Tevékenység: Gyűjtse ki és tanulja meg a lézersugaras hegesztés csoportosítási megoldásait, jelöléseit! 2.3 Lézersugaras hegesztés A lézersugaras hegesztés az MSZ EN ISO 4063:2000 szerint az 52-es azonosító számú csoportba tartozik a sugárforrások alapján: a szilárdtest lézersugaras hegesztést (521) a gázlézeres hegesztést (522), csoportba sorolják. Hatásmechanizmusát és elveit tekintve két eljárása ismert: a hővezetéses hegesztés, és mélyhegesztés Tevékenység: Gyűjtse ki és tanulja meg a hővezetéses és a mélybeolvadású hegesztés jellemzőit! A hővezetéses hegesztés: Megegyezik a hagyományos eszközökkel végzett hegesztéssel, csak a hőforrásban különbözik azoktól. A varrat elérhető mélysége kicsi, és a hőhatási övezet széles. A fókuszált lézerfényt a hegesztés helyére irányítjuk, ahol az kölcsönhatásba lép a munkadarab anyagával. A lézersugár energiájának egy része elnyelődik a munkadarab felszínén, azt nagy sebességgel felmelegíti, majd megolvasztja. A további hő hatására az olvadt anyag a lézersugár belépési helyén elpárolog, illetve plazma állapotba kerül. A kis fókuszátmérő (<1 mm) következtében elérhető, hogy a hő bevitel közvetlenül a hegesztés helyére koncentrálódjon, ez által minimalizálva a hőhatásövezet nagyságát és maximalizálva a hatásfokot. Tevékenység: Tanulja meg a „kulcslyuk” jelentését! A mélybeolvadású hegesztés: Ebben az eljárásban lézer és az anyag kölcsönhatásának helyén kialakul egy ún. plazmacsatorna, más néven a „kulcslyuk" (keyhole), melyet olvadt anyag vesz körül (2.9. ábra). A plazmacsatorna kialakulása és fennmaradása a lézeres hegesztés folyamatának legfontosabb feltétele, amely a hővezetéses hegesztésnél nem alakul ki. Ez a plazmacsatorna biztosítja ugyanis, hogy a lézerfény energiája a munkadarab alsóbb részeihez is eljusson, azaz, hogy mély varratot tudjunk létrehozni. A plazmaállapotba hozott fémgőz a plazmacsatorna felett egy un. plazmafelhőt képez, amely elnyeli a lézerfény energiáját, majd azt többszöri teljes reflexió segítségével a plazmacsatorna mélyebb részeibe vezeti, és ott leadja az alapanyagnak. A plazmacsatornát az elgőzölgött fémek nyomása, és az olvadt fém felületi feszültsége hozza létre és tartja fenn. A plazmacsatorna, azaz a lézersugár továbbhaladása után a megolvadt anyag újra megdermed, ezáltal a darabok egész vastagságukban összehegednek. Létrejön a mélybeolvadású, homogén szövetű, nagyszilárdságú kötés. A plazmacsatorna kialakulásának folyamatát, és fennmaradását mutatja az alábbi, 2.9. ábra. Az ábra jobb oldalán a hővezetéses, a bal oldalán a mélybeolvadású varrat kialakulási folyamata látható. Szemmel látható a beolvadási mélységek közti jelentős különbség.
Tevékenység: Rajzolja fel a mélybeolvadású hegesztés jellemző ábráját!
2.9. ábra Hővezetéses – mélybeolvadású hegesztés A „kulcslyuk” hatás a mélybeolvadású hegesztésnél (jobboldali ábra) Tevékenység: Gyűjtse ki és tanulja meg a lézeres hegesztés előnyeit és hátrányait! 2.3.1 Lézeres hegesztés tulajdonságai A lézeres hegesztés alkalmas a legtöbb fém és fémes ötvözet – jellemzően acélok és ötvözeteik- hegesztésére. A réz, az alumínium- és a magnéziumötvözeteik a lézerfény jelentős részét az erős felületi reflexiójuk miatt visszaverik, így nehéz őket megolvasztani. Célszerű bevonatok segíthetik a sugárelnyelést. A lézeres hegesztés előnyei más hegesztési eljárásokkal szemben a következők: - Keskeny és mély varratok készíthetők, illetve a varrat geometriája jól szabályozható, a változó munkadarab geometriához igazítható. - Hegesztőanyag nélküli hegesztésre is alkalmas, vastag lemezek esetében is. - Nem szükséges kétoldali hozzáférés az egyoldalról elérhető mélyvarrat következtében - Nehezen hozzáférhető helyek hegesztésre is alkalmas, hiszen a lézersugár terjedéséhez nincs szükség másra, csak a lézersugár geometria által meghatározott helyre. - Nagy hegesztési sebesség érhető el (pl. 1 mm vastag A1 lemez: vh ~ 3... 10 m/min). - Hegesztendő alkatrészek minimálisan károsodnak a kis hőhatásövezet miatt, hőérzékeny (előszerelt) alkatrészek közelében történő hegesztésre is alkalmas a kis hőhatásövezet miatt. - A CNC vezérlés összes előnye érvényesül: reprodukálható, rugalmas, automatizálható. - Esztétikusabb a hegesztési varrat, minimális a kidomborodása, csekély a fröcskölés, így utólagos megmunkálás nélkül is alkalmazható járműkarosszériák látható részein (természetesen a fényezés előtt). - Nem igényli a lemezfelületek előkészítését, leélezését. - Nincs mechanikai érintkezés, és a hőbevitel is minimális, emiatt nem keletkeznek káros vetemedések. - Kevésbé érzékeny a hegesztési helyzetekre, vízszintes, függőleges, fej feletti hegesztéssel is jó minőségű varratot lehet létrehozni vele.
