Povijest razvoja laserskog zavarivanja

Metode zavarivanja mikro i malih dijelova Lasersko zavarivanje je učinkovita i precizna metoda zavarivanja koja koristi lasersku zraku visoke gustoće energije kao izvor topline. To je jedna od važnih primjena tehnologije laserske obrade materijala. U 1970-ima uglavnom se koristilo za zavarivanje tankostijenih materijala i zavarivanje malom brzinom, a proces zavarivanja pripadao je tipu toplinske vodljivosti. Točnije, lasersko zračenje zagrijava površinu obratka, a toplina na površini difundira prema unutra putem toplinske vodljivosti. Kontroliranjem parametara kao što su širina, energija, vršna snaga i frekvencija ponavljanja laserskih impulsa, obratak se tali i formira specifičan rastaljeni bazen. Zbog svojih jedinstvenih prednosti, uspješno je primijenjeno uprecizno zavarivanje mikro i malih dijelova.Kineska tehnologija laserskog zavarivanja ubraja se među najnaprednije u svijetu. Posjeduje tehnologiju i sposobnost oblikovanja složenih komponenti od legure titana površine veće od 12 četvornih metara pomoću lasera, a primijenjena je u proizvodnji prototipova i proizvoda u više domaćih istraživačkih projekata u zrakoplovstvu. U listopadu 2013. kineski stručnjak za zavarivanje osvojio je nagradu Brook, najviše akademsko priznanje u području zavarivanja, čime je potvrđena kineska svjetska razina laserskog zavarivanja.

## Povijest razvoja Prva laserska zraka na svijetu generirana je 1960. godine pobuđivanjem rubin kristala bljeskalicom. Ograničena toplinskim kapacitetom kristala, mogla je proizvesti samo vrlo kratke pulsirajuće zrake niske frekvencije. Iako je trenutna vršna energija pulsa mogla doseći i do 10^6 vata, i dalje je pripadala niskoenergetskoj izlaznoj snazi. Kristalna šipka od itrijevog aluminijevog granata (Nd:YAG) dopiranog neodimijom, s neodimijom (Nd) kao pobudnim elementom, može generirati kontinuiranu lasersku zraku jedne valne duljine snage 1-8 kW. YAG laser, s valnom duljinom od 1,06 μm, može se spojiti na lasersku glavu za obradu putem fleksibilnog optičkog vlakna, što odlikuje se fleksibilnim rasporedom opreme i prikladnošću za zavarivanje obradaka debljine 0,5-6 mm. CO₂ laser, koji koristi ugljikov dioksid kao pobudno sredstvo (s valnom duljinom od 10,6 μm), može postići izlaznu energiju do 25 kW i ostvariti jednoprolazno zavarivanje ploča debljine 2 mm s potpunim prodiranjem. Široko se koristi u obradi metala u industrijskom sektoru. Sredinom 1980-ih, lasersko zavarivanje, kao nova tehnologija, privuklo je široku pozornost u Europi, Sjedinjenim Državama i Japanu. Godine 1985. ThyssenKrupp Steel AG (Njemačka) i Volkswagen AG (Njemačka) surađivali su kako bi uspješno usvojili prvi laserski zavareni blankovi na svijetu na karoseriji Audija 100. U 1990-ima, veliki proizvođači automobila u Europi, Sjevernoj Americi i Japanu počeli su široko koristiti tehnologiju laserski zavarenih blankova u proizvodnji karoserija automobila. Praktično iskustvo iz laboratorija i proizvođača automobila dokazalo je da se laserski zavareni blankovi mogu uspješno primijeniti u proizvodnji karoserija automobila. Lasersko zavarivanje po mjeri koristi lasersku energiju za automatsko spajanje i zavarivanje nekoliko vrsta čelika, nehrđajućeg čelika, aluminijskih legura itd., s različitim materijalima, debljinama i premazima u integriranu ploču, profil ili sendvič panel. To zadovoljava različite