων δύσκολων μεταλλικών υλικών, αλλά εξακολουθούν να υπάρχουν ορισμένα προβλήματα με τη συγκόλληση εξαιρετικά αντανακλαστικών υλικών και ανόμοιων μεταλλικών υλικών όπως ο χρυσός, ο αργύρος, ο χαλκός και το αλουμίνιο. Οι κύριοι λόγοι περιλαμβάνουν:
① Υψηλή ανακλαστικότητα και υψηλή θερμική αγωγιμότητα, η συγκόλληση με λέιζερ απαιτεί υψηλότερη ισχύ εκκίνησης.
Η συγκόλληση με λέιζερ υψηλής ισχύος, είναι ευαίσθητη στις μεταβολές της επιφανειακής κατάστασης του υλικού, με αποτέλεσμα τον σχηματισμό κακής συγκόλλησης/συγκόλλησης.
Η ταχύτητα συγκόλλησης με λέιζερ είναι γρήγορη, με αποτέλεσμα ελαττώματα συγκόλλησης όπως οι πόροι μέσα στη συγκόλληση, ειδικά τα κράματα αλουμινίου και αλουμινίου.
(1.1) Αποτελεσματική συγκόλληση λέιζερ από κράματα χαλκού και χαλκού
Ο χαλκός έχει εξαιρετική ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα και χρησιμοποιείται ευρέως στα πεδία κατασκευής ηλεκτρονικών προϊόντων και ηλεκτρικών οχημάτων. Μεταξύ αυτών, οι κινητήρες, οι μπαταρίες, οι αισθητήρες, οι καλωδιώσεις και τα τερματικά είναι τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα.
Στο παρελθόν, η συγκόλληση με λέιζερ μεταλλικών υλικών βασιζόταν κυρίως σε υπερύθιμα λέιζερ. Ωστόσο, η θερμική αγωγιμότητα του χαλκού είναι πολύ υψηλή, σχεδόν 5 φορές από εκείνη του καθαρού σιδήρου και 1,7 φορές εκείνη του καθαρού αλουμινίου. Ο χαλκός έχει χαμηλό ρυθμό απορρόφησης για λέιζερ υπέρυθρων. Η χρήση υπέρυθρων λέιζερ για γραμμική συγκόλληση από μόνη της έχει ένα ασταθές παράθυρο διεργασίας και τη μεγαλύτερη διακύμανση στο βάθος τήξης, το οποίο είναι επιρρεπές σε προβλήματα όπως η εκτόξευση συγκόλλησης, η εκτόξευση λιωμένου μετάλλου, οι πόροι και οι μεγάλες διακυμάνσεις στο βάθος διείσδυσης.
Επομένως, μετά την εμφάνιση λέιζερ βραχυκυκλώματος υψηλής ισχύος, η συγκόλληση με ορατή φωτός και η υβριδική συγκόλληση έχουν γίνει ιδανικές μεθόδους επεξεργασίας για εξαιρετικά αντανακλαστικά υλικά όπως κράματα χαλκού και χαλκού.
① Green Light Laser Laser
Το πράσινο λέιζερ είναι ένα είδος ορατού φωτός με μήκος κύματος 500-560 nm. Ο ρυθμός απορρόφησης του χαλκού για το πράσινο φως με μήκος κύματος λ=515 nm είναι τόσο υψηλό όσο 40%, το οποίο είναι περίπου 8 φορές ο ρυθμός απορρόφησης υπέρυθρου φωτός περίπου 1 μm και η απόδοση σύζευξης ενέργειας είναι υψηλότερος. Η ευαισθησία στον βαθμό οξείδωσης μειώνεται επίσης.
