Μέθοδοι Συγκόλλησης για Μικρά και Μικρά Μέρη Η συγκόλληση με λέιζερ είναι μια αποτελεσματική και ακριβής μέθοδος συγκόλλησης που χρησιμοποιεί μια δέσμη λέιζερ υψηλής ενεργειακής πυκνότητας ως πηγή θερμότητας. Είναι μια από τις σημαντικές εφαρμογές της τεχνολογίας επεξεργασίας υλικών με λέιζερ. Τη δεκαετία του 1970, χρησιμοποιήθηκε κυρίως για τη συγκόλληση υλικών με λεπτά τοιχώματα και συγκόλληση χαμηλής ταχύτητας, και η διαδικασία συγκόλλησης ανήκε στον τύπο θερμικής αγωγιμότητας. Συγκεκριμένα, η ακτινοβολία λέιζερ θερμαίνει την επιφάνεια του τεμαχίου εργασίας και η θερμότητα στην επιφάνεια διαχέεται προς τα μέσα μέσω θερμικής αγωγιμότητας. Ελέγχοντας παραμέτρους όπως το πλάτος, η ενέργεια, η μέγιστη ισχύς και η συχνότητα επανάληψης των παλμών λέιζερ, το τεμάχιο εργασίας τήκεται για να σχηματίσει μια συγκεκριμένη λιωμένη λίμνη. Λόγω των μοναδικών πλεονεκτημάτων της, έχει εφαρμοστεί με επιτυχία σε...συγκόλληση ακριβείας μικροεξαρτημάτων και μικρών εξαρτημάτων.Η τεχνολογία συγκόλλησης με λέιζερ της Κίνας κατατάσσεται μεταξύ των προηγμένων επιπέδων στον κόσμο. Διαθέτει την τεχνολογία και την ικανότητα να σχηματίζει σύνθετα εξαρτήματα από κράμα τιτανίου άνω των 12 τετραγωνικών μέτρων χρησιμοποιώντας λέιζερ και έχει εφαρμοστεί στην κατασκευή πρωτοτύπων και προϊόντων σε πολλά εγχώρια ερευνητικά έργα αεροπορίας. Τον Οκτώβριο του 2013, ένας Κινέζος εμπειρογνώμονας συγκόλλησης κέρδισε το βραβείο Brook, το υψηλότερο ακαδημαϊκό βραβείο στον τομέα της συγκόλλησης, το οποίο επιβεβαίωσε το παγκόσμιο επίπεδο συγκόλλησης με λέιζερ της Κίνας.
## Ιστορικό Ανάπτυξης Η πρώτη δέσμη λέιζερ στον κόσμο δημιουργήθηκε το 1960 με διέγερση κρυστάλλων ρουμπινιού με λάμπα λάμψης. Περιορισμένη από τη θερμική χωρητικότητα του κρυστάλλου, μπορούσε να παράγει μόνο πολύ σύντομες παλμικές δέσμες χαμηλής συχνότητας. Αν και η στιγμιαία μέγιστη ενέργεια παλμού μπορούσε να φτάσει έως και 10^6 watt, εξακολουθούσε να ανήκει στην κατηγορία χαμηλής ενέργειας εξόδου. Μια κρυσταλλική ράβδος υττρίου-αλουμινίου-γρανάτης (Nd:YAG) με νεοδύμιο, με νεοδύμιο (Nd) ως στοιχείο διέγερσης, μπορεί να δημιουργήσει μια συνεχή δέσμη λέιζερ μονού μήκους κύματος με ισχύ 1-8KW. Το λέιζερ YAG, με μήκος κύματος 1,06μm, μπορεί να συνδεθεί στην κεφαλή επεξεργασίας λέιζερ μέσω μιας εύκαμπτης οπτικής ίνας, η οποία διαθέτει ευέλικτη διάταξη εξοπλισμού και καταλληλότητα για συγκόλληση τεμαχίων εργασίας με πάχος 0,5-6mm. Το λέιζερ CO₂, χρησιμοποιώντας διοξείδιο του άνθρακα ως διεγερτικό (με μήκος κύματος 10,6 μm), μπορεί να επιτύχει ενέργεια εξόδου έως και 25KW και να