Svetsmetoder för mikro- och smådelar Lasersvetsning är en effektiv och precisionssvetsmetod som använder en laserstråle med hög energitäthet som värmekälla. Det är en av de viktigaste tillämpningarna av lasermaterialbearbetningsteknik. På 1970-talet användes den huvudsakligen för svetsning av tunnväggiga material och låghastighetssvetsning, och svetsprocessen tillhörde värmeledningstypen. Specifikt värmer laserstrålningen arbetsstyckets yta, och värmen på ytan diffunderar inåt genom värmeledning. Genom att kontrollera parametrar som bredd, energi, toppeffekt och repetitionsfrekvens för laserpulser smälts arbetsstycket för att bilda en specifik smältpool. Tack vare dess unika fördelar har den framgångsrikt tillämpats inom...precisionssvetsning av mikro- och smådelar.Kinas lasersvetsteknik rankas bland världens avancerade nivåer. Den har tekniken och förmågan att forma komplexa titanlegeringskomponenter över 12 kvadratmeter med hjälp av laser, och har använts i prototyp- och produkttillverkning av flera inhemska forskningsprojekt inom flygindustrin. I oktober 2013 vann en kinesisk svetsexpert Brook Award, den högsta akademiska utmärkelsen inom svetsning, vilket bekräftade Kinas lasersvetsningsnivå i världsklass.
## Utvecklingshistorik Världens första laserstråle genererades 1960 genom att excitera rubinkristaller med en blixtlampa. Begränsad av kristallens värmekapacitet kunde den bara producera mycket korta pulserade strålar med låg frekvens. Även om den momentana pulsens toppenergi kunde nå upp till 10^6 watt, tillhörde den fortfarande lågenergiproduktionen. En neodymdopad yttriumaluminiumgranat (Nd:YAG) kristallstav, med neodym (Nd) som excitationselement, kan generera en kontinuerlig laserstråle med en våglängd och en effekt på 1-8 kW. YAG-lasern, med en våglängd på 1,06 μm, kan anslutas till laserbearbetningshuvudet via en flexibel optisk fiber, med flexibel utrustningslayout och lämplighet för svetsning av arbetsstycken med en tjocklek på 0,5-6 mm. CO₂-lasern, som använder koldioxid som excitant (med en våglängd på 10,6 μm), kan uppnå en uteffekt på upp till 25 kW och möjliggöra fullpenetrationssvetsning i ett svetspass av 2 mm tjocka plåtar. Den har använts flitigt inom metallbearbetning inom industrisektorn. I mitten av 1980-talet väckte lasersvetsning, som en ny teknik, stor uppmärksamhet i Europa, USA och Japan. År 1985 samarbetade ThyssenKrupp Steel AG (Tyskland) och Volkswagen AG (Tyskland) för att framgångsrikt införa världens första lasersvetsade ämne på Audi 100-karossen. På 1990-talet började stora biltillverkare i Europa, Nordamerika och Japan använda lasersvetsad ämnesteknik i stor utsträckning vid tillverkning av bilkarosser. Praktisk erfarenhet från både laboratorier och biltillverkare har visat att lasersvetsade ämnen framgångsrikt kan tillämpas vid produktion av bilkarosser. Lasersvetsning använder laserenergi för att automatiskt skarva och svetsa flera stål, rostfritt stål, aluminiumlegeringar etc. med olika material, tjocklekar och beläggningar till en integrerad platta, profil eller sandwichpanel. Detta uppfyller komponenternas olika materialprestandakrav och ger utrustningen låg vikt med optimal struktur och bästa prestanda. I utvecklade länder som Europa och USA,laserskräddarsvetsninganvänds inte bara inom tillverkningsindustrin för transportutrustning utan tillämpas även i stor utsträckning inom områden som bygg, broar, tillverkning av plåtsvetsning av hushållsapparater och svetsning av stålplåt i valslinjer (plåtanslutning vid kontinuerlig valsning). Världskända lasersvetsningsföretag inkluderar Soudonic (Schweiz), ArcelorMittal Group (Frankrike), ThyssenKrupp TWB (Tyskland), Servo-Robot (Kanada) och Precitec (Tyskland). Tillämpningen av lasersvetsad ämnesteknik i Kina har just börjat. Den 25 oktober 2002 togs Kinas första professionella kommersiella produktionslinje för lasersvetsade ämnen officiellt i drift. Den introducerades av Wuhan ThyssenKrupp Zhongren Laser Tailor Welding från ThyssenKrupp TWB (Tyskland). Senare togs Shanghai Baosteel Arcelor Laser Tailor Welding Co., Ltd., FAW Baoyou Laser Tailor Welding Co., Ltd. och andra företag successivt i produktion. År 2003 insåg utländska länder dubbelstråle-CO₂-lasersvetsning av tillsatstråd ochYAG-lasersvetsning av tillsatstrådför den nedre väggpanelstrukturen i aluminiumlegering på A318. Denna teknik ersatte den traditionella nitade strukturen, vilket minskade flygplanskroppens vikt med 20 % och sparade 20 % av kostnaden. Gong Shuili trodde att lasersvetstekniken skulle spela en betydande roll i omvandlingen och uppgraderingen av Kinas traditionella flygindustri. Han ansökte omedelbart om ett antal relaterade förforskningsprojekt, organiserade ett forskarteam och tog ledningen i att introducera "dubbelstrålelasersvetsningstekniken" i forskningsprojekt i Kina. Från början planerade han att tillämpa denna teknik på flygplanstillverkning. Det kinesiska expertteamet