- Konstrukciós előnyök kihasználását teszi lehetővé, például: merevebb szerkezet, kisebb peremek, stb. - A lézerberendezés többcélúan felhasználható, 8hegesztés, hőkezelés, bevonás,) A lézeres hegesztés hátrányai: A felsorolt előnyök mellett a lézeres hegesztés alkalmazása esetén néhány hátránnyal is számolni kell: - A lézeres hegesztés igen szűk tűrésmezők betartását követeli meg a hegesztendő alkatrészek előgyártásától. - A lézerberendezések nagy beruházási és üzemeltetési költsége miatt átgondolt technológiai alkalmazást igényel, pl. művelet-összevonásokat, többcélú lézerfelhasználást, a kiszolgálás automatizálását. Tevékenység: Gyűjtse ki és tanulja meg a lézeres hegesztés legfontosabb technológiai jellemzőit! A lézeres hegesztés technológiai jellemzői: A lézeres hegesztéshez a szakirodalom szerint a varratmélységek (b) és a hegesztendő anyagok függvényében egy Ic kritikus intenzitás értéket szükséges elérni. Acélokra ezt Ic = 106 W/cm2 -ben szokták megadni, erre mutat példát vh = 10 mm/s hegesztési sebesség mellett a 2.10. ábra. Hasonló diagramok készültek más anyagok, és hegesztési sebesség párosításokra is. Az ábrából látható, hogy 1mm beolvadás megközelítőleg 1kW teljesítménnyel érhető el, efölötti beolvadások a teljesítmény növelésével érhetők el gazdaságosan.
2.10. ábra A kritikus lézerteljesítmény és a varratszélesség összefüggése acéloknál, 10 mm/sec hegesztési sebességnél A 2.11. ábrából látható, hogy a lézeres hegesztés termelékenységét a hegesztés sebessége alapvetően befolyásolja. A 2.11. ábra a különféle lézerteljesítményekkel különféle varratmélységek esetén elérhető sebességeket szemlélteti szokásos gyengén ötvözött acélanyagokra. A hegesztett szerkezetek varratminőségére és a hőhatásövezetek alakulására alapvető hatással van a hőelvonás, amit a geometria is befolyásol. A sarkok környékén az irányváltásoknál a mozgatórendszer sebessége változik, ennek hatására a fajlagos hőbevitel is megváltozik, ami változatlan adatokkal hibát eredményezne. A lézerteljesítmény csökkentésével, vagy az
üzemmód megváltoztatásával (pl. folyamatosról impulzusra váltás) a hegesztett út menti útegységre jutó teljesítmény közel állandóvá tehető. Erre mutat példát a 2.12. ábra.
2.11. ábra Teljesítmény-sebesség és varratszélesség összefüggése
2.12. ábra Sarokhegesztési technikák Az impulzus üzemű lézerek a hagyományos alkalmazás mellett, egyedi lehetőséget adnak a különleges feladatok megoldására. Így például, a nagy olvadáspont-különbségű anyagok - pl. W-Mo izzószál és láb a fényforrásgyártásban - rövid impulzusidővel jól hegeszthetők, mivel a hevítés sebessége olyan nagy, hogy mindkét fémet képes a lézerrel megvilágított foltban felhevíteni olvadáspontig, majd azon az időn belül, amikor a gravitáció miatt az egyik anyag képes lenne lecseppenni, már ki is kapcsolják a lézersugarat, így hegesztve a két fémet egymáshoz. Az ultra rövid impulzusidők és az így kialakítható nagy impulzusteljesítmények új megmunkálási módszerek kialakításához is vezettek. Ezek az eljárások képezik a mikro megmunkálások jelentős részét. Tevékenység: Tanulmányozza a hagyományos és a lézerhegesztéssel készített varratokat a 2.1.3 és a 2.1.4. ábrán! Tanulja meg az elkészített varratok jellemzőit!
A lézeres hegesztés hatása a szövetszerkezetre A lézeres hegesztéssel létrehozott varrat tulajdonságait, pl. a hagyományos mélyvarratos hegesztésekkel összehasonlítva, jellegzetes eltéréseket figyelhetünk meg 2.13. ábra). A lézeres hegesztésnél keskenyebb hőhatásövezet alakul ki, nem következik be jelentős szemcsedurvulás, így a készített varrat több szempontból is kedvezőbb. Ez egyértelműen látható a 2.14. ábrán. A két varrat hőhatásövezete között nagyságrendi különbség figyelhető meg.
2.13. ábra Jellegzetes varratkeresztmetszet
2.14.ábra A hagyományos és a lézeres varrat szerkezete A hagyományosan hegesztett kötéseknél a megömlesztéshez nagyobb hőbevitellel kell számolni, mint a kis hőhatásövezetű sugárhegesztéseknél, ami a hegesztett darab kisebb vetemedését eredményezi. A 2.14. ábra bal oldala a többrétegű, hagyományosan hegesztett varratot mutatja, amelyet nagy hő bevitellel és ebből adódóan nagy vetemedéssel tudunk elkészíteni. A jobb oldalon az ugyanolyan vastagságú lemez lézeres varrata látható. A két
varrat összehasonlításával azonnal látható a sugárhegesztett varrat kisebb vetemedése (2.1.5. ábra).
2.15. ábra A hegesztett kötés alakváltozása a hagyományos, és a lézerrel hegesztett varratoknál hatására A video megtekintéséhez lépjen vissza és nézze meg!