Η χρήση του πράσινου λέιζερ μπορεί να μειώσει σημαντικά την ισχύ του κατωφλίου της συγκόλλησης βαθιάς διείσδυσης χαλκού, η ποσότητα ψεκασμού τήγματος και ψεκασμού στην επιφάνεια συγκόλλησης είναι μικρή και σχεδόν δεν επηρεάζεται από την ταχύτητα συγκόλλησης. Εάν η σάρωση δέσμης, η εκτόξευση δέσμης και η σωστή διαμόρφωση ισχύος λέιζερ αυξάνονται, η ποιότητα συγκόλλησης μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά. Ενώ ο αριθμός των ελαττωμάτων συγκόλλησης μειώνεται σημαντικά, η επιφάνεια συγκόλλησης θα είναι πιο τακτικός και ομοιόμορφος.
②BLue Light Laser Welding
Όσο μικρότερο είναι το μήκος κύματος, τόσο υψηλότερη είναι η ενέργεια των φωτονίων, η οποία βοηθά στην αύξηση του ρυθμού απορρόφησης του υλικού του φωτός λέιζερ. Το μήκος κύματος του μπλε λέιζερ είναι 400nm ~ 500n. Το λέιζερ ημιαγωγού που βασίζεται σε υλικό νιτριδίου γαλλίου μπορεί να παράγει άμεσα λέιζερ με μήκος κύματος 450 nm χωρίς περαιτέρω διπλασιασμό συχνότητας. Έχει τα πλεονεκτήματα της απλής δομής, της εύκολης χρήσης, της ηλεκτρο-οπτικής απόδοσης μετατροπής και του υψηλού ρυθμού απορρόφησης.
Σε σύγκριση με τα λέιζερ ινών που χρησιμοποιούνται συνήθως στη βιομηχανική επεξεργασία, τα λέιζερ μπλε φωτός έχουν ένα {0}}% αύξηση του ρυθμού απορρόφησης των μεταλλικών υλικών στα 450nm, ειδικά της αύξησης του ρυθμού απορρόφησης των υψηλής αντανακλαστικής μεταλλικής υλικής όπως ο χαλκός και ο χρυσός. Έχει επαληθευτεί ότι η κατανάλωση ενέργειας που απαιτείται για τη συγκόλληση του χαλκού είναι 84% χαμηλότερη από αυτή των υπέρυθρων λέιζερ. Αυτό σημαίνει ότι όταν ένα υπέρυθρο λέιζερ απαιτεί 10 W ισχύος λέιζερ για να συγκολλήσει τα υλικά χαλκού, χρησιμοποιώντας ένα μπλε λέιζερ απαιτεί μόνο περίπου 1 kW ή 0,5 kW ισχύος.
③ Double Beam Hybrid Welding
Χρησιμοποιώντας τη σύνθετη διαδικασία συγκόλλησης διπλής δέσμης υπέρυθρης ορατής φωτός, χρησιμοποιώντας μια μικρότερη ισχύ ορατή φωτεινή λέιζερ, το υπέρυθρο λέιζερ μπορεί να επιτύχει αναγκαστική συγκόλληση βαθιάς διείσδυσης του χαλκού όταν η ισχύς είναι χαμηλότερη από τη δύναμη συγκόλλησης βαθιάς διείσδυσης και μειώνει σημαντικά τη συγκόλληση και το κόστος του εξοπλισμού είναι χαμηλό. Η ποιότητα συγκόλλησης είναι υψηλή και θεωρείται ότι έχει εξαιρετικά πλεονεκτήματα και καλές προοπτικές εφαρμογής.
(1,2) Συγκόλληση με σάρωση λέιζερ των κραμάτων αλουμινίου
Όταν οι συμβατικές δέσμες λέιζερ μονής εστίασης χρησιμοποιούνται για τη συγκόλληση των κραμάτων αλουμινίου, οι πόροι είναι κοινά ελαττώματα. Οι κύριοι λόγοι για τον σχηματισμό πόρων στα κράματα αλουμινίου είναι:
① Η τετηγμένη πισίνα συγκόλλησης και η κλειδαρότρυπα είναι επιρρεπείς σε κατάρρευση και αστάθεια λόγω σοβαρών κραδασμών, σχηματίζοντας πόρους.