rapporterade den preliminära tekniken till ett flygplansdesigninstitut och främjade fördelarna och genomförbarheten av dubbelstrålelasersvetsning. Efter flera verifieringar och utvärderingar beslutade designinstitutet att tillämpa denna teknik på tillverkning av ribbade väggpaneler för ett visst flygplan, vilket uppnådde det ursprungliga målet att tillämpa "dubbelstrålelasersvetsningsteknik" på flygplanstillverkning. Det bröt igenom nyckelteknologier som precisionskontroll av lasersvetsning av tillsatstråd för lättviktslegeringar, utvecklade en integrerad och innovativ hybridsvetsanordning med dubbelstrålelaser för tillsatstråd, etablerade Kinas första högpresterande plattform för svetsning av tillsatstråd med dubbelstrålelaser, realiserade dubbelstråle- och dubbelsidig synkronsvetsning av T-fogar i stora tunnväggiga strukturer och tillämpade framgångsrikt detta för svetstillverkning av viktiga strukturella delar av ribbade väggpaneler för flygplan för första gången, vilket spelade en viktig roll i utvecklingen av Kinas nya flygplan. År 2003 godkändes den första inhemska storskaliga online-bandsvetsningsutrustningen som tillhandahölls av HG Laser offline. Denna utrustning integrerar laserskärning, svetsning och värmebehandling, vilket gör HG Laser till ett av världens fjärde största företag som kan producera sådan utrustning. År 2004 vann projektet "High-Power Laser Cutting, Welding and Combined Cutting-Welding Processing Technology and Equipment" av HG Laser Farley Laserlab andra priset i National Science and Technology Progress Award, vilket gör det till det enda laserföretaget i Kina med FoU-kapaciteten för denna teknik och utrustning. Med den snabba utvecklingen av den industriella laserindustrin har marknaden ställt högre krav på laserbearbetningsteknik. Lasertekniken har gradvis gått från en enda tillämpning till diversifierade tillämpningar. När det gäller laserbearbetning är den inte längre begränsad till en enda skärning eller svetsning. Marknadsefterfrågan på integrerad laserbearbetningsutrustning som kombinerar skärning och svetsning ökar, och därmed har integrerad laserskärnings- och svetsutrustning uppstått. HG Laser Farley Laserlab utvecklade den integrerade skär- och svetsmaskinen Walc9030, med ett ultrastort format på 9×3 meter, vilket för närvarande är världens största integrerade laserskärnings- och svetsutrustning. Walc9030 är en storformats skär- och svetsutrustning som integrerarlaserskärnings- och lasersvetsningsfunktionerDen är utrustad med ett professionellt skärhuvud och ett svetshuvud, och de två bearbetningshuvudena delar en stråle. Numerisk styrteknik säkerställer att de inte stör varandra. Utrustningen kan slutföra två processer som kräver skärning och svetsning samtidigt. Den kan växla fritt mellan skärning först och svetsning, eller svetsning först och skärning, vilket möjliggör både laserskärnings- och svetsfunktioner med en utrustning utan behov av ytterligare utrustning. Detta sparar utrustningskostnader för applikationstillverkare, förbättrar bearbetningseffektiviteten och bearbetningsomfånget. Tack vare integrationen av skärning och svetsning garanteras dessutom bearbetningsnoggrannheten helt, och utrustningens prestanda är effektiv och stabil. Dessutom har den övervunnit svårigheterna med termisk deformation av plattor under skräddarsvetsning av ultrastora plattor och stabilt uppnått ultralånga flygande optiska vägar. Den kan svetsa två plana plattor med en längd på 6 meter och en bredd på 1,5 meter samtidigt, och den svetsade ytan är slät och plan utan ytterligare efterbehandling. Samtidigt kan den skära plattor med en bredd på 3 meter, en längd på mer än 6 meter och en tjocklek på mindre än 20 mm i en formningsprocess utan sekundär positionering. Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, har genomfört ett internationellt samarbete med IHI Corporation (Japan). Genom att följa den nationella strategin för vetenskaplig och teknisk utveckling med fokus på "introduktion, nedbrytning, absorption och återinnovation" övervann man flera viktiga teknologier.laserskräddarsvetsning, utvecklade Kinas första kompletta produktionslinjer för lasersvetsning i september 2006 och utvecklade framgångsrikt ett robotiserat lasersvetssystem som möjliggör lasersvetsning av plana och rumsliga kurvor. I oktober 2013 vann en kinesisk svetsexpert Brook Award, den högsta akademiska utmärkelsen inom svetsområdet. Welding Institute (TWI, Storbritannien) rekommenderar och nominerar kandidater varje år från mer än 4 000 medlemsenheter i över 120 länder och tilldelar slutligen detta pris till en expert som ett erkännande för deras enastående bidrag till vetenskapen och tekniken för svetsning eller sammanfogning och dess industriella tillämpning. Denna utmärkelse är inte bara ett erkännande av Gong Shuili och hans team utan också en bekräftelse på AVIC:s roll i att främja utvecklingen av materialsammanfogningsteknik.
