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想用雷射銲接,五大點評估測試超重要

  • 想用雷射銲接,五大點評估測試超重要



    雷射銲接的生產效率高於傳統電弧銲接,銲接品質更是顯著提高,在自動化和智慧製造的浪潮下,許多製造工廠逐漸以雷射銲接取代電弧銲接。然而也由於雷射的某些特性,在進行雷射銲接前必需進行一些項目評估,避免銲接失敗
     

 
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    雷射種類的選擇

     

    雷射種類的選擇

    雷射波長,各種材料對於雷射光的吸收程度不同。例如鋼鐵材料對CO2雷射(10600 nm)的吸收率很低,對光纖雷射(1064 nm)大幅提高,因此銲接鋼鐵時建議選則光纖雷射。同樣的原理,用在錫銲與塑膠銲接,建議選用波長808或915 nm的二極體雷射,銲接玻璃時選用CO2雷射。目前市面上的銲接雷射大多是光纖雷射,光纖雷射發展成熟且使用較靈活,CO2雷射的銲接機逐漸減少。
     
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    接頭形式與接縫間隙

     

    接頭形式與接縫間隙

    牽涉到物件的安置和銲接角度,以及銲接路線設計。一般來說,常見的接頭形式例如對接(Butt joint)、搭接(Lap joint)和角接(Corner joint)都可以進行雷射銲接,如下圖所示。但由於雷射光班範圍很小(通常小於1mm),因此接頭的間隙會影響銲接效果與品質。以對接式的接頭為例,通常允許間隙寬度小於光班直徑的一半,這是為了確保光束能夠同時將兩側的材料熔化接合。若能做到填料雷射銲接,適當的加入填料可以填補接頭間隙,對於間隙的容許可以較寬。
    雷射光班大小是另一項重要因素,較大的光班可以允許較寬的接頭間隙,但是光束的能量也比較發散,造成熔化深度變淺。在搭接式接頭中,雷射光束需要穿透上下兩板才能將其接合,此處要求銲道熔化深度必須達到下方板材厚度的20~50%,才能確保上下兩板材有足夠接合強度。搭接的兩板材之間隙也會影響接合強度,一般來說盡量避免有間隙,否則需要提高雷射功率

    ▲雷射銲接的接頭形式
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    板材、銲接物件的厚度

     

    板材、銲接物件的厚度

    鋼板厚度越厚,就需要更高的雷射能量,除此之外還需考量聚焦光斑大小、光束品質、材料的吸收率。例如2 mm厚的316不鏽鋼板以1 kW功率就可以完全銲透,若板厚增加成4mm,或者接頭形式為兩片2 mm鋼板搭接,雷射功率需要提高至1.5 kW確保足夠接合強度。更厚的板材就需要更高的雷射功率,例如下圖的16 mm鋼板是以15 kW雷射銲接的。另外,若是鋁、銅這類對雷射高反射率的材料,也需要更高的功率才能銲接。



    ▲16mm厚板雷射銲接,圖片來源:ewi.org
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    雷射模式

     

    連續式或脈衝式銲接

    連續式雷射的光束是持續無中斷的輸出,而脈衝雷射則以固定頻率做斷續輸出,兩種模式有不同的熔化效果示。連續式雷射以穩定能量輸入銲道,可以得到較深的熔化深度,適用於厚板材銲接或者對精密度要求較低的銲接場合,以及較不受到熱改變性質的材料。一般的金屬製造的銲接場合,大多適用連續式雷射銲接。脈衝式雷射可以在很短時間內有極高的能量輸出,但可調控總能量,做到更低的熱量輸入。脈衝式雷射適用於很薄的板材銲接(例如小於1mm薄片),以及容易反射的材料(例如鋁、銅)。微小精密物件銲接,以及電池的電極銲接,都適合用脈衝式雷射
    ▲連續式與脈衝式銲接的差異
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    光斑選擇

     

    搖擺式光斑增加選擇

    搖擺式(Wobble mode)銲接是在銲接時將雷射光束以圓形、C形或者左右移動前進,可以做到較寬的銲接區域。
    搖擺式和直線銲接的差異如下圖,由於搖擺式雷射的能量分散在較大的範圍,可以銲接的深度較淺,但適當的調整搖擺寬度有助於銲接較大間隙的接縫,同時可以減少氣孔殘留在銲道內








     
    不同形式的搖擺光斑銲接,圖片來源:黃光瑤等人,雷射擺動光斑銲接技術發展與應用趨勢,雷射光谷推動促進網 


    ▲搖擺式與直線銲接銲道比較
                            
 

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