Lasersvetsning

Lasersvetsning är en banbrytande teknik som förändrar hur material sammanfogas i olika branscher.

Dess oöverträffade precision, effektivitet, och mångsidighet blir en stapelvara i applikationer som kräver högkvalitativa och hållbara fogar.

Denna guide kommer att utforska allt du behöver om lasersvetsning, dess typer, och hur det fungerar.

Vad är lasersvetsning?

Lasersvetsning är en högprecisionsprocess som använder en fokuserad laserstråle som en värmekälla för att smälta och smälta samman material i skarven.

Tekniken är idealisk för metaller, legeringar, och lite plast, levererar rent, starka svetsar med minimala värmepåverkade zoner (Had).

Denna teknik används flitigt inom flyg- och rymdindustrin, bil-, elektronik, och tillverkning av medicintekniska produkter, där noggrannhet och styrka är avgörande.

Lasersvetsning kan sammanfoga tunna eller tjocka material och till och med olika metaller, gör den otroligt mångsidig.

Hur fungerar lasersvetsning?

Grundläggande principer

1. Generering av laserstrålar:

• • Laserkälla: Processen börjar med en laserkälla, som genererar en högintensiv ljusstråle.
    Vanliga laserkällor inkluderar CO₂-lasrar, Nd: YAG (Neodym-dopad Yttrium Aluminium Granat) lasrar, och fiberlasrar.
  • Strålfokusering: Laserstrålen riktas och fokuseras med hjälp av speglar och linser.
    Fokusoptiken koncentrerar strålen till en mycket liten punkt, typiskt några mikrometer till millimeter i diameter, skapar en hög effekttäthet.

2. Material Uppvärmning:

• • Absorption: När den fokuserade laserstrålen träffar materialet, energin absorberas, vilket gör att materialet värms upp snabbt.
  • Smältande: Den intensiva värmen gör att materialet smälter vid kontaktpunkten.
    Djupet och bredden på det smälta området beror på laserns kraft och exponeringens varaktighet.

3. Svetsbildning:

• • Pooling: När materialet smälter, det bildar en smält pöl. Laserstrålens rörelse längs foglinjen gör att det smälta materialet flyter och blandas.
  • Stelning: När laserstrålen rör sig bort, den smälta poolen svalnar och stelnar, bildar en stark, sammanhängande svets.

Nyckelkomponenter

1. Laserkälla:

• • Co₂lasrar: Dessa är gaslasrar som använder koldioxidgas som lasermedium. De är lämpliga för svetsning av tjocka material och kan producera högeffektsbalkar.
• • Nd: YAG Laser: Dessa är solid-state lasrar som använder en kristall dopad med neodym. De är mångsidiga och kan användas för både tjocka och tunna material.
  • Fiberlasrar: Dessa är den mest avancerade typen, använda en dopad fiberoptisk kabel som förstärkningsmedium.
    De är mycket effektiva, kompakt, och kan leverera mycket höga effekttätheter.

2. Optiskt system:

• • Speglar och linser: Dessa komponenter riktar och fokuserar laserstrålen på arbetsstycket. Högkvalitativ optik säkerställer exakt kontroll över strålens position och storlek.
  • Beam Delivery System: I vissa inställningar, laserstrålen levereras via en fiberoptisk kabel till ett fjärrhuvud, möjliggör flexibel och exakt positionering.

3. Hantering av arbetsstycke:

• • Fixturing: Arbetsstyckena måste hållas säkert på plats för att säkerställa exakt inriktning och jämn svetskvalitet.
  • Rörelsekontroll: Cnc (Dator numerisk kontroll) system används ofta för att flytta arbetsstycket eller laserhuvudet längs den önskade banan.

Typer av lasersvetsning

Lasersvetsning är en mångsidig och exakt metod för att sammanfoga material, och flera typer av lasersvetstekniker passar olika applikationer och material. Varje typ har sina unika fördelar och utmaningar. Här är en omfattande översikt:

1. Kontinuerlig våg (CW) Lasersvetsning

Behandla: Vid kontinuerlig våglasersvetsning, laserstrålen sänds ut kontinuerligt under svetsprocessen. Denna konstanta värmetillförsel gör den lämplig längre, kontinuerliga svetsar.