## Strukturella parametrar
### Arbetsutrustning Den består av en optisk oscillator och ett medium placerat mellan speglarna i båda ändar av oscillatorhåligheten. När mediet exciteras till ett högenergitillstånd börjar det generera ljusvågor i fas, vilka reflekteras fram och tillbaka mellan speglarna i båda ändar och bildar en fotoelektrisk sammankopplingseffekt. Detta förstärker ljusvågorna, och när tillräckligt med energi erhålls avges lasern. Laser kan också definieras som en anordning som omvandlar primära energikällor såsom elektrisk energi, kemisk energi, termisk energi, ljusenergi eller kärnenergi till elektromagnetiska strålningsstrålar med specifika optiska frekvenser (ultraviolett ljus, synligt ljus eller infrarött ljus). Denna omvandling kan enkelt utföras i vissa fasta, flytande eller gasformiga medier. När dessa medier exciteras i form av atomer eller molekyler producerar de en ljusstråle med nästan samma fas och nästan en enda våglängd – laser. På grund av dess egenskap att vara i fas och ha en enda våglängd är divergensvinkeln mycket liten, och den kan överföras över långa avstånd innan den koncentreras kraftigt för att utföra funktioner som svetsning, skärning och värmebehandling. ### Klassificering av lasrar Det finns huvudsakligen två typer av lasrar som används för svetsning, nämligen CO₂-lasrar och Nd:YAG-lasrar. Både CO₂-lasrar och Nd:YAG-lasrar är osynligt infrarött ljus för blotta ögat. Strålen som genereras av Nd:YAG-lasern är huvudsakligen nära-infrarött ljus med en våglängd på 1,06 μm. Värmeledare har en relativt hög absorptionshastighet för ljus med denna våglängd, och för de flesta metaller är reflektiviteten 20–30 %. Den nära-infraröda strålen kan fokuseras till en diameter på 0,25 mm med hjälp av vanliga optiska linser. CO₂-laserns stråle är långt infrarött ljus med en våglängd på 10,6 μm. De flesta metaller har en reflektivitet på 80–90 % för denna typ av ljus, så speciella optiska linser krävs för att fokusera strålen till en diameter på 0,75–1,0 mm. Effekten hos Nd:YAG-lasrar kan generellt nå cirka 4 000–6 000 W, och den maximala effekten har nu nått 10 000 W. Däremot kan effekten hos CO₂-lasrar lätt nå 20 000 W eller ännu högre. Högpresterande CO₂-lasrar löser problemet med hög reflektivitet genom nyckelhålseffekten. När materialytan som bestrålas av ljusfläcken smälter bildas ett nyckelhål. Detta nyckelhål fyllt med ånga är som en svart kropp som absorberar nästan all energi från det infallande ljuset. Jämviktstemperaturen inuti nyckelhålet når cirka 25 000 °C, och reflektiviteten minskar snabbt inom några mikrosekunder. Även om utvecklingsfokus för CO₂-lasrar fortfarande är inriktat på utrustningsutveckling och forskning, handlar det inte längre om att öka den maximala uteffekten, utan om hur man kan förbättra strålkvaliteten och dess fokuseringsprestanda. Dessutom, när argon används som skyddsgas för CO₂-lasersvetsning med en effekt över 10 kW, inducerar det ofta stark plasma, vilket minskar penetrationsdjupet. Därför används helium, som inte genererar plasma, ofta som skyddsgas för högeffekts-CO₂-lasersvetsning. Tillämpningen av diodlaserkombinationer för att excitera högeffekts-Nd:YAG-kristaller är ett viktigt forsknings- och utvecklingsämne, vilket avsevärt kommer att förbättra kvaliteten på laserstrålarna och skapa en mer effektiv laserbearbetning. Användningen av direkta diodmatriser för att excitera och mata ut lasrar i det nära-infraröda området har uppnått en genomsnittlig effekt på 1 kW och en fotoelektrisk omvandlingseffektivitet på nästan 50 %. Dioder har också en längre livslängd (10 000 timmar), vilket bidrar till att minska underhållskostnaderna för laserutrustning. Utvecklingen av diodpumpad fastfaslaserutrustning (DPSSL) går också framåt.
Publiceringstid: 27 augusti 2025
