Wstęp

Spawanie laserowe to zaawansowana technologia, która wykorzystuje wysokoenergetyczną wiązkę laserową do łączenia materiałów. Dzięki swojej precyzji i możliwości kontrolowania parametrów spawania, technologia ta znalazła szerokie zastosowanie w przemyśle, szczególnie tam, gdzie wymagane są spoiny o wysokiej jakości i minimalnym wpływie cieplnym na otaczający materiał. Badania wykazały, że spawanie laserowe jest bardziej efektywne i precyzyjne w porównaniu do tradycyjnych metod spawania, co czyni je technologią pierwszego wyboru w wielu branżach.

Na czym polega proces spawania laserem?

Spawanie laserowe polega na skupieniu energii promieniowania laserowego na bardzo małej powierzchni materiału, co powoduje jego szybkie topienie i tworzenie spoiny. Proces ten jest wyjątkowy ze względu na bardzo dużą gęstość mocy dostarczaną przez laser, która pozwala na spawanie z dużą prędkością i minimalizacją strefy wpływu ciepła (HAZ – Heat Affected Zone).

Przebieg procesu spawania laserem:

1. Przygotowanie powierzchni – Powierzchnia spawanych materiałów musi być wolna od zanieczyszczeń, tłuszczu oraz rdzy. Zanieczyszczenia mogą wpływać na jakość spoiny i powodować niestabilność procesu spawania
2. Skupienie wiązki lasera – Wiązka lasera, za pomocą systemu luster i soczewek, jest skupiana na precyzyjnie określonym punkcie na powierzchni materiału. Dzięki wysokiej gęstości energii, materiał szybko topi się, tworząc jeziorko ciekłego metalu
3. Topienie materiału – W zależności od zastosowanej techniki, spawanie może być wykonywane w trybie ciągłym lub impulsowym. Spawanie laserowe impulsowe jest stosowane w sytuacjach, gdzie wymagana jest kontrola ilości dostarczanej energii. Jest to szczególnie przydatne przy pracy z cienkimi materiałami lub przy łączeniu delikatnych komponentów.
4. Formowanie spoiny – Stopiony materiał łączy się, tworząc spoinę, która szybko się zestala. W niektórych przypadkach dodaje się materiał w postaci drutu (spawanie laserowe z drutem), aby wypełnić szczeliny lub wzmocnić spoinę
5. Chłodzenie – Po zakończeniu procesu, spoiny szybko się ochładzają, co minimalizuje powstawanie naprężeń i odkształceń w spawanym materiale

Spawanie laserowe może być stosowane zarówno do cienkich, jak i grubych materiałów. Spawanie laserowe cienkich blach jest popularne w przemyśle elektronicznym, gdzie precyzja i estetyka spoiny są kluczowe. Z kolei spawanie laserowe grubych blach jest stosowane w ciężkim przemyśle, gdzie wytrzymałość i integralność strukturalna są priorytetowe.

Rodzaje źródeł lasera używanych w spawaniu

W spawaniu laserowym stosuje się różne typy laserów, które różnią się mocą, długością fali oraz sposobem generowania wiązki. Oto najczęściej stosowane źródła laserów w spawaniu:

1. Lasery CO2 – Lasery na dwutlenek węgla (CO2) to jedne z najstarszych i najczęściej używanych źródeł laserowych. Generują wiązkę o długości fali 10,6 mikrometra, co jest odpowiednie do spawania wielu rodzajów metali i niektórych tworzyw sztucznych. Lasery CO2 charakteryzują się dużą mocą, ale mają niższą efektywność energetyczną w porównaniu do nowszych technologii
2. Lasery Nd – Laser neodymowy (Nd) wykorzystuje kryształ granatu itrowo-aluminiowego domieszkowanego neodymem jako medium wzmacniające. Jego długość fali wynosi 1,064 mikrometra, co pozwala na efektywne spawanie metali, szczególnie tych o wysokiej przewodności cieplnej, takich jak miedź. Spawanie laserowe stali nierdzewnej jest jednym z popularniejszych zastosowań tego typu lasera
3. Lasery włóknowe – Lasery włóknowe to nowoczesna technologia, która wykorzystuje światłowody jako medium wzmacniające. Charakteryzują się wysoką wydajnością energetyczną, dużą mocą i stabilnością wiązki. Dzięki tym cechom, lasery włóknowe są szeroko stosowane w spawaniu laserowym zarówno cienkich, jak i grubych materiałów, w tym spawanie laserowe rur oraz profilów (Müller et al., 2017).
4. Lasery diodowe – Lasery diodowe są kompaktowe i mogą być stosowane w różnych konfiguracjach. Chociaż ich moc jest niższa niż innych typów laserów, są skuteczne w aplikacjach wymagających precyzyjnego spawania, takich jak spawanie laserowe tworzyw sztucznych

Wybór odpowiedniego źródła lasera zależy od specyfiki aplikacji, rodzaju materiału, który ma być spawany, oraz wymagań dotyczących jakości spoiny. Każde z tych źródeł ma swoje unikalne zalety i jest dostosowane do określonych zastosowań.

Najczęściej zadawane pytania (FAQ)

1.Jakie są podstawowe etapy procesu spawania laserem?

Podstawowe etapy to przygotowanie powierzchni, skupienie wiązki lasera, topienie materiału, formowanie spoiny oraz chłodzenie. W niektórych przypadkach, proces może obejmować dodawanie materiału w postaci drutu.

2. Jakie są zalety korzystania z laserów włóknowych w spawaniu?

Lasery włóknowe oferują wysoką wydajność energetyczną, stabilność wiązki oraz możliwość pracy z różnymi materiałami. Są szczególnie efektywne w spawaniu zarówno cienkich, jak i grubych materiałów.

3. Dlaczego w niektórych aplikacjach używa się spawania laserowego impulsowego?

Spawanie laserowe impulsowe pozwala na precyzyjną kontrolę ilości energii dostarczanej do materiału. Jest to kluczowe przy pracy z delikatnymi lub cienkimi materiałami.

4. Czy lasery CO2 są nadal używane w przemyśle?

Tak, lasery CO2 są wciąż powszechnie stosowane, szczególnie w aplikacjach wymagających dużej mocy, takich jak spawanie grubych blach czy łączenie materiałów o dużej powierzchni.

5. Jakie materiały mogą być spawane laserowo?

Spawanie laserowe jest stosowane do różnych materiałów, w tym stali nierdzewnej, stali węglowej, miedzi, aluminium, ocynkowanych blach oraz tworzyw sztucznych.

Podsumowanie

Spawanie laserowe to technologia o szerokim zakresie zastosowań, która zyskała popularność dzięki swojej precyzji, efektywności i możliwości minimalizacji wpływu cieplnego na materiał. W zależności od zastosowanego źródła lasera i parametrów procesu, technologia ta może być stosowana do różnych materiałów – od metali po tworzywa sztuczne, zarówno w cienkich, jak i grubych blachach. Badania i rozwój w dziedzinie spawania laserowego stale prowadzą do udoskonalania tej technologii. To, czyni ją coraz bardziej wszechstronną i dostępną w różnych gałęziach przemysłu.