zahtjeve performansi materijala komponenti i postiže laganu opremu s najmanjom težinom, optimalnom strukturom i najboljim performansama. U razvijenim zemljama poput Europe i Sjedinjenih Država,lasersko zavarivanje po mjeriNe koristi se samo u industriji proizvodnje transportne opreme, već se široko primjenjuje i u područjima kao što su građevinarstvo, mostovi, proizvodnja ploča za zavarivanje kućanskih aparata i zavarivanje čeličnih ploča na valjaonicama (spajanje ploča u kontinuiranom valjanju). Svjetski poznata poduzeća za lasersko zavarivanje uključuju Soudonic (Švicarska), ArcelorMittal Group (Francuska), ThyssenKrupp TWB (Njemačka), Servo-Robot (Kanada) i Precitec (Njemačka). Primjena tehnologije laserskog zavarivanja blankova u Kini tek je započela. 25. listopada 2002. službeno je puštena u rad prva profesionalna komercijalna proizvodna linija u Kini za lasersko zavarene blankove. Predstavila ju je tvrtka Wuhan ThyssenKrupp Zhongren Laser Tailor Welding iz tvrtke ThyssenKrupp TWB (Njemačka). Kasnije su u proizvodnju pušteni i Shanghai Baosteel Arcelor Laser Tailor Welding Co., Ltd., FAW Baoyou Laser Tailor Welding Co., Ltd. i druga poduzeća. Godine 2003. strane zemlje realizirale su dvostruko snopno CO₂ lasersko zavarivanje žicom za punjenje iYAG lasersko zavarivanje žicom za punjenjeza konstrukciju donjeg zidnog panela od aluminijske legure A318. Ova tehnologija zamijenila je tradicionalnu zakovicu, smanjujući težinu trupa zrakoplova za 20% i uštedjevši 20% troškova. Gong Shuili vjerovao je da će tehnologija laserskog zavarivanja igrati značajnu ulogu u transformaciji i unapređenju tradicionalne kineske zrakoplovne proizvodne industrije. Odmah se prijavio za niz srodnih predistraživačkih projekata, organizirao istraživački tim i preuzeo vodstvo u uvođenju tehnologije „dvostrukog laserskog zavarivanja“ u istraživačke projekte u Kini. Od samog početka planirao je primijeniti ovu tehnologiju u proizvodnji zrakoplova. Kineski stručni tim izvijestio je institut za dizajn zrakoplova o preliminarnoj tehnologiji i promovirao prednosti i izvedivost dvostrukog laserskog zavarivanja. Nakon višestrukih provjera i evaluacija, institut za dizajn odlučio je primijeniti ovu tehnologiju na proizvodnju rebrastih zidnih panela za određeni zrakoplov, postižući početni cilj primjene tehnologije „dvostrukog laserskog zavarivanja“ u proizvodnji zrakoplova. Probio je ključne tehnologije poput precizne kontrole žice za lasersko zavarivanje lakih legura, razvio integrirani i inovativni hibridni uređaj za zavarivanje žicom za lasersko zavarivanje s dvostrukim snopom, uspostavio prvu kinesku platformu za zavarivanje žicom za lasersko zavarivanje velike snage s dvostrukim snopom, ostvario sinkrono zavarivanje T-spojeva s dvostrukim snopom i obje strane u velikim tankostijenim konstrukcijama te ga uspješno primijenio na proizvodnju zavarivanja ključnih strukturnih dijelova rebrastih zidnih panela za zrakoplovstvo po prvi put, igrajući važnu ulogu u razvoju novih kineskih zrakoplova. Godine 2003. prvi domaći komplet opreme za online zavarivanje traka velikih razmjera koji je osigurao HG Laser prošao je offline prihvaćanje. Ova oprema integrira lasersko rezanje, zavarivanje i toplinsku obradu, što HG Laser čini jednim od četvrtih svjetskih poduzeća sposobnih za proizvodnju takve opreme. Godine 2004. projekt „Tehnologija i oprema za lasersko