② Η διαλυτότητα του υδρογόνου στα κράματα αλουμινίου θα μειωθεί απότομα με τη μείωση της θερμοκρασίας, με αποτέλεσμα την καθίζηση του υπερκορεσμένου υδρογόνου κατά τη διάρκεια της στερεοποίησης και του σχηματισμού πόρων υδρογόνου. Η παρουσία των πόρων θα προκαλέσει συγκέντρωση στρες στη συγκόλληση, γεγονός που θα προκαλέσει σπάσιμο της συγκόλλησης κατά τη διάρκεια της στερεοποίησης.
Συγκόλληση με λέιζερ. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας συγκόλλησης, η δέσμη μετακινείται κατά μήκος της κατεύθυνσης της συγκόλλησης και των κούνιων σε διάφορες μορφές όπως το Circular, 8- σε σχήμα και σπειροειδείς γραμμές ταυτόχρονα.
Επί του παρόντος, η πραγματοποίηση της ταλάντευσης δέσμης επιτυγχάνεται κυρίως από ένα γαλβανόμετρο που μπορεί να αντέξει τα λέιζερ υψηλής ισχύος. Η περιοχή δράσης δέσμης της συγκόλλησης με λέιζερ με λέιζερ αυξάνεται, γεγονός που αυξάνει την περιοχή της κλειδαρότρυπας και τη λιωμένη δεξαμενή και το μέγεθος της ρίζας της λιωμένης πισίνας, βελτιώνει τη σταθερότητα της κλειδαρότρυπας και της λιωμένης πισίνας και έχει σημαντική βελτίωση των επιπτώσεων σε ελαττώματα όπως η κακή σύντηξη και η υποβρύχια. Ταυτόχρονα, η ανάδευση της λιωμένης πισίνας από την ακτινοβολούμενη δέσμη φωτός επιταχύνει τη μεταφορά της λιωμένης πισίνας, η οποία αυξάνει την ταχύτητα διαφυγής των φυσαλίδων στη λιωμένη πισίνα και μειώνει το πορώδες.
3. Τρέχουσα εφαρμογή της τεχνολογίας συγκόλλησης με λέιζερ σε διάφορους τομείς
Η συγκόλληση με λέιζερ είναι αργότερα από την κοπή. Προς το παρόν, υπάρχουν επιχειρήσεις στη χώρα μου που ειδικεύονται στη συγκόλληση με λέιζερ. Στις πρώτες μέρες, η συγκόλληση με λέιζερ με λέιζερ με λέιζερ και YAG ήταν οι κύριες μεθόδους. Είναι όλα πολύ παραδοσιακή συγκόλληση με λέιζερ χαμηλής ισχύος, η οποία έχει εφαρμοστεί σε καλούπια, διαφημιστικούς χαρακτήρες, γυαλιά, κοσμήματα και άλλα πεδία, αλλά η κλίμακα είναι πολύ περιορισμένη. Τα τελευταία χρόνια, με τη συνεχή βελτίωση της ισχύος λέιζερ, το πιο σημαντικό, τα λέιζερ ημιαγωγών και τα λέιζερ ινών έχουν αναπτύξει σταδιακά σενάρια εφαρμογών συγκόλλησης λέιζερ, σπάζοντας την τεχνική συμφόρηση της συγκόλλησης με λέιζερ και ανοίγοντας νέο χώρο στην αγορά.
