1. Wprowadzenie
Technologia spawania laserowego charakteryzuje się niskim wkładem ciepła, gęstymi i estetycznymi spoinami, precyzyjną kontrolą i łatwą integracją automatyzacji, co umożliwia jej szybkie przyjęcie w przemyśle metalowym. Jednak nie wszystkie materiały nadają się do spawania laserowego. Czynniki takie jak przewodność cieplna, charakterystyka absorpcji optycznej, różnice w temperaturze topnienia, pierwiastki stopowe i warunki powierzchniowe mogą wpływać na jakość spawania. Dlatego zrozumienie zakresu stosowanych materiałów i ograniczeń spawania laserowego ma kluczowe znaczenie dla wyboru sprzętu, planowania procesów i kontroli jakości produkcji.
2. Zakres stosowanych materiałów
Spawanie laserowe nadaje się do wielu kategorii materiałów metalicznych, wśród których materiały żelazne stanowią najbardziej dojrzałą dziedzinę zastosowań. Materiały takie jak stal węglowa, stal niskostopowa i stal nierdzewna wykazują dobrą absorpcję wiązki lasera, zapewniając stabilne formowanie spoiny, kontrolowaną głębokość penetracji i wystarczającą wytrzymałość mechaniczną. Stopy na bazie niklu również wykazują stabilne mikrostruktury podczas spawania z niską tendencją do pękania i są szeroko stosowane w elementach lotniczych i zakładkach baterii. Materiały te są uważane za najbardziej przyjazne dla lasera.
Aluminium i stopy aluminium również nadają się do spawania, choć z większym stopniem trudności w porównaniu z materiałami żelaznymi. Aluminium wykazuje wysoką refleksyjność, wysoką przewodność cieplną i niską temperaturę topnienia, co powoduje niestabilność jeziorka spawalniczego i podatność na porowatość. Dlatego spawanie aluminium zazwyczaj wymaga większej mocy lasera, bardziej precyzyjnej kontroli położenia ogniska i zoptymalizowanego doboru gazu osłonowego, aby zapewnić stabilność procesu i gęstość spoiny. Pomimo wyzwań, stopy aluminium są często używane w obudowach baterii, obudowach elektroniki użytkowej i konstrukcjach lotniczych.
Miedź i stopy miedzi stanowią materiały o jeszcze większej trudności spawania. Miedź ma bardzo wysoką refleksyjność i przewodność cieplną, co skutkuje niską początkową wydajnością sprzężenia lasera i częstymi wadami, takimi jak brak przetopu, nieciągłe spoiny lub pękanie podczas krzepnięcia. Wraz z rozwojem laserów światłowodowych dużej mocy, laserów zielonych i źródeł laserów impulsowych, wydajność spawania miedzi uległa poprawie i jest coraz częściej wykorzystywana w szynach zbiorczych baterii, złączach elektrycznych, zaciskach i precyzyjnych elementach elektronicznych.
Spawanie laserowe nadaje się również do metali szlachetnych, takich jak złoto, srebro i platyna. Materiały te są szeroko stosowane w produkcji biżuterii i produkcji styków elektrycznych. Chociaż mają wysoką przewodność cieplną, ich stabilność spawania pozostaje doskonała. Lasery impulsowe są powszechnie stosowane do precyzyjnego mikro-spawania, zapewniając wyjątkową spójność spoiny i jakość powierzchni.
3. Materiały z ograniczeniami
Spawanie laserowe nie jest odpowiednie dla wszystkich materiałów. Stale wysokowęglowe i żeliwo, choć należące do systemu żelaznego, zawierają wyższą zawartość węgla. Podczas szybkiego nagrzewania i chłodzenia mają tendencję do tworzenia twardych i kruchych mikrostruktur, generując pęknięcia lub porowatość. Materiały takie wymagają podgrzewania wstępnego, kontrolowanego chłodzenia lub zmniejszonej gęstości energii, aby zminimalizować wady spawania.
