Metody spawania mikro- i małych części Spawanie laserowe to wydajna i precyzyjna metoda spawania, wykorzystująca wiązkę lasera o wysokiej gęstości energii jako źródło ciepła. Jest to jedno z ważnych zastosowań technologii laserowej obróbki materiałów. W latach 70. XX wieku była ona wykorzystywana głównie do spawania materiałów cienkościennych i spawania z niską prędkością, a proces spawania należał do spawania z przewodzeniem ciepła. Promieniowanie laserowe nagrzewa powierzchnię przedmiotu obrabianego, a ciepło na powierzchni dyfunduje do wewnątrz poprzez przewodzenie ciepła. Kontrolując parametry takie jak szerokość, energia, moc szczytowa i częstotliwość powtarzania impulsów laserowych, przedmiot obrabiany jest stapiany, tworząc określone jeziorko stopionego metalu. Ze względu na swoje unikalne zalety, metoda ta została z powodzeniem zastosowana doprecyzyjne spawanie mikro i małych części.Chińska technologia spawania laserowego należy do najnowocześniejszych na świecie. Dysponuje ona technologią i możliwościami umożliwiającymi formowanie laserem złożonych elementów ze stopów tytanu o powierzchni ponad 12 metrów kwadratowych, a jej zastosowanie znalazło zastosowanie w prototypowaniu i produkcji wielu krajowych projektów badawczych w lotnictwie. W październiku 2013 roku chiński ekspert w dziedzinie spawania otrzymał Nagrodę Brooka, najwyższe wyróżnienie akademickie w dziedzinie spawalnictwa, co potwierdziło najwyższy poziom chińskiego spawania laserowego.
## Historia rozwoju Pierwsza na świecie wiązka laserowa została wygenerowana w 1960 roku przez wzbudzanie kryształów rubinu lampą błyskową. Ograniczona pojemnością cieplną kryształu, mogła wytwarzać jedynie bardzo krótkie wiązki impulsowe o niskiej częstotliwości. Chociaż chwilowa energia szczytowa impulsu mogła osiągnąć do 10^6 watów, nadal należała do wyjść o niskiej energii. Pręt krystaliczny granatu itrowo-glinowego (Nd:YAG) domieszkowanego neodymem, z neodymem (Nd) jako elementem wzbudzającym, może generować ciągłą wiązkę laserową o pojedynczej długości fali o mocy 1-8 kW. Laser YAG o długości fali 1,06 μm może być podłączony do głowicy obróbczej lasera za pomocą elastycznego światłowodu, charakteryzującego się elastycznym układem urządzeń i przydatnością do spawania elementów o grubości 0,5-6 mm. Laser CO₂, wykorzystujący dwutlenek węgla jako wzbudzenie (o długości fali 10,6 μm), może osiągnąć energię wyjściową do 25 kW i realizować jednowarstwowe spawanie z pełną penetracją blach o grubości 2 mm. Jest szeroko stosowany w przemyśle przetwórstwa metali. W połowie lat 80. spawanie laserowe, jako nowa technologia, przyciągnęło powszechną uwagę w Europie, Stanach Zjednoczonych i Japonii. W 1985 roku ThyssenKrupp Steel AG (Niemcy) i Volkswagen AG (Niemcy) nawiązały współpracę, aby pomyślnie wdrożyć pierwszą na świecie półfabrykat spawany laserowo w nadwoziu Audi 100. W latach 90. główni producenci samochodów w Europie, Ameryce Północnej i Japonii zaczęli szeroko stosować technologię spawania laserowego w produkcji nadwozi samochodowych. Praktyczne doświadczenia zarówno z laboratoriów, jak i producentów samochodów dowiodły, że półfabrykaty spawane laserowo mogą być z powodzeniem stosowane w produkcji nadwozi samochodowych. Spawanie laserowe na zamówienie wykorzystuje energię lasera do automatycznego łączenia i spawania kilku stali, stali nierdzewnych, stopów aluminium itp., z różnymi materiałami, grubościami i powłokami, tworząc zintegrowaną płytę, profil lub panel warstwowy. Spełnia to zróżnicowane wymagania dotyczące wydajności materiałowej