πραγματοποιήσει συγκόλληση πλήρους διείσδυσης σε ένα πέρασμα πλακών πάχους 2 mm. Έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως στην επεξεργασία μετάλλων στον βιομηχανικό τομέα. Στα μέσα της δεκαετίας του 1980, η συγκόλληση με λέιζερ, ως νέα τεχνολογία, προσέλκυσε ευρεία προσοχή στην Ευρώπη, τις Ηνωμένες Πολιτείες και την Ιαπωνία. Το 1985, η ThyssenKrupp Steel AG (Γερμανία) και η Volkswagen AG (Γερμανία) συνεργάστηκαν για να υιοθετήσουν με επιτυχία το πρώτο παγκοσμίως συγκολλημένο με λέιζερ κενό στο αμάξωμα του Audi 100. Τη δεκαετία του 1990, μεγάλοι κατασκευαστές αυτοκινήτων στην Ευρώπη, τη Βόρεια Αμερική και την Ιαπωνία άρχισαν να χρησιμοποιούν ευρέως την τεχνολογία συγκολλημένων με λέιζερ κενό στην κατασκευή αμαξωμάτων αυτοκινήτων. Η πρακτική εμπειρία τόσο από εργαστήρια όσο και από κατασκευαστές αυτοκινήτων έχει αποδείξει ότι τα συγκολλημένα με λέιζερ κενό μπορούν να εφαρμοστούν με επιτυχία στην παραγωγή αμαξωμάτων αυτοκινήτων. Η συγκόλληση με λέιζερ χρησιμοποιεί ενέργεια λέιζερ για την αυτόματη σύνδεση και συγκόλληση διαφόρων χαλύβων, ανοξείδωτων χαλύβων, κραμάτων αλουμινίου κ.λπ., με διαφορετικά υλικά, πάχη και επιστρώσεις σε μια ενσωματωμένη πλάκα, προφίλ ή πάνελ σάντουιτς. Αυτό ικανοποιεί τις διαφορετικές απαιτήσεις απόδοσης υλικών των εξαρτημάτων και επιτυγχάνει ελαφρύ εξοπλισμό με το μικρότερο βάρος, βέλτιστη δομή και καλύτερη απόδοση. Σε ανεπτυγμένες χώρες όπως η Ευρώπη και οι Ηνωμένες Πολιτείες,συγκόλληση με λέιζερΔεν χρησιμοποιείται μόνο στη βιομηχανία κατασκευής εξοπλισμού μεταφορών, αλλά εφαρμόζεται ευρέως και σε τομείς όπως οι κατασκευές, οι γέφυρες, η παραγωγή συγκόλλησης πλακών οικιακών συσκευών και η συγκόλληση χαλύβδινων πλακών σε γραμμές έλασης (σύνδεση πλακών σε συνεχή έλαση). Παγκοσμίου φήμης επιχειρήσεις συγκόλλησης με λέιζερ περιλαμβάνουν τις Soudonic (Ελβετία), ArcelorMittal Group (Γαλλία), ThyssenKrupp TWB (Γερμανία), Servo-Robot (Καναδάς) και Precitec (Γερμανία). Η εφαρμογή της τεχνολογίας συγκολλημένων με λέιζερ κενών στην Κίνα μόλις ξεκίνησε. Στις 25 Οκτωβρίου 2002, τέθηκε επίσημα σε λειτουργία η πρώτη επαγγελματική εμπορική γραμμή παραγωγής της Κίνας για συγκολλημένα με λέιζερ κενά. Εισήχθη από την Wuhan ThyssenKrupp Zhongren Laser Tailor Welding από την ThyssenKrupp TWB (Γερμανία). Αργότερα, η Shanghai Baosteel Arcelor Laser Tailor Welding Co., Ltd., η FAW Baoyou Laser Tailor Welding Co., Ltd. και άλλες επιχειρήσεις τέθηκαν διαδοχικά σε παραγωγή. Το 2003, ξένες χώρες υλοποίησαν τη συγκόλληση σύρματος πλήρωσης με λέιζερ CO₂ διπλής δέσμης καιΣυγκόλληση καλωδίων