Laser svejsning

Lasersvejsning er en banebrydende teknologi, der transformerer, hvordan materialer sammenføjes på tværs af industrier.

Dens uovertrufne præcision, effektivitet, og alsidighed er ved at blive en fast bestanddel i applikationer, der kræver højkvalitets og holdbare samlinger.

Denne guide vil udforske alt, hvad du har brug for om lasersvejsning, dens typer, og hvordan det virker.

Hvad er lasersvejsning?

Lasersvejsning er en højpræcisionsproces, der bruger en fokuseret laserstråle som varmekilde til at smelte og smelte materialer i deres samling.

Teknikken er ideel til metaller, legeringer, og noget plastik, leverer rent, stærke svejsninger med minimale varmepåvirkede zoner (Haz).

Denne teknologi er meget udbredt i rumfart, Automotive, Elektronik, og fremstilling af medicinsk udstyr, hvor nøjagtighed og styrke er i højsædet.

Lasersvejsning kan sammenføje tynde eller tykke materialer og endda uens metaller, gør den utrolig alsidig.

Hvordan virker lasersvejsning?

Grundlæggende principper

1. Generering af laserstråler:

• • Laser kilde: Processen starter med en laserkilde, som genererer en lysstråle med høj intensitet.
    Almindelige laserkilder omfatter CO₂-lasere, Nd: YAG (Neodym-doteret Yttrium Aluminium Granat) lasere, og fiberlasere.
  • Strålefokusering: Laserstrålen rettes og fokuseres ved hjælp af spejle og linser.
    Fokusoptikken koncentrerer strålen til et meget lille sted, typisk et par mikrometer til millimeter i diameter, skabe en høj effekttæthed.

2. Materiale Opvarmning:

• • Absorption: Når den fokuserede laserstråle rammer materialet, energien optages, hvilket får materialet til at opvarme hurtigt.
  • Smeltning: Den intense varme får materialet til at smelte ved kontaktpunktet.
    Dybden og bredden af ​​det smeltede område afhænger af laserens kraft og eksponeringens varighed.

3. Svejsedannelse:

• • Pooling: Når materialet smelter, det danner en smeltet pool. Bevægelsen af ​​laserstrålen langs samlingslinjen får det smeltede materiale til at flyde og blandes.
  • Størkning: Når laserstrålen bevæger sig væk, den smeltede pool afkøles og størkner, danner en stærk, sammenhængende svejsning.

Nøglekomponenter

1. Laser kilde:

• • CO₂ lasere: Disse er gaslasere, der bruger kuldioxidgas som lasermedie. De er velegnede til svejsning af tykke materialer og kan producere bjælker med høj effekt.
• • Nd: YAG lasere: Disse er solid-state lasere, der bruger en krystal dopet med neodym. De er alsidige og kan bruges til både tykke og tynde materialer.
  • Fiberlasere: Disse er den mest avancerede type, ved at bruge et doteret fiberoptisk kabel som forstærkningsmedium.
    De er meget effektive, kompakt, og kan levere meget høje effekttætheder.

2. Optisk system:

• • Spejle og linser: Disse komponenter retter og fokuserer laserstrålen på emnet. Optik af høj kvalitet sikrer præcis kontrol over strålens position og størrelse.
  • Beam leveringssystem: I nogle opsætninger, laserstrålen leveres gennem et fiberoptisk kabel til et fjerntliggende hoved, giver mulighed for fleksibel og præcis positionering.

3. Håndtering af emner:

• • Fastgørelse: Arbejdsemnerne skal holdes sikkert på plads for at sikre nøjagtig justering og ensartet svejsekvalitet.
  • Bevægelseskontrol: CNC (Computer numerisk kontrol) systemer bruges ofte til at flytte emnet eller laserhovedet langs den ønskede vej.

Typer af lasersvejsning

Lasersvejsning er en alsidig og præcis metode til sammenføjning af materialer, og flere typer lasersvejseteknikker henvender sig til forskellige applikationer og materialer. Hver type har sine unikke fordele og udfordringer. Her er en omfattende oversigt:

1. Kontinuerlig bølge (CW) Laser svejsning

Behandle: Ved kontinuerlig bølgelasersvejsning, laserstrålen udsendes kontinuerligt under svejseprocessen. Denne konstante varmetilførsel gør den velegnet i længere tid, kontinuerlige svejsninger.