komponentów i pozwala uzyskać lekki sprzęt o najniższej wadze, optymalnej konstrukcji i najlepszej wydajności. W krajach rozwiniętych, takich jak Europa i Stany Zjednoczone,laserowe spawanie na wymiarTechnologia ta jest wykorzystywana nie tylko w przemyśle produkcji sprzętu transportowego, ale ma również szerokie zastosowanie w takich dziedzinach jak budownictwo, mosty, produkcja płyt AGD oraz spawanie blach stalowych na liniach walcowniczych (łączenie blach w procesie ciągłego walcowania). Do światowej sławy przedsiębiorstw zajmujących się spawaniem laserowym należą Soudonic (Szwajcaria), ArcelorMittal Group (Francja), ThyssenKrupp TWB (Niemcy), Servo-Robot (Kanada) i Precitec (Niemcy). Wdrażanie technologii spawania laserowego w Chinach dopiero się rozpoczęło. 25 października 2002 roku oficjalnie uruchomiono pierwszą w Chinach profesjonalną komercyjną linię produkcyjną do spawania laserowego. Została ona wprowadzona przez Wuhan ThyssenKrupp Zhongren Laser Tailor Welding z ThyssenKrupp TWB (Niemcy). Później do produkcji sukcesywnie wprowadzono Shanghai Baosteel Arcelor Laser Tailor Welding Co., Ltd., FAW Baoyou Laser Tailor Welding Co., Ltd. i inne przedsiębiorstwa. W 2003 roku kraje zagraniczne wprowadziły na rynek spawanie dwuwiązkowym laserem CO₂ z drutem wypełniającym iSpawanie drutem wypełniającym laserem YAGdla konstrukcji dolnych paneli ściennych ze stopu aluminium A318. Technologia ta zastąpiła tradycyjną konstrukcję nitowaną, zmniejszając masę kadłuba samolotu o 20% i oszczędzając 20% kosztów. Gong Shuili wierzył, że technologia spawania laserowego odegra znaczącą rolę w transformacji i modernizacji tradycyjnego chińskiego przemysłu lotniczego. Natychmiast złożył wnioski o dofinansowanie szeregu projektów wstępnych badań, zorganizował zespół badawczy i objął kierownictwo we wdrażaniu technologii „podwójnego spawania laserowego” do projektów badawczych w Chinach. Od samego początku planował zastosowanie tej technologii w produkcji samolotów. Chiński zespół ekspertów zgłosił wstępną technologię do instytutu projektowania samolotów i promował zalety i wykonalność podwójnego spawania laserowego. Po licznych weryfikacjach i ewaluacjach instytut projektowania zdecydował się zastosować tę technologię do produkcji żebrowanych paneli ściennych do konkretnego samolotu, osiągając pierwotny cel, jakim było zastosowanie technologii „podwójnego spawania laserowego” w produkcji samolotów. Firma dokonała przełomu w kluczowych technologiach, takich jak precyzyjna kontrola drutu spawalniczego do spawania laserowego lekkich stopów, opracowała zintegrowane i innowacyjne hybrydowe urządzenie do spawania dwuwiązkowego drutem spawalniczym, stworzyła pierwszą w Chinach platformę do spawania dwuwiązkowego drutem spawalniczym o dużej mocy, zrealizowała synchroniczne spawanie dwuwiązkowe i dwustronne złączy T w dużych, cienkościennych konstrukcjach oraz z powodzeniem zastosowała tę technologię do spawania kluczowych elementów konstrukcyjnych żebrowanych paneli ściennych dla lotnictwa, odgrywając ważną rolę w rozwoju nowych chińskich samolotów. W 2003 roku pierwszy krajowy, wielkogabarytowy, kompletny zestaw urządzeń do spawania taśm online dostarczony przez HG Laser przeszedł certyfikację offline. Urządzenia te integrują cięcie laserowe, spawanie i obróbkę cieplną, co czyni HG Laser jednym z czterech przedsiębiorstw na świecie zdolnych do produkcji tego typu urządzeń. W 2004 roku projekt „Technologia i urządzenia do cięcia, spawania i łączenia laserowego o dużej mocy” firmy HG Laser Farley Laserlab zdobył drugą