(1) Εφαρμογή της τεχνολογίας συγκόλλησης με λέιζερ στην αυτοκινητοβιομηχανία
Με την ανάπτυξη της επιστήμης και της τεχνολογίας και τη βελτίωση του επιπέδου και της ποιότητας ζωής των ανθρώπων, οι απαιτήσεις για ελαφριά και καλλιτεχνική αισθητική των αυτοκινήτων στον τομέα της παραγωγής αυτοκινήτων αυξάνονται και υψηλότερα. Η τεχνολογία συγκόλλησης με λέιζερ ξεχωρίζει λόγω της εξαιρετικής επίδρασης επεξεργασίας, της καλής ποιότητας των προϊόντων και της υψηλής απόδοσης της εργασίας και γίνεται γρήγορα η αγάπη της εφαρμογής τεχνολογίας διεργασιών συγκόλλησης στον τομέα της παραγωγής αυτοκινήτων.
Στην παραγωγή οχημάτων, η τεχνολογία συγκόλλησης με λέιζερ χρησιμοποιείται κυρίως σε διεργασίες όπως η συγκόλληση με λέιζερ των πυκνών πλακών χάλυβα, η συγκόλληση με λέιζερ των συγκροτημάτων αυτοκινήτων και των συγκροτημάτων υποσυστήματος και η συγκόλληση των τμημάτων του οχήματος. Οι αυτοκινητοβιομηχανίες σε ορισμένες ευρωπαϊκές και αμερικανικές χώρες άρχισαν να εφαρμόζουν τεχνολογία συγκόλλησης με λέιζερ σχετικά νωρίς, ξεκινώντας από τη δεκαετία του 1980. Η Audi, η Mercedes-Benz, η GM και άλλες γνωστές μάρκες αυτοκινήτων άρχισαν να εισάγουν την τεχνολογία συγκόλλησης με λέιζερ στην παραγωγή και την κατασκευή οχημάτων εκείνη την εποχή, η οποία προώθησε την σε βάθος εφαρμογή και ανάπτυξη τεχνολογίας συγκόλλησης λέιζερ στον τομέα της παραγωγής και κατασκευής οχημάτων.
Η συγκόλληση με λέιζερ των μπαταριών ισχύος θα πρέπει να είναι η πιο εντυπωσιακή ζήτηση εφαρμογής συγκόλλησης τα τελευταία χρόνια, η οποία έχει μεγάλη ώθηση για τους κατασκευαστές εξοπλισμού λέιζερ. Το δεύτερο πρέπει να είναι η συγκόλληση των αυτοκινήτων και των εξαρτημάτων. Η Κίνα είναι η μεγαλύτερη αγορά αυτοκινήτων παγκοσμίως, με πολλές παλιές εταιρείες αυτοκινήτων και νέες εταιρείες αυτοκινήτων να αναδύονται συνεχώς, με σχεδόν 100 μάρκες αυτοκινήτων. Οι περισσότεροι κατασκευαστές χρησιμοποιούν τεχνολογία συγκόλλησης σε επίπεδο κιλοβάτ ή αυτοματοποιημένες γραμμές παραγωγής συγκόλλησης με λέιζερ. Ειδικά στον τομέα των μπαταριών ισχύος, οι κορυφαίες νέες εταιρείες μπαταρίας ενέργειας έχουν χρησιμοποιήσει μεγάλο αριθμό εξοπλισμού συγκόλλησης με λέιζερ.
4. Ποια είναι η τάση ανάπτυξης της τεχνολογίας συγκόλλησης με λέιζερ;
Με την περαιτέρω ανάπτυξη και την ανακάλυψη της τεχνολογίας συγκόλλησης, η μοναδικότητά της είναι πιο εμφανής στη διαδικασία έρευνας και ανάπτυξης της τεχνολογίας συγκόλλησης με λέιζερ. Η τεχνολογία συγκόλλησης με λέιζερ μπορεί να συγκολλήσει τα μεταλλικά υλικά γρήγορα και αποτελεσματικά. Όταν παράγεται η δέσμη λέιζερ, λόγω των δικών της υψηλών χαρακτηριστικών εστίασης, μπορεί να προκαλέσει εξαιρετικά υψηλή πυκνότητα ισχύος στη δέσμη λέιζερ, η οποία επιτρέπει στη δέσμη λέιζερ να απελευθερώνει μεγάλη ποσότητα θερμικής ενέργειας σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα, βελτιώνοντας έτσι την απόδοση συγκόλλησης και εξασφαλίζοντας την ποιότητα συγκόλλησης.