Applikationer: CW-lasersvejsning er meget udbredt i bil- og rumfartsindustrien til svejsning af tykkere materialer og opnåelse af dyb penetration.

Fordele:

• Høj penetration: CW-lasere kan opnå dybe og smalle svejsninger, hvilket gør dem ideelle til tykke materialer.
• Konstant varmetilførsel: Den kontinuerlige stråle sikrer ensartede svejseforhold, fører til ensartede og pålidelige svejsninger.

Ulemper:

• Større varmepåvirket zone (Haz): Den kontinuerlige varmetilførsel kan resultere i en større HAZ, potentielt påvirke materialets egenskaber.
• Højere energiforbrug: CW lasers generally consume more energy compared to pulsed lasers.

Data:

• Power Range: Spænder typisk fra 1 kW to 10 kW.
• Penetration Depth: Can achieve depths of up to 20 mm in steel.
• Svejsehastighed: Op til 10 meter i minuttet, depending on material thickness and power.

2. Pulserende lasersvejsning

Behandle: Pulsed laser welding involves emitting the laser beam in short, high-energy pulses. Each pulse delivers a burst of energy, allowing for precise control over the heat input and minimizing the HAZ.

Applikationer: Pulsed laser welding is ideal for thin materials, delicate components, and applications requiring minimal heat input, såsom elektronik og medicinsk udstyr.

Fordele:

• Præcis kontrol: The pulsed nature allows for fine control over the weld size and shape.
• Minimal HAZ: Reduces the risk of material distortion and warping, making it suitable for thin and sensitive materials.

Ulemper:

• Shallow Penetration: Limited to thinner materials and shallow welds.
• Slower Process: May be slower than continuous wave welding for longer welds.

Data:

• Puls Varighed: Strækker sig typisk fra mikrosekunder til millisekunder.
• Power Range: Fra nogle få watt til flere kilowatt.
• Penetration Depth: Op til 1 mm in steel.
• Svejsehastighed: Op til 2 meter i minuttet, afhængig af materialetykkelse og pulsfrekvens.

3. Hybrid lasersvejsning

Behandle: Hybrid lasersvejsning kombinerer laserstrålen med en anden varmekilde, typisk en buesvejseproces (som MIG eller TIG).

Laserstrålen udgør den primære varmekilde, mens lysbuen stabiliserer svejsebassinet og tilføjer fyldmateriale, hvis det er nødvendigt.

Applikationer: Hybrid lasersvejsning bruges til svejsning af tykke materialer og til applikationer, der kræver høje aflejringshastigheder, såsom i skibsbygning og tunge maskiner.

Fordele:

• Dyb penetration: Kombinerer laserens dybe penetration med fleksibiliteten ved buesvejsning.
• Høje deponeringsrater: Hurtigere svejsehastigheder og højere materialeaflejringshastigheder, hvilket gør den velegnet til store industrielle applikationer.

Ulemper:

• Kompleks opsætning: Kræver mere komplekst udstyr og opsætning, øge startinvesteringen.
• Højere omkostninger: Dyrere på grund af behovet for flere varmekilder og specialiseret udstyr.

Data:

• Power Range: Laserkraften spænder typisk fra 1 kW to 10 kW, med lysbueeffekt fra 100 A til 500 EN.
• Penetration Depth: Can achieve depths of up to 25 mm in steel.
• Svejsehastighed: Op til 15 meter i minuttet, depending on material thickness and power.

4. Fjernstyret lasersvejsning

Behandle: Fjernlasersvejsning bruger et højhastighedsscanningssystem til at rette laserstrålen over et stort område.

Strålen afbøjes ved hjælp af spejle eller galvanometriske scannere, giver mulighed for hurtig og præcis svejsning af flere punkter eller baner.

Applikationer: Fjernlasersvejsning bruges i højvolumenproduktionsmiljøer, såsom i bilindustrien til body-in-white montage og i elektronikindustrien til lodning.

Fordele:

• Høj hastighed: Ekstremt hurtige svejsehastigheder, Velegnet til masseproduktion.
• Fleksibilitet: Kan svejse flere punkter eller stier hurtigt og præcist, hvilket gør den ideel til komplekse geometrier.