πλήρωσης με λέιζερ YAGγια τη δομή του κάτω τοιχώματος από κράμα αλουμινίου A318. Αυτή η τεχνολογία αντικατέστησε την παραδοσιακή πριτσίνια, μειώνοντας το βάρος της ατράκτου του αεροσκάφους κατά 20% και εξοικονομώντας 20% του κόστους. Ο Gong Shuili πίστευε ότι η τεχνολογία συγκόλλησης με λέιζερ θα έπαιζε σημαντικό ρόλο στον μετασχηματισμό και την αναβάθμιση της παραδοσιακής αεροπορικής βιομηχανίας της Κίνας. Αμέσως υπέβαλε αίτηση για μια σειρά από σχετικά προ-ερευνητικά έργα, οργάνωσε μια ερευνητική ομάδα και ανέλαβε την εισαγωγή της τεχνολογίας «συγκόλλησης με λέιζερ διπλής δέσμης» σε ερευνητικά έργα στην Κίνα. Από την αρχή, σχεδίαζε να εφαρμόσει αυτήν την τεχνολογία στην κατασκευή αεροσκαφών. Η κινεζική ομάδα εμπειρογνωμόνων ανέφερε την προκαταρκτική τεχνολογία σε ένα ινστιτούτο σχεδιασμού αεροσκαφών και προώθησε τα πλεονεκτήματα και τη σκοπιμότητα της συγκόλλησης με λέιζερ διπλής δέσμης. Μετά από πολλαπλές επαληθεύσεις και αξιολογήσεις, το ινστιτούτο σχεδιασμού αποφάσισε να εφαρμόσει αυτήν την τεχνολογία στην κατασκευή νευρώσεων τοιχωμάτων για ένα συγκεκριμένο αεροσκάφος, επιτυγχάνοντας τον αρχικό στόχο της εφαρμογής της τεχνολογίας «συγκόλλησης με λέιζερ διπλής δέσμης» στην κατασκευή αεροσκαφών. Επέστρεψε σε βασικές τεχνολογίες όπως ο ακριβής έλεγχος του σύρματος πλήρωσης με λέιζερ για ελαφριά κράματα, ανέπτυξε μια ολοκληρωμένη και καινοτόμο υβριδική συσκευή συγκόλλησης με σύρμα πλήρωσης λέιζερ διπλής δέσμης, δημιούργησε την πρώτη πλατφόρμα συγκόλλησης με σύρμα πλήρωσης λέιζερ διπλής δέσμης υψηλής ισχύος στην Κίνα, υλοποίησε τη σύγχρονη συγκόλληση Τ-αρθρώσεων διπλής δέσμης και διπλής όψης για πρώτη φορά, παίζοντας σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη των νέων αεροσκαφών της Κίνας. Το 2003, το πρώτο εγχώριο μεγάλης κλίμακας διαδικτυακό πλήρες σετ εξοπλισμού συγκόλλησης ταινιών που παρείχε η HG Laser πέρασε την έγκριση εκτός σύνδεσης. Αυτός ο εξοπλισμός ενσωματώνει κοπή με λέιζερ, συγκόλληση και θερμική επεξεργασία, καθιστώντας την HG Laser μία από τις τέταρτες επιχειρήσεις στον κόσμο που είναι ικανές να παράγουν τέτοιο εξοπλισμό. Το 2004, το έργο "Κοπή, Συγκόλληση και Συνδυασμένη Τεχνολογία και Εξοπλισμός Επεξεργασίας Κοπής-Συγκόλλησης Υψηλής Ισχύος" από την HG Laser Farley Laserlab κέρδισε το Δεύτερο Βραβείο Εθνικού Βραβείου Επιστήμης και Τεχνολογικής Προόδου, καθιστώντας την τη μόνη επιχείρηση λέιζερ στην Κίνα με την ικανότητα Έρευνας και Ανάπτυξης αυτής της τεχνολογίας και του εξοπλισμού. Με την ταχεία ανάπτυξη της βιομηχανικής βιομηχανίας λέιζερ, η αγορά έχει θέσει