Ansökningar: CW-lasersvetsning används ofta inom fordons- och flygindustrin för att svetsa tjockare material och uppnå djup penetration.

Fördelar:

• Hög penetration: CW-lasrar kan uppnå djupa och smala svetsar, vilket gör dem idealiska för tjocka material.
• Stadig värmeinmatning: Den kontinuerliga strålen säkerställer konsekventa svetsförhållanden, leder till enhetliga och tillförlitliga svetsar.

Nackdelar:

• Större värmepåverkad zon (Had): Den kontinuerliga värmetillförseln kan resultera i en större HAZ, potentiellt påverka materialegenskaper.
• Högre energiförbrukning: CW-lasrar förbrukar i allmänhet mer energi jämfört med pulsade lasrar.

Data:

• Power Range: Vanligtvis sträcker sig från 1 kW till 10 kw.
• Inträngningsdjup: Kan uppnå djup upp till 20 mm i stål.
• Svetshastighet: Fram till 10 meter per minut, beroende på materialtjocklek och kraft.

2. Pulserad lasersvetsning

Behandla: Pulsad lasersvetsning innebär kortfattat att sända ut laserstrålen, högenergipulser. Varje puls levererar en energiskur, möjliggör exakt kontroll över värmetillförseln och minimerar HAZ.

Ansökningar: Pulserad lasersvetsning är idealisk för tunna material, ömtåliga komponenter, och applikationer som kräver minimal värmetillförsel, såsom elektronik och medicinsk utrustning.

Fördelar:

• Exakt kontroll: Den pulserande naturen möjliggör fin kontroll över svetsstorlek och form.
• Minimal HAZ: Minskar risken för materialförvrängning och skevhet, vilket gör den lämplig för tunna och känsliga material.

Nackdelar:

• Grund penetration: Begränsad till tunnare material och grunda svetsar.
• Långsammare process: Kan vara långsammare än kontinuerlig vågsvetsning för längre svetsar.

Data:

• Pulslängd: Vanligtvis sträcker sig från mikrosekunder till millisekunder.
• Power Range: Från några watt till flera kilowatt.
• Inträngningsdjup: Fram till 1 mm i stål.
• Svetshastighet: Fram till 2 meter per minut, beroende på materialtjocklek och pulsfrekvens.

3. Hybrid lasersvetsning

Behandla: Hybridlasersvetsning kombinerar laserstrålen med en annan värmekälla, typiskt en bågsvetsprocess (som MIG eller TIG).

Laserstrålen utgör den primära värmekällan, medan ljusbågen stabiliserar svetsbadet och lägger till fyllnadsmaterial vid behov.

Ansökningar: Hybridlasersvetsning används för svetsning av tjocka material och för tillämpningar som kräver höga avsättningshastigheter, såsom inom skeppsbyggnad och tunga maskiner.

Fördelar:

• Djup penetration: Kombinerar laserns djupa penetration med bågsvetsningens flexibilitet.
• Höga avsättningshastigheter: Snabbare svetshastigheter och högre materialavsättningshastigheter, vilket gör den lämplig för storskaliga industriella tillämpningar.

Nackdelar:

• Komplex installation: Kräver mer komplex utrustning och inställning, öka den initiala investeringen.
• Högre kostnad: Dyrare på grund av behovet av flera värmekällor och specialiserad utrustning.

Data:

• Power Range: Laserkraft sträcker sig vanligtvis från 1 kW till 10 kw, med bågkraft som sträcker sig från 100 A till 500 En.
• Inträngningsdjup: Kan uppnå djup upp till 25 mm i stål.
• Svetshastighet: Fram till 15 meter per minut, beroende på materialtjocklek och kraft.

4. Fjärr lasersvetsning

Behandla: Fjärrlasersvetsning använder ett höghastighetsskanningssystem för att rikta laserstrålen över ett stort område.

Strålen avböjs med hjälp av speglar eller galvanometriska skannrar, möjliggör snabb och exakt svetsning av flera punkter eller banor.

Ansökningar: Fjärrlasersvetsning används i produktionsmiljöer med stora volymer, såsom i bilindustrin för kaross-i-vit montering och inom elektronikindustrin för lödning.