Ulemper:

• Begrænset penetration: Generelt mindre egnet til dyb penetrationssvejsning.
• Præcisionskrav: Kræver præcis kontrol og justering af scanningssystemet, hvilket kan være udfordrende.

Data:

• Scanningshastighed: Op til 100 meter i sekundet.
• Svejsehastighed: Op til 50 meter i minuttet, afhængig af kompleksiteten af ​​svejsebanen.
• Power Range: Spænder typisk fra 1 kW to 5 kW.

5. Ledningstilstand svejsning

Behandle: Svejsning i ledningstilstand involverer opvarmning af overfladen af ​​de materialer, der skal sammenføjes, får dem til at smelte og smelte sammen.

Varmen ledes ind i materialet, resulterer i en bredere, lavvandede svejsebassin.

Applikationer: Conduction mode svejsning bruges til tynde materialer og applikationer, hvor en bred, lav svejsning er acceptabel, såsom i elektronik- og smykkeindustrien.

Fordele:

• Overfladesmeltning: Velegnet til tynde materialer og sarte komponenter, minimere risikoen for skader.
• Minimal forvrængning: Reducerer risikoen for materialevridning og forvrængning, sikre svejsninger af høj kvalitet.

Ulemper:

• Shallow Penetration: Begrænset til overfladiske svejsninger og tynde materialer.
• Lavere styrke: De resulterende svejsninger kan have lavere styrke sammenlignet med dybere penetreringssvejsninger.

Data:

• Power Range: Spænder typisk fra 100 Ind i dette 1 kW.
• Penetration Depth: Op til 0.5 mm in steel.
• Svejsehastighed: Op til 2 meter i minuttet, depending on material thickness and power.

6. Keyhole Mode Svejsning

Behandle: Svejsning i nøglehulstilstand involverer fokusering af laserstrålen for at skabe en lille, dybt hul (nøglehul) i materialet.

Nøglehullet fungerer som en kanal for laserenergien til at trænge dybt ind, resulterer i en smal, dyb svejsning.

Applikationer: Svejsning i nøglehulstilstand bruges til tykke materialer og applikationer, der kræver dyb penetration, såsom i bil- og rumfartsindustrien.

Fordele:

• Dyb penetration: I stand til at opnå dybe og smalle svejsninger, hvilket gør den ideel til tykke materialer.
• Høj styrke: Producerer stærkt, svejsninger af høj kvalitet med minimal forvrængning.

Ulemper:

• Kompleks opsætning: Kræver præcis kontrol over laserparametrene for at opretholde nøglehullet.
• Materielle begrænsninger: Dette er muligvis ikke egnet til alle materialer, især dem med høj reflektivitet.

Data:

• Power Range: Spænder typisk fra 1 kW to 10 kW.
• Penetration Depth: Can achieve depths of up to 20 mm in steel.
• Svejsehastighed: Op til 10 meter i minuttet, depending on material thickness and power.

Oversigtstabel over lasersvejsetyper

Type af lasersvejsning	Procesbeskrivelse	Applikationer	Fordele	Ulemper	Power Range	Penetration Depth	Svejsehastighed
Kontinuerlig bølge (CW)	Kontinuerlig laserstråleemission	Tykke materialer, dyb penetration	Høj penetration, konstant varmetilførsel	Større HAZ, højere energiforbrug	1 kW to 10 kW	Op til 20 mm	Op til 10 m/min
Pulserende	Kort, højenergi laserimpulser	Tynde materialer, delicate components	Præcis kontrol, minimal HAZ	Overfladisk gennemtrængning, langsommere proces	Få watt til flere kW	Op til 1 mm	Op til 2 m/min
Hybrid	Kombination af laser og lysbuesvejsning	Tykke materialer, høje deponeringsrater	Dyb penetration, høje deponeringsrater	Kompleks opsætning, højere omkostninger	1 kW to 10 kW (laser), 100 A til 500 EN (bue)	Op til 25 mm	Op til 15 m/min
Fjern	Højhastigheds scanningssystem	Højvolumen produktion, flere punkter	Høj hastighed, fleksibilitet	Begrænset penetration, krav til præcision	1 kW to 5 kW	Variabel	Op til 50 m/min
Ledningstilstand	Overfladeopvarmning og smeltning	Tynde materialer, delicate components	Overfladesmeltning, Minimal forvrængning	Overfladisk gennemtrængning, lavere styrke	100 Ind i dette 1 kW	Op til 0.5 mm	Op til 2 m/min
Nøglehulstilstand	Oprettelse af et dybt nøglehul	Tykke materialer, dyb penetration	Dyb penetration, høj styrke	Kompleks opsætning, materielle begrænsninger	1 kW to 10 kW	Op til 20 mm	Op til 10 m/min

Hvilke materialer kan sammenføjes med lasersvejsning?