rezanje, zavarivanje i kombinirano rezanje-zavarivanje velike snage“ tvrtke HG Laser Farley Laserlab osvojio je drugu nagradu Nacionalne nagrade za znanstveni i tehnološki napredak, čineći ga jedinim laserskim poduzećem u Kini s istraživačko-razvojnim kapacitetom ove tehnologije i opreme. S brzim razvojem industrijske laserske industrije, tržište je postavilo veće zahtjeve za tehnologiju laserske obrade. Laserska tehnologija postupno se prebacila s pojedinačnih na raznolike primjene. Što se tiče laserske obrade, više nije ograničena na pojedinačno rezanje ili zavarivanje. Potražnja na tržištu za integriranom opremom za lasersku obradu koja kombinira rezanje i zavarivanje raste, pa se pojavila integrirana oprema za lasersko rezanje i zavarivanje. HG Laser Farley Laserlab razvio je integrirani stroj za rezanje i zavarivanje Walc9030, ultra velikog formata 9×3 metra, koji je trenutno najveći integrirani stroj za lasersko rezanje i zavarivanje na svijetu. Walc9030 je oprema za rezanje i zavarivanje velikog formata koja integrira...funkcije laserskog rezanja i laserskog zavarivanjaOpremljen je profesionalnom glavom za rezanje i glavom za zavarivanje, a dvije glave za obradu dijele jednu zraku. Numerička tehnologija upravljanja osigurava da se ne miješaju. Oprema može istovremeno dovršiti dva procesa koji zahtijevaju rezanje i zavarivanje. Može se slobodno prebacivati ​​između rezanja prvo pa zavarivanja ili zavarivanja prvo pa rezanja, ostvarujući funkcije laserskog rezanja i zavarivanja s jednom opremom bez potrebe za dodatnom opremom. To štedi troškove opreme za proizvođače aplikacija, poboljšava učinkovitost obrade i raspon obrade. Štoviše, zahvaljujući integraciji rezanja i zavarivanja, točnost obrade je u potpunosti zajamčena, a performanse opreme su učinkovite i stabilne. Osim toga, prevladao je poteškoće toplinske deformacije ploča tijekom zavarivanja ultra velikih ploča i stabilno ostvario ultra duge optičke putanje. Može zavariti dvije ravne ploče duljine 6 metara i širine 1,5 metara odjednom, a zavarena površina je glatka i ravna bez dodatne naknadne obrade. Istovremeno, može rezati ploče širine 3 metra, duljine veće od 6 metara i debljine manje od 20 mm u jednom procesu oblikovanja bez sekundarnog pozicioniranja. Shenyang Institut za automatizaciju Kineske akademije znanosti ostvario je međunarodnu suradnju s IHI Corporation (Japan). Slijedeći nacionalnu strategiju znanstvenog i tehnološkog razvoja „uvođenja, analize, apsorpcije i ponovne inovacije“, prevladao je nekoliko ključnih tehnologijalasersko zavarivanje po mjeri, u rujnu 2006. godine razvio je prvi kineski set kompletnih proizvodnih linija za lasersko zavarivanje po mjeri te uspješno razvio robotski sustav laserskog zavarivanja, ostvarujući lasersko zavarivanje ravnih i prostornih krivulja. U listopadu 2013. godine kineski stručnjak za zavarivanje osvojio je nagradu Brook, najviše akademsko priznanje u području zavarivanja. Institut za zavarivanje (TWI, UK) svake godine preporučuje i nominira kandidate iz više od 4000 članica u preko 120 zemalja te na kraju dodjeljuje ovu nagradu jednom stručnjaku kao priznanje za njihov izvanredan doprinos znanosti i tehnologiji zavarivanja ili spajanja i njegovoj industrijskoj primjeni. Ova nagrada nije samo priznanje Gong Shuiliju i njegovom timu, već i potvrda uloge AVIC-a u promicanju napretka tehnologije spajanja materijala.

