Przewodnik po spawaniu laserowym – wszystko, co musisz wiedzieć

Spawanie laserowe to zaawansowana i jednocześnie nowoczesna metoda łączenia materiałów, która znajduje zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu. Dzięki swojej precyzji, szybkości oraz wysokiej jakości spoin jest uznawana za jedną z najbardziej efektywnych metod spawania. W tym artykule dowiesz się, czym jest spawanie laserowe, jak działa i jakie ma zalety, a także jakie zastosowania sprawiają, że technologia ta jest niezastąpiona we współczesnej produkcji.

Na czym polega spawanie laserowe?

Spawanie laserowe polega na wykorzystaniu skoncentrowanej wiązki światła laserowego do stapiania i łączenia materiałów. Proces ten jest niezwykle precyzyjny, ponieważ wiązka lasera może być dokładnie skierowana na miejsce łączenia. Energia wiązki lasera topi krawędzie materiałów, które po zastygnięciu tworzą trwałą i estetyczną spoinę.

Jednym z najciekawszych aspektów spawania laserowego jest jego zdolność do tworzenia spoin o wyjątkowo małej szerokości, wynoszącej od 0,2 do 13 mm. Co więcej, dzięki niezwykle wysokiej gęstości energii, proces ten pozwala minimalizować wpływ ciepła na pozostałe obszary materiału. Efektem tego jest nie tylko zwiększenie precyzji, ale także ograniczenie deformacji spawanych elementów.
Ta technologia doskonale sprawdza się zarówno w skali makro, jak i mikro – od łączenia elementów w przemyśle ciężkim i motoryzacyjnym, po idealne i najbardziej estetyczne spoiny w branży meblarskiej.

Rodzaje spawania laserowego

Istnieje wiele metod spawania laserem, które różnią się zastosowaniem i charakterystyką. Oto przegląd najważniejszych z nich:

Spawanie poprzez przewodzenie ciepła (spawanie kondukcyjne, ang. heat conduction welding)

Metoda ta polega na podgrzewaniu materiału do temperatury topnienia, bez osiągania temperatury parowania. Energia jest dostarczana do powierzchni materiału, a następnie rozpraszana na drodze przewodnictwa cieplnego do jego wnętrza. Dzięki temu proces pozwala na tworzenie jeziorka spawalniczego bez głębokiego przetopienia. Jest to idealne rozwiązanie do spawania cienkich materiałów, takich jak blachy stalowe i aluminiowe o grubości do 1,5 mm. Lasery gazowe, takie jak CO₂, oraz lasery na ciele stałym (np. Nd:YAG) są często wykorzystywane w tej technice, ponieważ minimalizują odkształcenia materiału i zapewniają dużą precyzję.

Spawanie poprzez głębokie przetopienie (ang. deep penetration welding)

W tej metodzie energia lasera przenika głęboko w głąb materiału, przekraczając temperaturę topnienia i parowania. Tworzy się charakterystyczny kanał parowo-plazmowy, który pozwala uzyskać spoiny o dużym stosunku głębokości do szerokości (nawet 10:1). Ta technika jest szczególnie przydatna w spawaniu grubych elementów stalowych oraz stopów metali. W procesie stosuje się lasery dużej mocy, takie jak lasery światłowodowe, które są wydajne nawet w przypadku materiałów o wysokim współczynniku odbicia, takich jak aluminium.

Spawanie hybrydowe

Hybrydowe spawanie laserowe łączy technologię laserową z innymi metodami, np. spawaniem łukowym (MIG/MAG). Wiązka laserowa tworzy kanał parowy, a dodatkowe źródło energii dostarcza materiał wypełniający. Metoda ta charakteryzuje się wysoką prędkością spawania, możliwością łączenia niedokładnie dopasowanych elementów oraz redukcją odkształceń. Jest szeroko stosowana w przemyśle stoczniowym, motoryzacyjnym i konstrukcyjnym.

Mikrospawanie laserowe

Jest to proces przeznaczony do spawania bardzo małych elementów z niezwykłą precyzją. Wykorzystuje się lasery impulsowe (np. Nd:YAG), które pozwalają na minimalizację wpływu ciepła na sąsiednie obszary materiału. Mikrospawanie znajduje zastosowanie w elektronice, przy produkcji biżuterii oraz w medycynie, gdzie precyzja jest kluczowa.