Lasersvejsning er en alsidig teknik, der er i stand til at samle en lang række materialer. Dens evne til at levere præcist, højenergibjælker gør den velegnet til metaller, legeringer, og visse ikke-metaller.

Her er en oversigt over de materialer, der almindeligvis sammenføjes ved hjælp af lasersvejsning:

1. Metaller og legeringer

Lasersvejsning er særlig effektiv til metaller og legeringer, tilbyder høj præcision og styrke til forskellige applikationer.

Stål

• Rustfrit stål: Ideel til industrier som bilindustrien, rumfart, og medicinsk, lasersvejsning giver fremragende korrosionsbestandighed og rene svejsninger.
• Kulstofstål: Svejsbar med minimale varmepåvirkede zoner, dog skal man passe på at kontrollere varmen for at undgå revner.
• Værktøjsstål: Velegnet til præcisionssvejsning, især i værktøjs- og matriceindustrien.

Aluminium og aluminiumslegeringer

• Aluminiums høje varmeledningsevne kan gøre det udfordrende, men moderne lasere klarer det godt, især til legeringer som 6061, 5052, og 7075.

Titanium og titanlegeringer

• Bruges ofte i rumfarts- og medicinske industrier, titanium svejser godt på grund af dets lave termiske udvidelse og høje styrke.

Nikkel og nikkellegeringer

• Nikkelbaserede legeringer som Inconel er meget udbredt i høje temperaturer og korrosive miljøer, såsom i kraftværker og jetmotorer.

Kobber og kobberlegeringer

• Kobbers høje reflektionsevne og termiske ledningsevne kræver højeffektlasere, men det er svejsbart, især til elektriske komponenter.

Andre metaller

• Magnesiumlegeringer: Let og almindeligt brugt i bilindustrien og rumfartsapplikationer.
• Zink og zinkbelagte metaller: Almindelig i galvaniseret stål og andre korrosionsbestandige applikationer.

2. Uens materialer

Lasersvejsning kan forbinde to forskellige materialer, selvom kompatibilitet og termiske egenskaber skal håndteres omhyggeligt.

• Stål til aluminium: Muligt med specialiserede teknikker til at styre termiske ekspansionsforskelle.
• Titanium til nikkellegeringer: Anvendes i rumfart til letvægt, stærke led.
• Kobber til aluminium: Findes i elektriske komponenter som batteriforbindelser.

3. Plast

Lasersvejsning kan også forbinde visse termoplaster ved hjælp af specialiserede systemer.

• Polycarbonat (Pc): Almindelig i elektronik- og bilapplikationer.
• Acrylonitril Butadien Styren (Abs): Anvendes i forbrugsvarer og apparater.
• Nylon og polypropylen: Findes i industrielle komponenter og emballage.

4. Belagte og belagte materialer

Materialer med belægninger (F.eks., Galvaniseret stål, anodiseret aluminium) kan også svejses.

Der skal tages hensyn til, hvordan belægningen interagerer med laseren, da det kan påvirke svejsekvaliteten.

5. Ædelmetaller

Lasersvejsning er ideel til sammenføjning af små, sarte komponenter lavet af:

• Guld: Anvendes i smykker og elektronik.
• Sølv: Findes i elektriske og dekorative applikationer.
• Platin og Palladium: Almindelig i medicinske og højteknologiske industrier.

Forskelle mellem lasersvejsning og traditionel svejsning

Lasersvejsning og traditionelle svejseteknikker er forskellige i flere aspekter, herunder svejseprincipper, svejsehastighed, svejsekvalitet,

varmepåvirket zone, operationel fleksibilitet, udstyrsomkostninger, og driftsomkostninger.

