Lasersvetsning är inte lika utbredd som tekniker som MIG-, TIG- och bågsvetsning. Det beror främst på att det fram till nyligen krävde stora investeringar.
Runt år 2006 gjorde dock fiberlasertekniken viktiga framsteg, vilket drastiskt sänkte kostnaderna. Och under de senaste 18 åren har ytterligare framsteg fortsatt att sänka produktionskostnaderna och ägandekostnaden för lasersvetsmaskiner.
Vi har nått en tidpunkt där lasersvetsning inte bara är lönsamt för produktionslinjer med stora volymer, utan även för alla typer av tillverkare. Vi ser till och med en ökning av handhållna enheter.
Eftersom lasersvetsning är så tillgängligt är det nu ett bra tillfälle att utforska denna beprövade process som lovar precision, snabbhet och kostnadseffektivitet.
Innehållsförteckning
Lasersvetsning är en precis process som ger upphov till mycket liten deformation jämfört med traditionella svetsmetoder. Den använder en högenergisk laserstråle för att smälta samman metaller och skapa en stark metallurgisk bindning. När energin från laserstrålen absorberas av ytan får värmen ytan att smälta, vilket bildar en smältpöl som stelnar på några millisekunder.
Tänk på lasersvetsning som ett förstoringsglas i solljuset. Om du fokuserar tillräckligt med energi på en metallyta kan du smälta den – och i vissa fall till och med förånga den.
De två huvudtyperna av lasersvetsningsprocesser – konduktionssvetsning och nyckelhålssvetsning – fungerar på olika sätt.
Konduktionssvetsning är en skonsam process där laserstrålen långsamt smälter metallen. Under denna typ av svetsning överstiger metallens temperatur dess smältpunkt och den övergår till flytande tillstånd, men övergår aldrig till gasform. Värmeöverföringen inom metallen är likartad i alla riktningar.
Konduktionssvetsning är långsammare men ger resultat av högre kvalitet med lite eller inget stänk och låg rökutveckling.
Nyckelhålssvetsning är en snabb men aggressiv process som smälter och förångar metallen, och tränger djupare in i materialet. Metallen når sin smältpunkt och i vissa områden till och med sin förångningstemperatur. Följaktligen befinner sig en del av smältbadet i gasform och kan orsaka stänk. Värmeöverföringen inom metallen sker mestadels vinkelrätt mot laserstrålen.
Nyckelhålssvetsning är idealisk för produktionslinjer med stora volymer eftersom den är snabbare, men den kan leda till porositet och en större värmepåverkad zon (HAZ).
Lasersvetsning av olika metaller är möjlig, men inte alltid okomplicerad eller direkt genomförbar. Olika metaller har olika smältpunkter, absorberar olika andel ljus och leder värme i olika hastigheter.
| På Laserax har vi tidigare lasersvetsat olika metaller när vi svetsade cylindriska och prismatiska celler till samlingsskenor för EV-batterier. I dessa fall lasersvetsade vi aluminium till förnicklat koppar och aluminium till förnicklat stål. |  |
Vid lasersvetsning av olika metaller smälter de två metallerna inte samman till en homogen blandning utan fogas samman vid gränssnittet mellan de två metallerna. Detta skapar en fog som inte är lika strukturellt stark som vid svetsning av samma metall.
För att lösa detta problem finns två strategier:
En av de bästa strategierna för att minska stänk är att använda det vi kallar justerbara ringlägen. Medan energin vanligtvis fokuseras på en mycket liten punkt vid lasersvetsning, erbjuder ringlägen avancerad kontroll över hur energin fördelas. En ring som omger laserpunkten kan användas för att förvärma delen. Detta ger bättre kontroll över smältbadet och minskar i slutändan sprutbildningen. För att kunna använda olika ringlägen krävs en fiberoptisk kabel med en yttre kärna för att projicera en ”yttre” stråle (se bild). |  |
De första experimenten med lasersvetsning går tillbaka till 1960-talet – kort efter att Ted Maiman byggde den första lasern. Men det var först 1967, efter att forskare vid Battelle Memorial Institute hade gjort en demonstration av lasersvetsning, som tillverkarna började se en verklig potential för industriella tillämpningar.
För att förstå hur denna process har kommit att inta en så viktig plats inom tillverkningsindustrin måste vi gå tillbaka till uppfinningen av själva lasern. Här är de viktigaste tekniska framstegen som har format utvecklingen och införandet av lasersvetsning som vi känner den idag.
Lasersvetsningstekniken fortsätter att utvecklas inom en rad olika aspekter, bland annat när det gäller lasereffekt, optiska komponenter, strålkvalitet, skanningshuvuden och datorstyrningssystem.
Fiberlasrar är den vanligaste typen av lasrar som används för svetsning, men även andra typer av lasrar kan användas, däribland blå lasrar, gröna lasrar, CO2-lasrar, Nd:YAG-lasrar och diodlasrar.