Fördelar:

• Hög hastighet: Extremt höga svetshastigheter, lämplig för massproduktion.
• Flexibilitet: Kan svetsa flera punkter eller banor snabbt och exakt, vilket gör den idealisk för komplexa geometrier.

Nackdelar:

• Begränsad penetration: Generellt mindre lämplig för djupsvetsning.
• Precisionskrav: Kräver exakt kontroll och inriktning av skanningssystemet, vilket kan vara utmanande.

Data:

• Skanningshastighet: Fram till 100 meter per sekund.
• Svetshastighet: Fram till 50 meter per minut, beroende på svetsbanans komplexitet.
• Power Range: Vanligtvis sträcker sig från 1 kW till 5 kw.

5. Conduction Mode Svetsning

Behandla: Svetsning i ledningsläge innebär uppvärmning av ytan på materialen som ska sammanfogas, får dem att smälta och smälta samman.

Värmen leds in i materialet, resulterar i en bredare, grundare svetsbassäng.

Ansökningar: Conduction mode svetsning används för tunna material och applikationer där en bred, grunt svets är acceptabelt, som inom elektronik- och smyckesindustrin.

Fördelar:

• Ytsmältning: Lämplig för tunna material och ömtåliga komponenter, minimera risken för skador.
• Minimal distorsion: Minskar risken för materialvridning och förvrängning, säkerställa högkvalitativa svetsar.

Nackdelar:

• Grund penetration: Begränsad till grunda svetsar och tunna material.
• Lägre styrka: De resulterande svetsarna kan ha lägre hållfasthet jämfört med djupare penetreringssvetsar.

Data:

• Power Range: Vanligtvis sträcker sig från 100 Däri 1 kw.
• Inträngningsdjup: Fram till 0.5 mm i stål.
• Svetshastighet: Fram till 2 meter per minut, beroende på materialtjocklek och kraft.

6. Nyckelhålssvetsning

Behandla: Nyckelhålssvetsning innebär att fokusera laserstrålen för att skapa en liten, djupt hål (nyckelhål) i materialet.

Nyckelhålet fungerar som en kanal för laserenergin att penetrera djupt, vilket resulterar i en smal, djupsvets.

Ansökningar: Nyckelhålssvetsning används för tjocka material och applikationer som kräver djup penetrering, som inom fordons- och rymdindustrin.

Fördelar:

• Djup penetration: Kan uppnå djupa och smala svetsar, vilket gör den idealisk för tjocka material.
• Högstyrka: Producerar starkt, högkvalitativa svetsar med minimal förvrängning.

Nackdelar:

• Komplex installation: Kräver exakt kontroll över laserparametrarna för att behålla nyckelhålet.
• Materiella begränsningar: Detta kanske inte är lämpligt för alla material, speciellt de med hög reflektivitet.

Data:

• Power Range: Vanligtvis sträcker sig från 1 kW till 10 kw.
• Inträngningsdjup: Kan uppnå djup upp till 20 mm i stål.
• Svetshastighet: Fram till 10 meter per minut, beroende på materialtjocklek och kraft.

Sammanfattningstabell över lasersvetstyper

Typ av lasersvetsning	Processbeskrivning	Ansökningar	Fördelar	Nackdelar	Power Range	Inträngningsdjup	Svetshastighet
Kontinuerlig våg (CW)	Kontinuerlig laserstrålning	Tjocka material, djup penetration	Hög penetration, konstant värmetillförsel	Större HAZ, högre energiförbrukning	1 kW till 10 kw	Fram till 20 mm	Fram till 10 m/min
Pulserande	Kort, högenergilaserpulser	Tunna material, ömtåliga komponenter	Exakt kontroll, minimal far	Grunt penetration, långsammare process	Få watt till flera kW	Fram till 1 mm	Fram till 2 m/min
Hybrid	Kombination av laser och bågsvetsning	Tjocka material, höga deponeringshastigheter	Djup penetration, höga deponeringshastigheter	Komplex uppställning, högre kostnad	1 kW till 10 kw (laser), 100 A till 500 En (båge)	Fram till 25 mm	Fram till 15 m/min
Avlägsen	Höghastighetsskanningssystem	Högvolymproduktion, flera punkter	Hög hastighet, flexibilitet	Begränsad penetration, precisionskrav	1 kW till 5 kw	Variabel	Fram till 50 m/min
Ledningsläge	Ytuppvärmning och smältning	Tunna material, ömtåliga komponenter	Ytsmältning, minimal distorsion	Grunt penetration, lägre styrka	100 Däri 1 kw	Fram till 0.5 mm	Fram till 2 m/min
Nyckelhålsläge	Skapande av ett djupt nyckelhål	Tjocka material, djup penetration	Djup penetration, högstyrka	Komplex uppställning, materiella begränsningar	1 kW till 10 kw	Fram till 20 mm	Fram till 10 m/min

