Spawanie laserowe należy do najnowocześniejszych metod spawania i znacznie różni się od powszechnych znanych metod spawania. Proces spawania laserowego charakteryzuje się bardzo dużą efektywnością oraz możliwością łączenia najrozmaitszych kształtów we wszystkich pozycjach spawania, co znacząco podnosi wydajność procesów produkcyjnych, chociaż wymaga dokładnego przygotowania powierzchni przeznaczonych do spawania. W metodzie laserowej nie powstaje tradycyjny łuk elektryczny; źródłem ciepła jest skoncentrowana wiązka światła koherentnego o bardzo dużej gęstości mocy, umożliwiającej stopienie spajanych elementów.
Aleksander Łukomski
Spawanie laserowe dotyczy głównie stopów metali, ale też tworzyw sztucznych. Prowadzone jest w osłonie gazu obojętnego lub – jeżeli materiał spawany nie utlenia się – w powietrzu. Powszechnie stosowane jest w produkcji wielkoseryjnej, np. w przemyśle motoryzacyjnym, budowy taboru szynowego, czy w przemyśle stoczniowym. Nazwa laser to skrót od angielskich słów: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Oznacza to wzmacnianie światła przez wymuszoną emisję promieniowania. Inaczej mówiąc jest to urządzenie wzmacniające lub generujące spójne promieniowanie elektromagnetyczne – fotony, w zakresie widmowym między podczerwienią a nadfioletem. „Palnik”, a raczej obiektyw, znajduje się 0-350 mm od spajanych elementów. W zdecydowanej większości przypadków nie stosuje się spoiwa wprowadzanego do jeziorka. W tym metoda ta przypomina najbardziej metodę spawania TIG.
W źródle lasera następuje wymuszenie emisji promieniowania elektromagnetycznego zachodzącego w układach atomów, jonów lub cząsteczek doprowadzonych przez wzbudzanie do stanu inwersji odpowiednich poziomów energetycznych. Występują lasery, w których ośrodkiem czynnym jest: ciało stałe, gazowe, ciecz lub półprzewodnik.
Spawanie laserowe wykorzystuje skupioną wiązkę światła, emitowaną przez laser o gęstości energii około 1 MW/cm². Powoduje to małą szerokość strefy wpływu ciepła i niskie oddziaływania temperatury na konstrukcję, szybkie odprowadzanie ciepła i stygnięcie spoiny. Możliwa do uzyskania szerokość spoin to 0,2-13 mm. W praktyce wykorzystywane są głównie spoiny o małych szerokościach. Penetracja materiału przez wiązkę laserową jest proporcjonalna do mocy zasilania, ale zależy również od lokalizacji punktu skupienia wiązki i szybkości spawania.
Maksymalną przenikalność wiązki uzyskuje się, gdy punkt jej skupienia znajduje się nieco poniżej powierzchni łączonych materiałów. Odkształcenie złączy jest znacznie mniejsze niż w przypadku tradycyjnych metod spawania. Spawanie laserowe stosuje się do spawania stali stopowych, wysokowytrzymałych stali niskostopowych HSLA, stali węglowych, metali trudnotopliwych, aktywnych chemicznie, aluminium i tytanu. Wiązka światła laserowego jest zogniskowana do małej średnicy dla otrzymania dużej gęstości mocy wymaganej w procesie spawania laserowego. Średnice te mieszczą się w granicach od 0,04-2,0 mm.
Wiązka światła, na drodze z lasera do elementów spawanych przechodzi poprzez zespół przesłon, zwierciadeł i elementów optycznych, po czym jest ogniskowana w obszarze spawania, gdzie następuje absorpcja energii wiązki laserowej przez powierzchnie spawanych elementów. W związku z tym przed spawaniem należy odpowiednio przygotować powierzchnie podlegające spawaniu.
Przy spawaniu cienkich blach <3 mm ze stali niskowęglowej, ze względu na duże prędkości spawania i krótki czas przebywania metalu spoiny w temperaturach utleniania, możliwe jest zrezygnowanie z osłony gazowej. W przypadku spawania materiałów reaktywnych konieczne jest zastosowanie osłony gazowej gazem obojętnym.
Ważnym aspektem spawania laserowego, który należy uwzględnić przy tej metodzie spawania są procesy metalurgiczne, które powodowane są miejscowym bardzo silnym i krótkotrwałym nagrzewaniem >10 000 °C/sek, a następnie bardzo szybkim schłodzeniem. Może to powodować powstawanie porów i pęknięć. W takich przypadkach należy przewidzieć takie zabiegi jak podgrzewanie wstępne czy wygrzewanie po spawaniu.
Wymogiem BHP jest zastosowanie szczelnej obudowy kompletnego stanowiska spawania, tak aby promień lasera nie wydostał się poza obudowę. Przy dużej mocy lasera i mocno skoncentrowanej wiązce skutki nawet krótkotrwałego kontaktu promienia lasera z operatorem lub osobą postronną mogłyby mieć poważne skutki dla zdrowia. Spawanie laserowe charakteryzuje się wysoką wydajnością w produkcji wielkoseryjnej, zautomatyzowanej lub zrobotyzowanej i jest szczególnie przydatne do łączenia ienkich blach, gdzie coraz pełniej są wykorzystywane zalety tej metody.
Cały artykuł dostępny jest w wydaniu płatnym 9/10 (180/181) Wrzesień/Październik 2022