υψηλότερες απαιτήσεις για την τεχνολογία επεξεργασίας λέιζερ. Η τεχνολογία λέιζερ έχει σταδιακά μετατοπιστεί από μία μόνο εφαρμογή σε διαφοροποιημένες εφαρμογές. Όσον αφορά την επεξεργασία λέιζερ, δεν περιορίζεται πλέον σε μία μόνο κοπή ή συγκόλληση. Η ζήτηση της αγοράς για ολοκληρωμένο εξοπλισμό επεξεργασίας λέιζερ που συνδυάζει κοπή και συγκόλληση αυξάνεται, και έτσι έχει αναδυθεί ολοκληρωμένος εξοπλισμός κοπής και συγκόλλησης λέιζερ. Η HG Laser Farley Laserlab ανέπτυξε την ολοκληρωμένη μηχανή κοπής και συγκόλλησης Walc9030, με εξαιρετικά μεγάλο μέγεθος 9×3 μέτρων, η οποία είναι σήμερα ο μεγαλύτερος ολοκληρωμένος εξοπλισμός κοπής και συγκόλλησης λέιζερ στον κόσμο. Το Walc9030 είναι ένας εξοπλισμός κοπής και συγκόλλησης μεγάλου μεγέθους που ενσωματώνει...λειτουργίες κοπής με λέιζερ και συγκόλλησης με λέιζερΕίναι εξοπλισμένο με μια επαγγελματική κεφαλή κοπής και μια κεφαλή συγκόλλησης, και οι δύο κεφαλές επεξεργασίας μοιράζονται μία δοκό. Η τεχνολογία αριθμητικού ελέγχου διασφαλίζει ότι δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Ο εξοπλισμός μπορεί να ολοκληρώσει δύο διαδικασίες που απαιτούν κοπή και συγκόλληση ταυτόχρονα. Μπορεί να εναλλάσσεται ελεύθερα μεταξύ κοπής πρώτα και συγκόλλησης ή συγκόλλησης πρώτα και κοπής, πραγματοποιώντας λειτουργίες κοπής και συγκόλλησης με λέιζερ με έναν εξοπλισμό χωρίς την ανάγκη πρόσθετου εξοπλισμού. Αυτό εξοικονομεί κόστος εξοπλισμού για τους κατασκευαστές εφαρμογών, βελτιώνει την απόδοση επεξεργασίας και το εύρος επεξεργασίας. Επιπλέον, λόγω της ενσωμάτωσης κοπής και συγκόλλησης, η ακρίβεια επεξεργασίας είναι πλήρως εγγυημένη και η απόδοση του εξοπλισμού είναι αποτελεσματική και σταθερή. Επιπλέον, έχει ξεπεράσει τις δυσκολίες της θερμικής παραμόρφωσης των πλακών κατά τη συγκόλληση εξαιρετικά μεγάλων πλακών και τη σταθερή υλοποίηση εξαιρετικά μεγάλων οπτικών διαδρομών. Μπορεί να συγκολλήσει δύο επίπεδες πλάκες μήκους 6 μέτρων και πλάτους 1,5 μέτρων ταυτόχρονα, και η συγκολλημένη επιφάνεια είναι λεία και επίπεδη χωρίς πρόσθετη μετεπεξεργασία. Ταυτόχρονα, μπορεί να κόψει πλάκες πλάτους 3 μέτρων, μήκους μεγαλύτερου από 6 μέτρα και πάχους μικρότερου από 20 mm σε μία διαδικασία διαμόρφωσης χωρίς δευτερεύουσα τοποθέτηση. Το Ινστιτούτο Αυτοματισμού Shenyang της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών πραγματοποίησε διεθνή συνεργασία με την IHI Corporation (Ιαπωνία). Ακολουθώντας την εθνική στρατηγική επιστημονικής και τεχνολογικής ανάπτυξης «εισαγωγής, πέψης, απορρόφησης και επανέκδοσης», ξεπέρασε αρκετές βασικές τεχνολογίεςσυγκόλληση με