Vilka material kan sammanfogas med lasersvetsning?

Lasersvetsning är en mångsidig teknik som kan sammanfoga ett brett spektrum av material. Dess förmåga att leverera exakt, högenergibalkar gör den lämplig för metaller, legeringar, och vissa icke-metaller.

Här är en översikt över de material som vanligtvis sammanfogas med lasersvetsning:

1. Metaller och legeringar

Lasersvetsning är särskilt effektiv för metaller och legeringar, erbjuder hög precision och styrka för olika applikationer.

Stål

• Rostfritt stål: Idealisk för industrier som bilindustrin, flyg-, och medicinska, lasersvetsning ger utmärkt korrosionsbeständighet och rena svetsar.
• Kolstål: Svetsbar med minimala värmepåverkade zoner, men försiktighet måste iakttas för att kontrollera värmen för att undvika sprickor.
• Verktygsstål: Lämplig för precisionssvetsapplikationer, speciellt inom verktygs- och formindustrin.

Aluminium och aluminiumlegeringar

• Aluminiums höga värmeledningsförmåga kan göra det utmanande, men moderna lasrar hanterar det bra, speciellt för legeringar som 6061, 5052, och 7075.

Titan och titanlegeringar

• Används ofta inom flyg- och medicinindustrin, titan svetsar bra på grund av dess låga termiska expansion och höga hållfasthet.

Nickel och Nickellegeringar

• Nickelbaserade legeringar som Inconel används ofta i högtemperatur- och korrosiva miljöer, som i kraftverk och jetmotorer.

Koppar och kopparlegeringar

• Koppars höga reflektionsförmåga och värmeledningsförmåga kräver högeffektslasrar, men den är svetsbar, speciellt för elektriska komponenter.

Andra metaller

• Magnesiumlegeringar: Lättvikt och används ofta i fordons- och rymdtillämpningar.
• Zink och zinkbelagda metaller: Vanlig i galvaniserat stål och andra korrosionsbeständiga applikationer.

2. Olika material

Lasersvetsning kan sammanfoga två olika material, även om kompatibilitet och termiska egenskaper måste hanteras noggrant.

• Stål till aluminium: Möjligt med specialiserade tekniker för att hantera termiska expansionsskillnader.
• Titan till nickellegeringar: Används i rymd för lättvikt, starka leder.
• Koppar till aluminium: Finns i elektriska komponenter som batterianslutningar.

3. Plast

Lasersvetsning kan också sammanfoga vissa termoplaster med hjälp av specialiserade system.

• Polykarbonat (Pc): Vanligt inom elektronik och biltillämpningar.
• Akrylnitril Butadien Styren (ABS): Används i konsumentvaror och apparater.
• Nylon och polypropen: Finns i industriella komponenter och förpackningar.

4. Belagda och pläterade material

Material med beläggningar (TILL EXEMPEL., galvaniserat stål, anodiserad aluminium) kan även svetsas.

Man måste ta hänsyn till hur beläggningen samverkar med lasern, eftersom det kan påverka svetskvaliteten.

5. Ädelmetaller

Lasersvetsning är idealisk för sammanfogning av små, ömtåliga komponenter gjorda av:

• Guld: Används i smycken och elektronik.
• Silver: Finns i elektriska och dekorativa applikationer.
• Platina och Palladium: Vanligt inom medicinsk och högteknologisk industri.

Skillnader mellan lasersvetsning och traditionell svetsning

Lasersvetsning och traditionella svetstekniker är olika i flera aspekter, inklusive svetsprinciper, svetshastighet, svetskvalitet,

värmevärdad zon, operativ flexibilitet, utrustningskostnad, och driftskostnad.