Cynk, magnez i niektóre stopy magnezu i aluminium również wykazują ograniczenia procesowe. Materiały te mają niskie temperatury topnienia i wysokie ciśnienia par, które mają tendencję do wytwarzania porowatości, rozprysków i niestabilnych jeziorek spawalniczych, co skutkuje słabym wyglądem spoiny i gęstością. Chociaż optymalizacja procesu może poprawić wydajność, zastosowania przemysłowe pozostają stosunkowo ograniczone.
Materiały z powłokami powierzchniowymi, takie jak srebro, nikiel lub złoto, stanowią dodatkowe wyzwania. Warstwa powłoki zmienia absorpcję energii lasera, prowadząc do niewystarczającego sprzężenia lub niespójnego topienia. Ponadto powłoki wielowarstwowe mogą ulegać delaminacji pod wpływem ciepła z powodu słabej adhezji międzyfazowej. Często wymagane jest szlifowanie powierzchni lub użycie laserów impulsowych lub zielonych w celu poprawy absorpcji.
W przypadku materiałów niemetalicznych konwencjonalne systemy spawania laserowego metali nie nadają się do tworzyw sztucznych, gumy lub kompozytów. Spawanie tworzyw sztucznych wymaga specyficznych procesów spawania transmisyjnego i parowania materiałów, zwykle stosując dedykowane systemy spawania laserowego tworzyw sztucznych, a nie konwencjonalne źródła laserów metalowych.
4. Spawanie metali różnoimiennych
Spawanie laserowe jest również wykorzystywane do łączenia metali różnoimiennych. Jednak kompatybilność metalurgiczna, niedopasowanie rozszerzalności cieplnej i różnice w temperaturze topnienia nakładają znaczne ograniczenia. Stal nierdzewna i stal węglowa są łatwiejsze do spawania razem, podczas gdy pary aluminium-stal nierdzewna, miedź-stal nierdzewna i aluminium-miedź są podatne na tworzenie kruchych związków międzymetalicznych, zmniejszając wytrzymałość połączenia. Praktyka przemysłowa często przyjmuje lutowanie laserowe, skanowanie oscylacyjne, dodawanie drutu wypełniającego lub zoptymalizowane ścieżki wiązki w celu poprawy wydajności połączenia. Wykonalność zależy bardziej od strategii procesowej niż od samych materiałów podstawowych.
5. Ograniczenia procesowe i czynniki wpływające
Przydatność materiału do spawania laserowego jest określana przez wiele czynników wpływających, w tym długość fali lasera, charakterystykę absorpcji powierzchniowej, pierwiastki stopowe, przewodność cieplną, refleksyjność, zanieczyszczenie powierzchni, warstwy tlenków, prędkość przesuwu, położenie ogniska i gaz osłonowy. Różne materiały mają różne okna przetwarzania, wymagające starannego doboru sprzętu i regulacji parametrów w oparciu o charakterystykę materiału.
6. Wnioski
Podsumowując, spawarki laserowe wykazują szerokie zastosowanie w obróbce metali. Materiały żelazne i na bazie niklu są najbardziej odpowiednie, podczas gdy stopy aluminium i miedzi nadają się do spawania, ale wymagają zaawansowanej kontroli procesu. Niektóre materiały wysokowęglowe, metale powlekane i lekkie stopy wykazują ograniczenia w zastosowaniu, a tworzywa sztuczne lub materiały niemetaliczne wymagają specjalistycznych systemów laserowych, a nie konwencjonalnych źródeł spawania metali. Wraz z postępem laserów światłowodowych dużej mocy, źródeł laserów zielonych/niebieskich i laserów ultrakrótkich, zakres stosowanych materiałów wciąż się poszerza, a obecne wąskie gardła w spawaniu mają zostać pokonane w większej liczbie sektorów przemysłu.