Laserowe spawanie metali stanowi jedną z podstawowych technik łączenia materiałów. Mimo że większość trudności pojawiających się na różnych etapach tego procesu zostało już przezwyciężonych, wciąż istnieją aplikacje, w których tradycyjne techniki spawania laserowego przynoszą niewystarczające rezultaty. Jedną z nich jest spawanie i lutowanie cynkowanych blach w przemyśle motoryzacyjnym, drugą – laserowe spawanie miedzi.

Wyzwania procesowe
W pierwszym przypadku wyzwaniem okazuje się uzyskanie czystej spoiny bez odprysków. Rozwiązaniem może być zastosowanie zaproponowanej przez IPG Photonics techniki wykorzystującej trzy niezależne plamki generowane w jednym źródle laserowym. Plamka główna wykonuje proces lutospawania, natomiast plamki pomocnicze usuwają precyzyjnie warstwę ocynku w miejscu spawania.

Nieco bardziej złożonym problemem okazuje się eliminacja negatywnych efektów ubocznych spawania miedzi. Materiał ten – ze względu na bardzo dobre przewodnictwo – jest chętnie wykorzystywany w elektrotechnice, a wraz ze wzrostem popularności samochodów elektrycznych przewiduje się dalszy szybki wzrost liczby jego potencjalnych aplikacji, a tym samym również znaczenia jego obróbki spawaniem. W tym przypadku wyzwaniem okazuje się z jednej strony zapewnienie wysokiej jakości trwałego połączenia, a z drugiej – znalezienie takiej techniki, która pozwoli na efektywne łączenie komponentów przewodzących wykonanych z materiałów tego samego, jak i odmiennego typu. Powinna ona zarówno niwelować fizykalne i chemiczne różnice między materiałami, jak i spełniać wymagania względem właściwości mechanicznych i przewodnictwa elektrycznego połączeń. Z tego względu nie można tu zastosować tradycyjnych technik, takich jak lutowanie miękkie czy połączenia śrubowe, zaś potencjał spawania laserowego ograniczony jest przez wysokie przewodnictwo cieplne miedzi.

– Aby stopić materiał, konieczne jest dostarczenie bardzo dużej ilości energii, która ze względu na dobre odprowadzanie ciepła przyczynia się do wysokiego obciążenia termicznego detalu, co skutkuje m.in. wypaczeniem lub uszkodzeniem delikatnych elektrycznych i elektronicznych komponentów – wyjaśnia Michael Grupp, menedżer aplikacji w firmie IPG Photonics. – W przypadku spawania laserowego dodatkową trudnością jest niewielka absorpcja promieniowania laserowego przez miedź w stałym stanie skupienia, która w połączeniu z wysokim przewodnictwem cieplnym zwiększa niestabilność procesu i wymusza zastosowanie specjalnych rozwiązań.

Większa gęstość energii dla większej absorpcji promieniowania
Wśród najczęściej proponowanych metod przezwyciężenia opisanych trudności dominuje zastosowanie laserów o krótkiej długości fali umożliwiających zwiększenie absorpcji promieniowania, w tym lasera zielonego o dużej mocy lub kombinacji lasera zielonego i podczerwonego. W drugim przypadku laser zielony ma za zadanie zwiększać absorpcję promieniowania przez miedź w stanie stałym do momentu wytworzenia jeziorka spawalniczego, natomiast promieniowanie podczerwone wykorzystywane jest we właściwym procesie spawania.

Alternatywnym rozwiązaniem proponowanym przez firmę IPG Photonics może być wykorzystanie lasera włóknowego o wysokiej gęstości energii, co umożliwia szybsze topienie materiału, a tym samym zmianę stopnia absorpcji promieniowania. W aplikacji tej wykorzystuje się jednomodowy laser włóknowy, który – dzięki większemu skupieniu energii w punkcie ogniskowania – pozwala na uzyskanie większej gęstości energii niż laser wielomodowy – i to już przy mocy > 100 W. Problem odbijania światła przez materiał zostaje zmarginalizowany dzięki dobremu dopasowaniu optyki i zastosowaniu czujników kontrolujących tor wiązki laserowej, a sam odbłysk jest dodatkowo redukowany przez zastosowanie soczewki o niewielkiej średnicy oraz wysoką absorpcję promieniowania.

– Dzięki zastosowaniu jednomodowego lasera włóknowego możliwe jest uzyskanie gęstości energii > 108 W/cm2 przy mocy własnej rzędu kilkuset W, co pozwala na tworzenie trwałych spoin. W porównaniu z tradycyjnymi laserami wielomodowymi o porównywalnej wydajności i mocy kilku kilowatów technologia ta zapewnia do 50 razy większą gęstość energii – komentuje Michael Grupp. Wysoka zdolność skupienia energii pozwala także na zastosowanie dużej ogniskowej, a tym samym i wdrożenie systemów skanujących umożliwiających śledzenie złącza.

Większa prędkość wiązki przy umiarkowanym posuwie
Oprócz niewielkiej absorpcji promieniowania istotnym problemem w przypadku spawania miedzi jest również jej skłonność do odprysków oraz wypływu z jeziorka spawalniczego przy niskich prędkościach spawania. Właściwość tę można zredukować wyłącznie przez zwiększenie owej prędkości, a żeby ją całkowicie wyeliminować, konieczne jest utrzymanie prędkości na poziomie minimum 10 m/min-1, co przy niezmienionej mocy lasera przekłada się na zmniejszenie energii odcinkowej i głębokości spoiny. W efekcie zapewnienie dobrej jakości spoiny w procesie spawania miedzi wymaga zastosowania lasera o dużej mocy, a tym samym wymusza zwiększenie nakładów inwestycyjnych na ten cel.

Rozwiązaniem może być zastosowanie techniki tzw. spawania oscylującego (ang. wobbling), w którym wiązka laserowa porusza się ruchem kolistym z dużą częstotliwością, co pozwala na zachowanie wysokiej prędkości wiązki przy umiarkowanym posuwie. W procesie tym można wykorzystać dwuosiowe skanery galwanometryczne albo specjalną optykę, np. IPG FLWD50 Wobble, która umożliwia wykonywanie ruchów o częstotliwości kilkuset Hz, w tym oscylacyjnych, liniowych oraz o kształcie nieskończoności.

– Oprócz prędkości posuwu i mocy lasera istotnymi parametrami tego procesu są częstotliwość i amplituda ruchu, które definiują prędkość wiązki laserowej – mówi Michael Grupp.

Spawanie oscylujące nie tylko sprzyja właściwemu ukształtowaniu spoiny i zniwelowaniu wypływów z jeziorka spawalniczego, ale także determinuje przekrój poprzeczny spoiny. Przy niewielkich amplitudach, w przypadku których wiązka przemieszcza się w ramach jednego jeziorka spawalniczego, dysproporcja między szerokością a głębokością spoiny pozostaje duża, a sama spoina przyjmuje charakterystyczny dla spawania laserowego kształt litery V. Wraz ze wzrostem amplitudy ruchów wiązki zmienia się przekrój spoiny – najpierw w kształt litery U, a następnie prostokąta. Proces ten pozwala indywidualnie kształtować formę spoiny zarówno pod względem głębokości, jak i szerokości, a w przypadku połączeń na zakładkę – wspawać górną warstwę w dolną i tym samym wzmocnić spoinę. Jest to szczególnie użyteczne przy połączeniach mieszanych, np. aluminium i miedzi, gdyż umożliwia precyzyjne, ograniczone miejscowo mieszanie obu materiałów, a tym samym tworzenie faz intermetalicznych.