Svetsprinciper

• Lasersvetsning: Den använder en laserstråle med hög energitäthet som värmekälla och realiserar anslutningen av material genom en beröringsfri uppvärmningsmetod.
  Laserstrålen kan fokuseras exakt på ett litet område, vilket får materialet att smälta och förångas omedelbart för att bilda en svets .
• Traditionell svetsning: Till exempel, bågsvetsning och argonbågsvetsning använder vanligtvis ljusbåge, motståndsuppvärmning, eller gaslåga för svetsning,
  som involverar fysisk kontakt eller högenergijonöverföring, och svetsfogen kan vara relativt grov och svetsbredden kan vara relativt bred.

Svetshastighet

• Lasersvetsning: Svetshastigheten är hög, och en stor mängd svetsarbete kan slutföras på kort tid, som hjälper till att förbättra produktionseffektiviteten .
• Traditionell svetsning: Svetshastigheten är relativt låg, speciellt i de fall där finkontroll krävs .

Svetskvalitet

• Lasersvetsning: Svetsen är smal, enhetlig, och har bra ytkvalitet, och den värmepåverkade zonen är liten,
  som lämpar sig för områden med höga krav på svetskvalitet, såsom flyg- och biltillverkning.
• Traditionell svetsning: Det kan ge en relativt stor värmepåverkad zon, ökar risken för materialdeformation och skador,
  och svetskvaliteten kan påverkas av flera faktorer, såsom operatörens färdigheter, utrustningens stabilitet, och materialegenskaper .

Operativ flexibilitet

• Lasersvetsning: Den kan uppnå beröringsfri svetsning och kan nå vissa positioner som är svåra för traditionella svetsmaskiner att nå för svetsning.
  Samtidigt, den kan också utföra automatiserad svetsning, förbättra graden av automatisering av produktionen .
• Traditionell svetsning: Vissa metoder (som TIG-svetsning) är kontaktbaserade och kan ha problem som verktygsslitage och materialföroreningar .

Utrustningskostnad och driftskostnad

• Lasersvetsning: Utrustningskostnaden är relativt hög, och den initiala investeringen är stor.
  Dock, vid massproduktion och höga krav på svetskvalitet, dess totalkostnad kan vara mer fördelaktig.
• Traditionell svetsning: Utrustningen är relativt mogen, och kostnaden kan vara låg, men dess prestanda och användningsområde kan vara begränsade.

Nackdelar med lasersvetsning

Trots de många fördelarna med sin teknik, det har också några nackdelar, huvudsakligen enligt följande:

• Kostnadsproblem: Kostnaden för lasersvetssystem är relativt hög, inklusive lasrar, optiska komponenter, och kontrollsystem. Detta innebär en stor initial investering.
• Tekniska krav: Att använda lasersvetsutrustning kräver professionell utbildning och teknisk kunskap, och relativt hög kompetens krävs för operatörer.
• Anpassningsförmåga till material: Även om den är lämplig för en mängd olika material, för material med hög reflektivitet (som aluminium, koppar, och deras legeringar),
  laserabsorptionshastigheten är låg, vilket kan påverka svetskvaliteten.
• Underhåll av utrustning: Lasersvetsutrustning behöver regelbundet underhåll och kalibrering, vilket kommer att öka de långsiktiga driftskostnaderna.
• Miljökänslighet: Processen har höga krav på miljöförhållanden. Till exempel, damm och fukt kan påverka svetskvaliteten.
• Begränsningar i svetskvalitet: I vissa fall, såsom svetsning av tjocka plåtar eller specifika heterogena material,
  Svetskvalitetsutmaningar kan uppstå, som sprickor, porer, och andra defekter.
• Svetshastighet och effektivitet: Även om lasersvetshastigheten är hög, för specifika tillämpningar, såsom massproduktion eller svetsning av specialmaterial,
  den kan fortfarande behöva optimeras för att uppfylla kraven på produktionseffektivitet.
• Volym och vikt av utrustning: Högpresterande lasersvetsutrustning kan vara skrymmande och tung, vilket kan begränsa dess tillämpning i vissa arbetsmiljöer med begränsat utrymme.