## Strukturni parametri

### Radna oprema Sastoji se od optičkog oscilatora i medija smještenog između zrcala na oba kraja šupljine oscilatora. Kada se medij pobudi u visokoenergetsko stanje, počinje generirati svjetlosne valove u fazi, koji se reflektiraju naprijed-natrag između zrcala na oba kraja, stvarajući efekt fotoelektričnog spajanja. To pojačava svjetlosne valove i kada se dobije dovoljna energija, emitira se laser. Laser se također može definirati kao uređaj koji pretvara primarne izvore energije poput električne energije, kemijske energije, toplinske energije, svjetlosne energije ili nuklearne energije u elektromagnetske zrake zračenja specifičnih optičkih frekvencija (ultraljubičasto svjetlo, vidljiva svjetlost ili infracrveno svjetlo). Ova se pretvorba može lako provesti u određenim krutim, tekućim ili plinovitim medijima. Kada se ti mediji pobude u obliku atoma ili molekula, oni proizvode svjetlosni snop s gotovo istom fazom i gotovo jednom valnom duljinom - laser. Zbog svog svojstva u fazi i jedne valne duljine, kut divergencije je vrlo mali i može se prenositi na veliku udaljenost prije nego što se visoko koncentrira kako bi se osigurale funkcije poput zavarivanja, rezanja i toplinske obrade. ### Klasifikacija lasera Postoje uglavnom dvije vrste lasera koji se koriste za zavarivanje, i to CO₂ laseri i Nd:YAG laseri. I CO₂ laseri i Nd:YAG laseri su infracrvena svjetlost nevidljiva golim okom. Snop koji generira Nd:YAG laser uglavnom je bliska infracrvena svjetlost s valnom duljinom od 1,06 μm. Toplinski vodiči imaju relativno visoku stopu apsorpcije svjetlosti ove valne duljine, a za većinu metala reflektivnost je 20%-30%. Snop bliske infracrvene svjetlosti može se fokusirati na promjer od 0,25 mm pomoću standardnih optičkih leća. Snop CO₂ lasera je daleka infracrvena svjetlost s valnom duljinom od 10,6 μm. Većina metala ima reflektivnost od 80%-90% za ovu vrstu svjetlosti, pa su potrebne posebne optičke leće za fokusiranje snopa na promjer od 0,75-1,0 mm. Snaga Nd:YAG lasera općenito može doseći oko 4000-6000 W, a maksimalna snaga sada je dosegla 10 000 W. Nasuprot tome, snaga CO₂ lasera lako može doseći 20 000 W ili čak i više. Visokosnažni CO₂ laseri rješavaju problem visoke reflektivnosti efektom ključanice. Kada se površina materijala ozračena svjetlosnom točkom otopi, formira se ključanica. Ova ključanica ispunjena parom je poput crnog tijela koje apsorbira gotovo svu energiju upadne svjetlosti. Ravnotežna temperatura unutar ključanice doseže oko 25 000 °C, a reflektivnost se brzo smanjuje unutar nekoliko mikrosekundi. Iako se fokus razvoja CO₂ lasera i dalje usmjerava na razvoj i istraživanje opreme, više se ne radi o povećanju maksimalne izlazne snage, već o tome kako poboljšati kvalitetu snopa i njegove performanse fokusiranja. Osim toga, kada se argon koristi kao zaštitni plin za zavarivanje CO₂ laserom snage iznad 10 kW, često inducira jaku plazmu, što smanjuje dubinu prodiranja. Stoga se helij, koji ne stvara plazmu, često koristi kao zaštitni plin za zavarivanje CO₂ laserom velike snage. Primjena kombinacija diodnih lasera za pobuđivanje Nd:YAG kristala velike snage važna je tema istraživanja i razvoja, koja će uvelike poboljšati kvalitetu laserskih zraka i stvoriti učinkovitiju lasersku obradu. Korištenje izravnih diodnih nizova za pobuđivanje i izlaz lasera u bliskom infracrvenom području postiglo je prosječnu snagu od 1 kW i učinkovitost fotoelektrične pretvorbe od gotovo 50%. Diode također imaju dulji vijek trajanja (10 000 sati), što pomaže u smanjenju troškova održavanja laserske opreme. Razvoj opreme za diodno pumpane lasere u čvrstom stanju (DPSSL) također napreduje.