nagrodę National Science and Technology Progress Award, stając się jedynym przedsiębiorstwem laserowym w Chinach dysponującym potencjałem badawczo-rozwojowym w zakresie tej technologii i urządzeń. Wraz z szybkim rozwojem przemysłowego przemysłu laserowego, rynek stawiał coraz wyższe wymagania technologii obróbki laserowej. Technologia laserowa stopniowo ewoluowała od zastosowań pojedynczych do zróżnicowanych. W zakresie obróbki laserowej nie ogranicza się już ona do pojedynczego cięcia lub spawania. Rosnące zapotrzebowanie rynku na zintegrowane urządzenia do obróbki laserowej, łączące cięcie i spawanie, doprowadziło do powstania zintegrowanych urządzeń do cięcia i spawania laserowego. HG Laser Farley Laserlab opracował zintegrowaną maszynę do cięcia i spawania Walc9030 o ultradużym formacie 9×3 metrów, która jest obecnie największym na świecie zintegrowanym urządzeniem do cięcia i spawania laserowego. Walc9030 to wielkoformatowe urządzenie do cięcia i spawania, które integrujefunkcje cięcia i spawania laserowegoUrządzenie jest wyposażone w profesjonalną głowicę tnącą i spawalniczą, a obie głowice technologiczne współdzielą jedną wiązkę. Technologia sterowania numerycznego zapewnia ich brak zakłóceń. Urządzenie może wykonywać dwa procesy wymagające cięcia i spawania jednocześnie. Urządzenie może swobodnie przełączać się między trybami cięcia, a następnie spawania lub spawania, a następnie cięcia, realizując zarówno cięcie laserowe, jak i spawanie za pomocą jednego urządzenia, bez konieczności stosowania dodatkowego sprzętu. Pozwala to producentom urządzeń zaoszczędzić na kosztach sprzętu, a także poprawia wydajność i zakres obróbki. Ponadto, dzięki integracji cięcia i spawania, dokładność obróbki jest w pełni gwarantowana, a wydajność urządzenia jest wydajna i stabilna. Ponadto, urządzenie przezwyciężyło trudności związane z odkształceniem termicznym blach podczas spawania na wymiar bardzo dużych blach oraz stabilną realizację bardzo długich ścieżek optycznych. Urządzenie może spawać jednocześnie dwie płaskie blachy o długości 6 metrów i szerokości 1,5 metra, a powierzchnia spoiny jest gładka i płaska bez konieczności dodatkowej obróbki. Jednocześnie może ciąć blachy o szerokości 3 metrów, długości ponad 6 metrów i grubości poniżej 20 mm w jednym procesie formowania bez konieczności pozycjonowania wtórnego. Instytut Automatyki w Shenyang Chińskiej Akademii Nauk nawiązał międzynarodową współpracę z IHI Corporation (Japonia). Zgodnie z krajową strategią rozwoju naukowo-technologicznego „wprowadzenie, trawienie, absorpcja i reinnowacja”, maszyna ta opracowała szereg kluczowych technologii.laserowe spawanie na wymiarWe wrześniu 2006 roku firma TWI opracowała w Chinach pierwszy zestaw kompletnych linii produkcyjnych do spawania laserowego na zamówienie i z powodzeniem opracowała zrobotyzowany system spawania laserowego, umożliwiający spawanie laserowe krzywych płaskich i przestrzennych. W październiku 2013 roku chiński ekspert w dziedzinie spawalnictwa otrzymał nagrodę Brook Award, najwyższe wyróżnienie akademickie w dziedzinie spawalnictwa. Instytut Spawalnictwa (TWI, Wielka Brytania) co roku rekomenduje i nominuje kandydatów z ponad 4000 jednostek członkowskich w ponad 120 krajach, a ostatecznie przyznaje tę nagrodę jednemu ekspertowi w uznaniu jego wybitnego wkładu w naukę i technologię spawania i łączenia oraz ich zastosowania przemysłowe. Nagroda ta jest nie tylko wyrazem uznania dla Gong Shuili i jego zespołu, ale także potwierdzeniem roli AVIC w promowaniu postępu w technologii łączenia materiałów.