Επιπλέον, λόγω του στιγμιαίου πλεονεκτήματος συγκόλλησης της τεχνολογίας συγκόλλησης με λέιζερ, έχει μια πολύ ευρεία προοπτική εφαρμογής. Στην πραγματική εφαρμογή της τεχνολογίας συγκόλλησης με λέιζερ, όταν η δέσμη λέιζερ ακτινοβολεί άμεσα την επιφάνεια του μεταλλικού υλικού, δεν θα επηρεάσει το μεταλλικό υλικό εκτός της περιοχής ακτινοβολίας, επομένως δεν προκαλεί σημαντική βλάβη στην επιφάνεια του μεταλλικού υλικού κατά τη διάρκεια της διαδικασίας συγκόλλησης και μετά την ολοκλήρωση της διαδικασίας συγκόλλησης, δεν υπάρχει ανάγκη να εκτελεστεί η σχετική επεξεργασία της επιφάνειας. Αυτό καθιστά την τεχνολογία συγκόλλησης με λέιζερ ιδιαίτερα κατάλληλη για την επεξεργασία των επιφανειών διαφόρων τμημάτων ακριβείας, έτσι ώστε να μπορούν επίσης να επιτευχθούν πιο δύσκολες εργασίες συγκόλλησης.
Επιπλέον, στις προηγούμενες τεχνικές προδιαγραφές συγκόλλησης, συνήθως ορίζεται ότι οι υλικές απαιτήσεις για όλα τα υλικά συγκόλλησης πρέπει να είναι συνεπείς. Με τη χρήση της τεχνολογίας συγκόλλησης με λέιζερ, δεν υπάρχει λόγος να έχουμε μεγάλους περιορισμούς στο υλικό των υλικών συγκόλλησης, οπότε ακόμη και τα υλικά συγκόλλησης διαφορετικών υλικών μπορούν εύκολα να συγκολληθούν χρησιμοποιώντας τεχνολογία συγκόλλησης με λέιζερ. Μπορεί να ειπωθεί ότι ο σχηματισμός και η ευρεία εφαρμογή της τεχνολογίας συγκόλλησης με λέιζερ έχει ξεπεράσει αποτελεσματικά τα προβλήματα στην παραδοσιακή τεχνολογία συγκόλλησης και μείωσε τη δυσκολία των παραδοσιακών εργασιών συγκόλλησης.
Μετά από περισσότερο από μισό αιώνα ανάπτυξης, το τεχνικό επίπεδο της τεχνολογίας συγκόλλησης με λέιζερ έχει επίσης γίνει όλο και πιο τέλεια και έχει σταδιακά χρησιμοποιηθεί ευρέως σε όλο και περισσότερους βιομηχανικούς τομείς.
Στα πεδία εφαρμογής της αεροδιαστημικής, ηλεκτρονικά όργανα, κατασκευής μηχανημάτων, μεταλλουργίας χάλυβα, κατασκευής αυτοκινήτων, ιατρικού εξοπλισμού και άλλων βιομηχανιών, η τεχνολογία συγκόλλησης με λέιζερ διαδραματίζει όλο και πιο τεράστιο ρόλο. Για παράδειγμα, στην παραγωγή εξαρτημάτων αυτοκινήτων, η τεχνολογία συγκόλλησης με λέιζερ μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επεξεργασία και την παραγωγή των τμημάτων που καλύπτουν το όχημα και οι προηγμένες χώρες όπως οι Ηνωμένες Πολιτείες και η Ιαπωνία έχουν επίσης εφαρμόσει τεχνολογία συγκόλλησης λέιζερ στην παραγωγή εξαρτημάτων αεροπορίας σε ένα καθαρό περιβάλλον αζώτου.