A hegesztési minőség és a gyártási sebesség növelése érdekében sok gyártó vezette be a lézerhegesztést. Mégis, sokan kételkednek a lézerhegesztésben a hagyományos eljárásokhoz, például a MIG/MAG-hoz és az AVI-hoz képest.
Ebben a cikkben megvitatjuk, mennyire “erős” a lézerhegesztés, és elmagyarázzuk, miben van előnye a hagyományos eljárásokhoz képest..
A lézeres varrat kötés szilárdságát meghatározó tényezők
A mechanikai szilárdság kulcsfontosságú a hegesztésnél. Minél szilárdabb a kötés, annál tartósabb és biztonságosabb a végtermék. Emiatt a hegesztésnél különféle tényezőkre figyelünk, amelyek befolyásolhatják a lézeres varrat erejét.
Anyagtípus
Az alapanyag kémiai összetétele és mechanikai tulajdonságai óriási hatással vannak a lézeres varrat erősségére. Például egy fém az ötvözői miatt kedvezőtlenül reagálhat a lézer hőjére.
Vegyük például a rezet, amelynek olvadáspontja 1084° Celsius körül van. Bár ez a fém alacsony olvadáspontú, de nagy a hővezető képessége és a reflexiója, ezért a hegesztéstechnológia megválasztásakor ezt is figyelembe kell venni.
Ezzel együtt az anyagokban jelen lévő egyes elemek, például a foszfor, növelhetik a ridegséget és ronthatják a lézeres varrat minőségét. Másrészt a kén még nyomokban is okozhat melegrepedést.
Mely anyagtípusok hegeszthetők jól lézerrel? A legtöbb acél (szénacél, ötvözött és rozsdamentes acél) általában jól reagál a lézerhegesztésre, mert könnyen elnyelik a hőt és a fényenergiát, nem reflektálódik vissza a kb. 1060nm hullámhosszúságú fény.. Az alumínium is jól hegeszthető lézerrel, de itt a hegfürdő alacsony létideje miatt nagyobb porozitásra kell számítani, mint a hagyományos eljárásoknál.
Lézer teljesítmény és fókusz
A lézer teljesítménye arányos a hegesztési sebességgel, a hőbevitellel és a beolvadási mélységgel. A nagy teljesítményű lézer gyorsan behatol a vastag anyagokba és mély beolvadású kötéseket hoz létre, de a beolvadás szélessége kisebb, így pontos varratelőkészítést és pisztolyvezetést igényel. A lézer teljesítmény nagyban függ a hegesztőgép minőségétől és állapotától.
A lézer teljeítményét könnyen tudjuk növelni 4000-5000W-ig, de az energia bevitel nem a hegesztőgép oldaláról korlátos elsősorban, hanem az alapanyag határozza meg. Ötvözők kiégését és nemkívánatos folyamatokat eredményezhet a túlzott nagy energiabevitel. Ezért a lézerhegesztő gépnek könnyen állítható, stabil teljesítménnyel és speciális biztonsági beállításokkal kell rendelkeznie a kockázatok megelőzése érdekében. Ilyen nagy energiasűrűségű és gyors hegesztés esetén szintén nagyon fontos az állandó pisztolytartás és hegesztési sebesség, amit a pisztolykialakítás és a huzalelőtolás alapvetően meghatároz.
Ezenkívül a lézer fókusza is egy fontos paraméter, ami meghatározza a kötésszilárdságot. Egy adott pontra jól koncentrált sugarat a munkadarab anyag vastagságában a megfelelő mélységben kell folyamatosan tartani, ami keskeny és mély varratot képez. Az automata lézerhegesztő gépek általában jobban fókuszálhatóak a stabilabb pisztolyvezetés miatt, mint a kézzel irányítottak.
Kötési kialakítás
A lézeres varrat szilárdsága a kötés geometriájától is függ. Azok a kötések, amelyek hézagmentes, pontos illesztést biztosítanak, általában jól működnek a lézerhegesztéssel, így biztosítható a megfelelő varratminőség. A MIG/MAG és AVI eljárások jobban tolerálják a pontatlan előkészítést, így csak akkor tudjuk lézerrel a hagyományos eljárások kötés szilárdságát elérni ha pontos a varratelőkészítés.
Külső tényezők
A gépen és az alapanyagon kívül egyéb tényezők is befolyásolhatják a lézeres varrat minőségét. Például a szennyeződések, mint az olaj és a por, negatívan befolyásolhatják a folyamatot, mivel elnyelhetik vagy visszaverhetik a sugár energiáját és hőjét.
Erősebb a lézerhegesztés, mint az AVI és a MIG/MAG?