## Parametry strukturalne
### Sprzęt roboczy Składa się z oscylatora optycznego i ośrodka umieszczonego między lustrami na obu końcach wnęki oscylatora. Gdy ośrodek zostanie wzbudzony do stanu wysokoenergetycznego, zaczyna generować fale świetlne w fazie, które odbijają się tam i z powrotem między lustrami na obu końcach, tworząc efekt konkatenacji fotoelektrycznej. To wzmacnia fale świetlne, a po uzyskaniu wystarczającej energii następuje emisja lasera. Laser można również zdefiniować jako urządzenie, które przekształca pierwotne źródła energii, takie jak energia elektryczna, energia chemiczna, energia cieplna, energia świetlna lub energia jądrowa, w wiązki promieniowania elektromagnetycznego o określonych częstotliwościach optycznych (światło ultrafioletowe, światło widzialne lub światło podczerwone). Tę konwersję można łatwo przeprowadzić w niektórych ośrodkach stałych, ciekłych lub gazowych. Gdy te ośrodki są wzbudzone w postaci atomów lub cząsteczek, wytwarzają wiązkę światła o niemal tej samej fazie i niemal jednej długości fali — laser. Ze względu na jego właściwości w fazie i pojedynczą długość fali, kąt rozbieżności jest bardzo mały i może być przesyłany na dużą odległość, zanim zostanie silnie skoncentrowany, aby zapewnić funkcje takie jak spawanie, cięcie i obróbka cieplna. ### Klasyfikacja laserów Istnieją dwa główne rodzaje laserów używanych do spawania, mianowicie lasery CO₂ i lasery Nd:YAG. Zarówno lasery CO₂, jak i lasery Nd:YAG emitują niewidzialne dla gołego oka światło podczerwone. Wiązka generowana przez laser Nd:YAG to głównie światło bliskiej podczerwieni o długości fali 1,06 μm. Przewodniki cieplne mają stosunkowo wysoki współczynnik absorpcji światła o tej długości fali, a dla większości metali współczynnik odbicia wynosi 20%-30%. Wiązka bliskiej podczerwieni może być skupiona do średnicy 0,25 mm za pomocą standardowych soczewek optycznych. Wiązka lasera CO₂ to światło dalekiej podczerwieni o długości fali 10,6 μm. Większość metali ma współczynnik odbicia 80%-90% dla tego typu światła, więc specjalne soczewki optyczne są wymagane do skupienia wiązki do średnicy 0,75-1,0 mm. Moc laserów Nd:YAG może na ogół osiągnąć około 4000-6000 W, a maksymalna moc osiągnęła obecnie 10 000 W. Natomiast moc laserów CO₂ może łatwo osiągnąć 20 000 W lub nawet więcej. Lasery CO₂ dużej mocy rozwiązują problem wysokiego współczynnika odbicia dzięki efektowi dziurki od klucza. Kiedy powierzchnia materiału napromieniowana przez plamkę światła topi się, powstaje dziurka od klucza. Ta dziurka wypełniona parą jest jak ciało czarne, które pochłania prawie całą energię padającego światła. Temperatura równowagi wewnątrz dziurki od klucza osiąga około 25 000°C, a współczynnik odbicia gwałtownie spada w ciągu kilku mikrosekund. Chociaż rozwój laserów CO₂ nadal koncentruje się na rozwoju sprzętu i badaniach, nie chodzi już o zwiększenie maksymalnej mocy wyjściowej, lecz o poprawę jakości wiązki i jej zdolności ogniskowania. Ponadto, użycie argonu jako gazu osłonowego do spawania laserowego CO₂ o mocy powyżej 10 kW często indukuje silną plazmę, co zmniejsza głębokość penetracji. Dlatego hel, który nie generuje plazmy, jest często używany jako gaz osłonowy do spawania laserowego CO₂ dużej mocy. Zastosowanie kombinacji laserów diodowych do wzbudzania kryształów Nd:YAG dużej mocy jest ważnym tematem badań i rozwoju, który znacznie poprawi jakość wiązek laserowych i umożliwi bardziej wydajne przetwarzanie laserowe. Zastosowanie bezpośrednich matryc diodowych do wzbudzania i generowania wiązki laserowej w zakresie bliskiej podczerwieni pozwoliło na osiągnięcie średniej mocy 1 kW i sprawności konwersji fotoelektrycznej sięgającej prawie 50%. Diody charakteryzują się również dłuższą żywotnością (10 000 godzin), co pomaga obniżyć koszty konserwacji urządzeń laserowych. Rozwój urządzeń wykorzystujących lasery półprzewodnikowe pompowane diodami (DPSSL) również postępuje.
Czas publikacji: 27-08-2025