λέιζερ, ανέπτυξε το πρώτο σετ ολοκληρωμένων γραμμών παραγωγής συγκολλήσεων με λέιζερ τον Σεπτέμβριο του 2006 και ανέπτυξε με επιτυχία ένα ρομποτικό σύστημα συγκόλλησης με λέιζερ, πραγματοποιώντας συγκόλληση με λέιζερ επίπεδων και χωρικών καμπυλών. Τον Οκτώβριο του 2013, ένας Κινέζος ειδικός στις συγκολλήσεις κέρδισε το βραβείο Brook, το υψηλότερο ακαδημαϊκό βραβείο στον τομέα της συγκόλλησης. Το Ινστιτούτο Συγκολλήσεων (TWI, Ηνωμένο Βασίλειο) προτείνει και προτείνει υποψηφίους κάθε χρόνο από περισσότερες από 4.000 μονάδες-μέλη σε περισσότερες από 120 χώρες και τέλος απονέμει αυτό το βραβείο σε έναν ειδικό σε αναγνώριση της εξαιρετικής συμβολής του στην επιστήμη και την τεχνολογία της συγκόλλησης ή της σύνδεσης και της βιομηχανικής εφαρμογής της. Αυτό το βραβείο δεν αποτελεί μόνο αναγνώριση του Gong Shuili και της ομάδας του, αλλά και επιβεβαίωση του ρόλου της AVIC στην προώθηση της προόδου της τεχνολογίας σύνδεσης υλικών.
## Δομικές παράμετροι
### Εξοπλισμός Εργασίας Αποτελείται από έναν οπτικό ταλαντωτή και ένα μέσο τοποθετημένο μεταξύ των κατόπτρων και στα δύο άκρα της κοιλότητας του ταλαντωτή. Όταν το μέσο διεγείρεται σε κατάσταση υψηλής ενέργειας, αρχίζει να παράγει φωτεινά κύματα σε φάση, τα οποία ανακλώνται εμπρός και πίσω μεταξύ των κατόπτρων και στα δύο άκρα, σχηματίζοντας ένα φωτοηλεκτρικό φαινόμενο συνένωσης. Αυτό ενισχύει τα φωτεινά κύματα και όταν λαμβάνεται επαρκής ενέργεια, εκπέμπεται το λέιζερ. Το λέιζερ μπορεί επίσης να οριστεί ως μια συσκευή που μετατρέπει πρωτογενείς πηγές ενέργειας όπως ηλεκτρική ενέργεια, χημική ενέργεια, θερμική ενέργεια, φωτεινή ενέργεια ή πυρηνική ενέργεια σε δέσμες ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας συγκεκριμένων οπτικών συχνοτήτων (υπεριώδες φως, ορατό φως ή υπέρυθρο φως). Αυτή η μετατροπή μπορεί εύκολα να πραγματοποιηθεί σε ορισμένα στερεά, υγρά ή αέρια μέσα. Όταν αυτά τα μέσα διεγείρονται με τη μορφή ατόμων ή μορίων, παράγουν μια δέσμη φωτός με σχεδόν την ίδια φάση και σχεδόν ένα μόνο μήκος κύματος - λέιζερ. Λόγω της ιδιότητάς του σε φάση και του μοναδικού μήκους κύματος, η γωνία απόκλισης είναι πολύ μικρή και μπορεί να μεταδοθεί σε μεγάλη απόσταση πριν συγκεντρωθεί σε μεγάλο βαθμό για να παρέχει λειτουργίες όπως συγκόλληση, κοπή και θερμική επεξεργασία. ### Ταξινόμηση των Λέιζερ Υπάρχουν κυρίως δύο τύποι λέιζερ που χρησιμοποιούνται για συγκόλληση, συγκεκριμένα τα λέιζερ CO₂ και τα λέιζερ Nd:YAG. Τόσο τα λέιζερ CO₂ όσο και τα λέιζερ Nd:YAG είναι αόρατο υπέρυθρο φως με γυμνό μάτι. Η δέσμη που παράγεται από το λέιζερ Nd:YAG είναι κυρίως εγγύς