Låt oss titta på varje typ av laser för att förstå hur de kan användas för svetsning.
| Typ av laser | Egenskaper |
|---|---|
| Fiberlaser |
|
| CO2-laser |
|
| Nd:YAG-laser |
|
| Blå/grön laser |
|
| Diodlaser |
|
När man väljer en lasertyp är våglängden en av de viktigaste faktorerna att ta hänsyn till. Varje metalltyp absorberar och reflekterar våglängder i varierande utsträckning. Om en våglängd absorberas väl behövs mindre lasereffekt.
Diagrammet nedan ger en översikt över vanliga metalltyper och deras absorptionsspektrum för olika våglängder.
Lasersvetsning erbjuder en rad fördelar jämfört med andra metoder som MIG-, TIG- och bågsvetsning. Låt oss titta på de viktigaste av dem.
Det finns inte många nackdelar med lasersvetsning, men de är ändå viktiga att beakta och ta itu med. Låt oss titta närmare på dem.
Lasersäkerhet är en allvarlig fråga under svetsning. Laserstrålen och dess reflektioner kan orsaka ögonskador, brännskador på huden och brandrisk. Idealiskt är lasern innesluten i ett lasersäkerhetshölje av klass 1 som håller kvar laserstrålen och dess reflektioner.
För vissa tillämpningar kan detta orsaka huvudbry. Stora delar och konstruktioner, såsom fartyg, kan vara svåra att innesluta i ett hölje. Andra lösningar än höljen kan utforskas för att innesluta strålen (till exempel använder vissa lösningar klämverktyg för att blockera strålen).
Handhållna enheter kan vara farliga för operatörer som måste bära personlig skyddsutrustning och följa säkerhetsåtgärder för lasersäkerhet.
Den initiala investeringen kan också vara ganska hög. Även om kostnaden fortsätter att sjunka är lasrar fortfarande dyrare att anskaffa än alternativ. Lägg till detta att de flesta tillverkare söker automatiserade lösningar, och du står inför en betydande investering.
Denna batterilaservagn är en helt sluten lösning som övervinner utmaningarna med att svetsa batterier såsom anpassningsbarhet vid fastspänning, kvalitet och hastighet. Den använder SCARA-robotar för att utföra fastspänning med hög hastighet och precision.
Detta handhållna system är ett exempel på hur lasersvetsningsprodukter blir mer tillgängliga för ett bredare spektrum av tillverkare.
Denna maskin visar hur enkelt det är att automatisera lasersvetsning, med fjärrsvetsning, roterande fixturer och robothantering av laserhuvudet.
För stora delar som bilramar kan det vara problematiskt att innesluta svetsprocessen när det gäller utrymmesanvändning och kostnad. Denna maskin löser detta problem genom att innesluta strålen och dess reflektioner med ett välkonstruerat klämverktyg. Detta ger fullständig lasersäkerhet utan behov av en inneslutning.
Med sin precision, hastighet och höga kontrollnivå erbjuder lasersvetsning fantastiska möjligheter. För tillverkare som är nya inom denna teknik är det viktigt att diskutera er tillämpning med en expert som kan hjälpa er:
Om du har en lasersvetsningsapplikation för batterier, kontakta en Laserax-expert för att diskutera dina behov.
Patrick är chef för tillämpad fysik vid Novika Solutions, ett forskningscenter som hjälper tillverkare att utvärdera kostnaden för att integrera lasersvetsningsteknik. Patrick har utbildat många tillverkare i lasersvetsning så att de har full behärskning av tekniken.
Catherine har en kandidatexamen i teknisk fysik och en masterexamen i fysik. Hon genomförde sitt examensarbete i samarbete med Laserax för att utveckla industriella lösningar för lasertexturering av metalliska ytor. Hon är nu chef för applikationslabbet på Laserax, där hon leder teamet som testar och optimerar laserprocesser för kunder.
Automatiserad lasersvetsning är en banbrytande tillverkningsprocess som kombinerar laserteknikens precision med automatiseringens konsistens och hastighet. I grunden handlar det om att använda en laserstråle (vanligtvis styrd av ett skanningsoptiskt system, robot eller portalsystem) för att smälta samman material på ett kontrollerat, beröringsfritt sätt.
Med den snabba tillväxten av elbilar inom bilindustrin har batterisvetsning blivit en viktig utmaning för att hålla jämna steg med krävande produktionskrav. På Laserax har vi utvecklat en lasersvetscell som hanterar dessa utmaningar.
Lasersvetsning måste kontrolleras för att upptäcka dåliga svetsar och säkerställa kvaliteten. Att säkerställa god svetskvalitet blir allt svårare, eftersom lasersvetsning i allt högre grad används för mikrosvetsningsapplikationer som kräver större precision, såsom svetsning av batterikontakter inom bilindustrin.