Faktorer som påverkar lasersvetsning

Lasersvetsning är en mycket effektiv och exakt svetsteknik, och dess svetskvalitet påverkas av många faktorer. Huvudfaktorerna är följande:

Laserkraft

Vid lasersvetsning, det finns en tröskel för energitäthet. Om effekten är under detta värde, svetsinträngningsdjupet kommer att vara relativt grunt.

När effekten når eller överstiger detta värde, penetrationsdjupet kommer att öka avsevärt. Laserkraft styr också svetshastigheten och penetrationsdjupet.

Beam Focal Spot

Storleken på strålens brännpunkt bestämmer effekttätheten. Att mäta brännpunktsstorleken för högeffektlasersvetsning är en utmanande uppgift.

I praktiken, den faktiska fläckstorleken är ofta större än det teoretiskt beräknade värdet.

Materialabsorptionshastighet

Absorptionshastigheten för material till laser beror på faktorer som resistivitet och yttillstånd hos materialen.

Detta påverkar hur mycket laserenergi materialet kan absorbera och påverkar därmed svetseffekten.

Svetshastighet

Svetshastigheten har en betydande inverkan på svetsinträngningsdjupet. Ökning av svetshastigheten kommer att leda till ett grundare inträngningsdjup.

Dock, om hastigheten är för låg, det kommer att orsaka överdriven smältning av materialet och kan till och med bränna genom arbetsstycket.

Det finns ett lämpligt intervall av svetshastigheter för att uppnå bästa penetrationsdjup.

Skyddsgas

Inerta gaser används vanligtvis för att skydda den smälta poolen under lasersvetsning. Olika skyddsgaser har olika effekter på svetskvaliteten.

Till exempel, helium, som inte lätt joniseras, är den mest effektiva skyddsgasen vid lasersvetsning, men det är relativt dyrt.

Argon har högre densitet och kan ge bra skydd, men det kan blockera en del av lasern.

Kväve är en lågkostnadsskyddsgas, men den är inte lämplig för svetsning av vissa typer av rostfritt stål.

Fokal position (Ofokuserad mängd)

Fokalpositionen har en viktig inverkan på formen på svetsen och inträngningsdjupet.

När oskärpan är positiv, som är, brännpunkten är ovanför arbetsstyckets yta, det är fördelaktigt för att få en jämn svetsyta.

När oskärpan är negativ, vilket betyder att brännpunkten är inuti arbetsstycket, det kan öka inträngningsdjupet.

Miljöförhållanden

Lasersvetsprocessen ställer höga krav på miljöförhållanden. Till exempel, damm och fukt kan påverka svetskvaliteten.

Materialens enhetlighet

Materialens enhetlighet påverkar direkt materialanvändningen och svetskvaliteten.

Den ojämna fördelningen av legeringselement eller närvaron av föroreningar i materialet kommer att påverka svetsens konsistens.

Svetsutrustning och fixturer

Svetsutrustningens kvalitet och underhållsstatus, samt precisionen hos fixturer, alla påverkar svetskvaliteten.

Att säkerställa bearbetningsnoggrannheten och monteringsnoggrannheten för det svetsade arbetsstycket är avgörande för att förbättra svetskvaliteten.

Operatörskicklighet

Operatörernas kompetens och erfarenhet är också viktiga faktorer som påverkar kvaliteten på lasersvetsningen. Yrkesutbildning och teknisk kunskap är avgörande för att uppnå högkvalitativ svetsning.

Vanliga tillämpningar av lasersvetsning

Lasersvetsteknik har använts i stor utsträckning vid tillverkning av metallmaterial på grund av dess höga precision, hög effektivitet, liten värmepåverkad zon, och bra kvalitet.

Följande är några vanliga användningsområden för den vid tillverkning av metallmaterial:

Slutsats

Lasersvetsning är en kraftfull och exakt teknik som erbjuder många fördelar jämfört med traditionella svetsmetoder.

Genom att förstå principerna och komponenterna som ingår, tillverkare kan utnyttja denna teknik för att förbättra produktkvaliteten, minska produktionstiden, och förbättra den totala effektiviteten.

Om du har mer specifika frågor eller behov, känn dig fri att kontakta oss!