υπέρυθρο φως με μήκος κύματος 1,06 μm. Οι θερμικοί αγωγοί έχουν σχετικά υψηλό ρυθμό απορρόφησης για το φως αυτού του μήκους κύματος και για τα περισσότερα μέταλλα, η ανακλαστικότητα είναι 20%-30%. Η δέσμη εγγύς υπέρυθρου μπορεί να εστιαστεί σε διάμετρο 0,25 mm χρησιμοποιώντας τυπικούς οπτικούς φακούς. Η δέσμη του λέιζερ CO₂ είναι φως μακρινής υπέρυθρης ακτινοβολίας με μήκος κύματος 10,6 μm. Τα περισσότερα μέταλλα έχουν ανακλαστικότητα 80%-90% για αυτόν τον τύπο φωτός, επομένως απαιτούνται ειδικοί οπτικοί φακοί για την εστίαση της δέσμης σε διάμετρο 0,75-1,0 mm. Η ισχύς των λέιζερ Nd:YAG μπορεί γενικά να φτάσει περίπου τα 4.000-6.000W και η μέγιστη ισχύς έχει πλέον φτάσει τα 10.000W. Αντίθετα, η ισχύς των λέιζερ CO₂ μπορεί εύκολα να φτάσει τα 20.000W ή και περισσότερο. Τα λέιζερ CO₂ υψηλής ισχύος λύνουν το πρόβλημα της υψηλής ανακλαστικότητας μέσω του φαινομένου της κλειδαρότρυπας. Όταν η επιφάνεια του υλικού που ακτινοβολείται από την κηλίδα φωτός λιώνει, σχηματίζεται μια κλειδαρότρυπα. Αυτή η κλειδαρότρυπα γεμάτη με ατμούς είναι σαν ένα μέλαν σώμα, το οποίο απορροφά σχεδόν όλη την ενέργεια του προσπίπτοντος φωτός. Η θερμοκρασία ισορροπίας μέσα στην κλειδαρότρυπα φτάνει περίπου τους 25.000°C και η ανακλαστικότητα μειώνεται ραγδαία μέσα σε λίγα μικροδευτερόλεπτα. Αν και η εστίαση ανάπτυξης των λέιζερ CO₂ εξακολουθεί να επικεντρώνεται στην ανάπτυξη και την έρευνα εξοπλισμού, δεν πρόκειται πλέον για την αύξηση της μέγιστης ισχύος εξόδου, αλλά για το πώς να βελτιωθεί η ποιότητα της δέσμης και η απόδοση εστίασής της. Επιπλέον, όταν το αργόν χρησιμοποιείται ως αέριο θωράκισης για συγκόλληση με λέιζερ CO₂ με ισχύ άνω των 10kW, συχνά προκαλεί ισχυρό πλάσμα, το οποίο μειώνει το βάθος διείσδυσης. Επομένως, το ήλιο, το οποίο δεν παράγει πλάσμα, χρησιμοποιείται συχνά ως αέριο θωράκισης για συγκόλληση με λέιζερ CO₂ υψηλής ισχύος. Η εφαρμογή συνδυασμών λέιζερ διόδου για τη διέγερση κρυστάλλων Nd:YAG υψηλής ισχύος είναι ένα σημαντικό θέμα έρευνας και ανάπτυξης, το οποίο θα βελτιώσει σημαντικά την ποιότητα των δεσμών λέιζερ και θα διαμορφώσει πιο αποτελεσματική επεξεργασία λέιζερ. Η χρήση άμεσων συστοιχιών διόδου για τη διέγερση και την έξοδο λέιζερ στην περιοχή εγγύς υπέρυθρου έχει επιτύχει μέση ισχύ 1kW και απόδοση φωτοηλεκτρικής μετατροπής σχεδόν 50%. Οι δίοδοι έχουν επίσης μεγαλύτερη διάρκεια ζωής (10.000 ώρες), γεγονός που βοηθά στη μείωση του κόστους συντήρησης του εξοπλισμού λέιζερ. Η ανάπτυξη εξοπλισμού λέιζερ στερεάς κατάστασης με αντλία διόδου (DPSSL) προχωρά επίσης.
Ώρα δημοσίευσης: 27 Αυγούστου 2025