Svejseprincipper

• Laser svejsning: Den bruger en laserstråle med høj energitæthed som varmekilde og realiserer forbindelsen af ​​materialer gennem en berøringsfri opvarmningsmetode.
  Laserstrålen kan fokuseres præcist på et lille område, hvilket får materialet til at smelte og fordampe øjeblikkeligt for at danne en svejsning .
• Traditionel svejsning: For eksempel, buesvejsning og argon buesvejsning bruger normalt lysbue, modstandsopvarmning, eller gasflamme til svejsning,
  som involverer fysisk kontakt eller højenergi-ionoverførsel, og svejseforbindelsen kan være relativt ru, og svejsebredden kan være relativt bred.

Svejsehastighed

• Laser svejsning: Svejsehastigheden er høj, og en stor mængde svejsearbejde kan udføres på kort tid, som er med til at forbedre produktionseffektiviteten .
• Traditionel svejsning: Svejsehastigheden er forholdsvis langsom, især i tilfælde, hvor finkontrol er påkrævet .

Svejsekvalitet

• Laser svejsning: Svejsningen er smal, uniform, og har god overfladekvalitet, og den varmepåvirkede zone er lille,
  som er velegnet til områder med høje krav til svejsekvalitet, såsom rumfart og bilproduktion.
• Traditionel svejsning: Det kan producere en relativt stor varmepåvirket zone, øger risikoen for materialedeformation og beskadigelse,
  og svejsekvaliteten kan blive påvirket af flere faktorer, såsom operatørens færdigheder, udstyrs stabilitet, og materialeegenskaber .

Operationel fleksibilitet

• Laser svejsning: Den kan opnå berøringsfri svejsning og kan nå nogle positioner, der er svære for traditionelle svejsemaskiner at nå til svejsning.
  På samme tid, den kan også udføre automatiseret svejsning, at forbedre graden af ​​automatisering af produktionen .
• Traditionel svejsning: Nogle metoder (såsom TIG-svejsning) er kontaktbaserede og kan have problemer som værktøjsslid og materialeforurening .

Udstyrsomkostninger og driftsomkostninger

• Laser svejsning: Udstyrsomkostningerne er relativt høje, og den første investering er stor.
  Imidlertid, ved masseproduktion og høje krav til svejsekvalitet, dens samlede omkostninger kan være mere fordelagtige.
• Traditionel svejsning: Udstyret er relativt modent, og omkostningerne kan være lave, men dens ydeevne og anvendelsesområde kan være begrænset.

Ulemper ved lasersvejsning

På trods af de mange fordele ved sin teknologi, det har også nogle ulemper, hovedsagelig som følger:

• Omkostningsproblem: Omkostningerne ved lasersvejsesystemer er relativt høje, inklusive lasere, optiske komponenter, og kontrolsystemer. Dette indebærer en stor startinvestering.
• Tekniske krav: Betjening af lasersvejseudstyr kræver professionel træning og teknisk viden, og relativt højt niveau er påkrævet for operatører.
• Tilpasning til materialer: Selvom det er velegnet til en række forskellige materialer, til materialer med høj reflektionsevne (såsom aluminium, kobber, og deres legeringer),
  laserabsorptionshastigheden er lav, hvilket kan påvirke svejsekvaliteten.
• Vedligeholdelse af udstyr: Lasersvejseudstyr har brug for regelmæssig vedligeholdelse og kalibrering, hvilket vil øge de langsigtede driftsomkostninger.
• Miljøfølsomhed: Processen stiller høje krav til miljøforhold. For eksempel, støv og fugt kan påvirke svejsekvaliteten.
• Begrænsninger i svejsekvalitet: I nogle tilfælde, såsom svejsning af tykke plader eller specifikke heterogene materialer,
  svejsekvalitetsudfordringer kan opstå, såsom revner, porer, og andre defekter.
• Svejsehastighed og effektivitet: Selvom lasersvejsehastigheden er høj, til specifikke applikationer, såsom masseproduktion eller svejsning af specielle materialer,
  den skal muligvis stadig optimeres for at opfylde kravene til produktionseffektivitet.
• Udstyrets volumen og vægt: Højtydende lasersvejseudstyr kan være omfangsrigt og tungt, hvilket kan begrænse dets anvendelse i nogle arbejdsmiljøer med begrænset plads.