Vannak olyan alkalmazások, főleg a vékony lemezes tartományban (5mm alatt) ahol a lézerhegesztés a mélyebb és akár teljes beolvadási mélység miatt nagyobb kötésszilárdságok, nagyobb terhelhető áthegesztett keresztmetszetet hoz létre, mint a volfrámelektródás védőgázas ívhegesztés (AVI) és a fogyóelektródás védőgázas ívhegesztés (MIG/MAG), de ehhez a fent említett feltételeknek is teljesülni kell. Nagyobb előnye elsősorban a jóval kisebb hőbevitelnek és a kisebb deformációnak köszönhető, ugyanis a vékony lemezes alkalmazásoknál (gépburkolatok, esztétikai szempontból fontos termékek, stb), ezek a fontosabb elvárások.
- Hőbevitel: A lézerhegesztésnél jóval kisebb a hőbevitel, a nagyobb energiasűrűség és a gyorsabb hegesztés miatt, így kevesebb deformáció mellett is megfelelő mélységű beolvadást és varratkeresztmetszetet érhetünk el vele.
- Alkalmazhatóság: Bár a MIG/MAG és az AVI eljárások meglehetősen sokoldalúak, bizonyos anyagok esetén kompromisszumosak. A MIG/MAG vékony lemezek esetén nem alkalmas egy bizonyos varratméret és deformáció alatt esztétikus varratot létrehozni (0,5-2mm tartományban), míg az AVI általában küzd a hőbevitellel a lassúsága miatt.
- Sebesség: A lézerhegesztés körülbelül négyszer gyorsabb az AVI-nál és kétszer gyorsabb a MIG/MAG-nál. Nagy sűrűségű energiakibocsátása gyorsan felmelegíti és megolvasztja a fémeket, különösen a vékonyakat. Ezért a lézerhegesztés ideális a gyors, nagy volumenű vékonylemezes gyártási folyamatokhoz.
Milyen vastagságot képes hegeszteni a lézer?
Az anyagtípustól függően a lézerhegesztők által kezelhető vastagság általában 0,1 és 8 milliméter között van. Természetesen a lézer teljesítménye, fókusza és a pontméret is befolyásolhatja a beolvadási képességet. A korlátot általában az adja, hogy az áthegesztett varatkeresztmetszeten kívül a plusz varratméret, ami a hozaganyagból adódik, eléggé korlátozott. Pl. dupla 1,6mm-es huzallal történő lézerhegesztés esetén kb. a3mm-es sarokvarrat méretet lehet elérni maximum biztonságosan.
Íme az átlagos vastagságok, amelyekre a lézerhegesztők (kb. 2000-3000 wattos teljesítménnyel) képesek a gyakori anyagok esetében:
- Ötvözetlen acél: <6 mm
- Alumínium: <5 mm
- Sárgaréz: <5 mm
- Rozsdamentes acél: <6 mm
A lézerhegesztés előnyei és hátrányai a szilárdság-kritikus alkalmazásokban
Mint minden hegesztési eljárásnak, a lézerhegesztésnek is vannak előnyei és hátrányai. Ezeket minden hegesztőnek figyelembe kell vennie, különösen azokban a gyártási folyamatokban, amelyek robusztusabb és hatékonyabb módszereket igényelnek.
Előnyök
- Mély beolvadás: A mély és keskeny varratok előnyeit, akkor tudjuk kihasználni, ha a hegesztett szerkezet tervezésekor is figyelembe vettük a kötések szerkezeti integritása szempontjából.
- Minimális deformáció: A lézersugár rendkívül precíz, koncentrált. Ez minimális (vagy akár nulla) deformációt eredményez az anyagban, ami kisebb belső maradó feszültséget is jelent.
- Speciális anyagminőségek: A lézer koncentrált energiája a nehezen hegeszthető, vagy a hőbevitelre nagyon érzékeny anyagok esetén jobban alkalmazható az AVI-hoz képest, az olyan iparágakban, mint a repülőgépipar és az orvostechnika, itt ugyanis általában speciális anyagokat használunk.
Hátrányok
- Korlátok az anyag kompatibilitásban: Egyes anyagok, például az alacsony olvadáspontú vagy erősen fényvisszaverő fémek a lézerhegesztéssel nem hegeszthetők. Ezenkívül a szennyezett (pl. olajos, bevonatos) anyagok is alkalmatlanok lehetnek erre a technikára.
- Kezdeti beállítási költség: A lézerhegesztés kifinomult technológiát, szakképzett hegesztőt igényel. Tehát jelentős befektetést igényel a beszerzése, és a biztonságtechnikájának kialakítása. Hosszú távon azonban költséghatékony lehet a nagy hegesztési sebesség és a minimális utómunka miatt.
- Munkavédelmi intézkedések: A lézerfény veszélyei miatt, nagyon fontos, hogy minden lézerbiztonsági intézkedést betartsunk, amiről egy korábbi cikkünkben már írtunk hasznos útmutatásokat.