Faktorer, der påvirker lasersvejsning

Lasersvejsning er en yderst effektiv og præcis svejseteknologi, og dens svejsekvalitet påvirkes af adskillige faktorer. De vigtigste faktorer er som følger:

Laser Power

Ved lasersvejsning, der er en energitæthedsgrænse. Hvis effekten er under denne værdi, svejsegennemtrængningsdybden vil være relativt lav.

Når strømmen når eller overstiger denne værdi, indtrængningsdybden vil øges væsentligt. Laserkraft styrer også svejsehastigheden og penetrationsdybden.

Beam Focal Spot

Størrelsen af ​​strålens brændpunkt bestemmer effekttætheden. Måling af brændpunktsstørrelsen til lasersvejsning med høj effekt er en udfordrende opgave.

I praksis, den faktiske pletstørrelse er ofte større end den teoretisk beregnede værdi.

Materiale Absorptionshastighed

Absorptionshastigheden af ​​materialer til laser afhænger af faktorer såsom resistivitet og overfladetilstand af materialerne.

Dette påvirker hvor meget laserenergi materialet kan optage og påvirker dermed svejseeffekten.

Svejsehastighed

Svejsehastigheden har en væsentlig indflydelse på svejsegennemtrængningsdybden. Forøgelse af svejsehastigheden vil føre til en mindre indtrængningsdybde.

Imidlertid, hvis hastigheden er for lav, det vil forårsage overdreven smeltning af materialet og kan endda brænde gennem arbejdsemnet.

Der er et passende udvalg af svejsehastigheder for at opnå den bedste indtrængningsdybde.

Beskyttelsesgas

Inerte gasser bruges normalt til at beskytte den smeltede pool under lasersvejsning. Forskellige beskyttelsesgasser har forskellige effekter på svejsekvaliteten.

For eksempel, helium, som ikke let ioniseres, er den mest effektive beskyttelsesgas ved lasersvejsning, men det er relativt dyrt.

Argon har en højere densitet og kan give god beskyttelse, men det kan blokere en del af laseren.

Nitrogen er en billig beskyttelsesgas, men den er ikke egnet til svejsning af nogle typer rustfrit stål.

Fokal position (Ufokuseret mængde)

Brændpunktet har en vigtig indflydelse på formen af ​​svejsningen og indtrængningsdybden.

Når ufokuseringsmængden er positiv, altså, brændpunktet er over emnets overflade, det er gavnligt for at opnå en glat svejseoverflade.

Når defokuseringsmængden er negativ, hvilket betyder, at fokuspunktet er inde i emnet, det kan øge indtrængningsdybden.

Miljøforhold

Lasersvejseprocessen stiller høje krav til miljøforhold. For eksempel, støv og fugt kan påvirke svejsekvaliteten.

Ensartethed af materialer

Ensartetheden af ​​materialer påvirker direkte den effektive udnyttelse af materialer og svejsekvalitet.

Den ujævne fordeling af legeringselementer eller tilstedeværelsen af ​​urenheder i materialet vil påvirke svejsningens konsistens.

Svejseudstyr og inventar

Kvaliteten og vedligeholdelsesstatus for svejseudstyr, samt præcisionen af ​​armaturer, alle påvirker svejsekvaliteten.

At sikre bearbejdningsnøjagtigheden og monteringsnøjagtigheden af ​​det svejsede emne er afgørende for at forbedre svejsekvaliteten.

Operatørfærdigheder

Operatørernes færdigheder og erfaring er også vigtige faktorer, der påvirker lasersvejsekvaliteten. Faglig uddannelse og teknisk viden er afgørende for at opnå svejsning af høj kvalitet.

Almindelige anvendelser af lasersvejsning

Lasersvejseteknologi er blevet brugt i vid udstrækning i fremstilling af metalmaterialer på grund af dens høje præcision, høj effektivitet, lille varmepåvirket zone, og god kvalitet.

Følgende er nogle almindelige anvendelsesområder for det i metalmaterialefremstilling:

Konklusion

Lasersvejsning er en kraftfuld og præcis teknologi, der giver adskillige fordele i forhold til traditionelle svejsemetoder.

Ved at forstå de involverede principper og komponenter, producenter kan udnytte denne teknologi til at forbedre produktkvaliteten, reducere produktionstiden, og øge den samlede effektivitet.

Hvis du har mere specifikke spørgsmål eller behov, gerne Kontakt os!