Tutaj warto dopowiedzieć o spawaniu impulsowym, która jest techniką stosowaną w metodach MIG/MAG, polegającą na cyklicznym zwiększaniu i zmniejszaniu natężenia prądu spawania. Pozwala to na dokładne sterowanie ilością ciepła wprowadzanego do materiału, co jest szczególnie korzystne przy spawaniu cienkich blach oraz materiałów podatnych na odkształcenia termiczne.

Łączenie laserowe tworzyw termoplastycznych

Spawanie laserem znajduje również zastosowanie w tworzywach sztucznych. Energia lasera jest pochłaniana przez materiał, powodując jego lokalne topnienie i tworzenie trwałego połączenia. Technika ta jest wykorzystywana m.in. w produkcji komponentów medycznych oraz elektronicznych.

Najważniejsze cechy spawania laserowego

Proces spawania laserowego oferuje wiele zalet, które sprawiają, że jest to jedna z najbardziej zaawansowanych i wydajnych technologii w przemyśle. Dzięki regulacji parametrów, takich jak energia impulsu światła laserowego, położenie ogniska wiązki laserowej czy natężenie przepływu gazu ochronnego, proces można dostosować do różnych materiałów i wymagań produkcyjnych.

Oto najważniejsze zalety tej technologii:

• precyzyjne dostarczanie energii – dzięki wiązce laserowej o dużej gęstości mocy proces spawania charakteryzuje się małą szerokością strefy wpływu ciepła. Możliwość regulacji energii umożliwia spawanie zarówno cienkich materiałów, jak blachy aluminiowe o grubości 1,5 mm, jak i grubszych elementów takich jak stalowe elementy konstrukcyjne.

• wysoka prędkość spawania – laserowe spawanie pozwala osiągać znacznie wyższe prędkości spawania niż tradycyjne spawanie. Dzięki temu proces jest bardziej efektywny, co jest szczególnie istotne w produkcji seryjnej. Wysoka prędkość nie wpływa negatywnie na jakość spoin.

• wszechstronność zastosowań – spawanie laserowe umożliwia łączenie szerokiej gamy materiałów, takich jak metale czy szkło. Z wykorzystaniem tej metody możliwe jest także spawanie stali niskowęglowych. Możliwość dostosowania parametrów (np. szybkość czy czas spawania) pozwala na łączenie różnych typów materiałów z zachowaniem wysokiej jakości spoiny.

• minimalizacja wpływu ciepła na materiał – dzięki dokładnemu ustawieniu ogniska wiązki laserowej energia skupia się w ściśle określonym miejscu, co ogranicza wpływ ciepła na otaczające obszary (tzw. bardzo wąska SWC – strefa wpływu ciepła). W efekcie spoiny są trwałe, a ryzyko odkształceń czy uszkodzeń termicznych materiału jest zredukowane do minimum.

• czystość i estetyka procesu – w procesie spawania laserowego nie ma konieczności stosowania dodatkowych materiałów wypełniających, a to wpływa na aspekt ekonomiczny. Dodatkowo dzięki ograniczonej strefie wpływu ciepła uzyskuje się estetyczne, gładkie spoiny, które często nie wymagają dalszej obróbki. Kolejną zaletą spawania laserowego jest brak odprysków, to nie tylko poprawia estetykę wykonania, ale także zwiększa bezpieczeństwo pracy oraz redukuje potrzebę czyszczenia elementów.

• łatwość automatyzacji – spawanie laserowe jest łatwe do zintegrowania z systemami automatycznymi (spawanie zrobotyzowane), co czyni je idealnym rozwiązaniem w nowoczesnych liniach produkcyjnych. Sterowanie energią lasera oraz prędkością spawania pozwala na pełną kontrolę procesu, zwiększając efektywność i powtarzalność.

Sprawdź: Zrobotyzowane stanowiska laserowe od Fanuci

Warto również podkreślić, że spawanie laserowe może być wspomagane dodatkiem materiału w postaci drutu spawalniczego. W takim przypadku możliwe jest spawanie z występowaniem niewielkich szczelin, co nadal pozwala osiągnąć solidne połączenie. Dla większych szczelin zalecane są urządzenia wyposażone w głowicę 2W, które zapewniają efektywną pracę i doskonałe rezultaty.

Jakie ograniczenia ma spawanie laserem?

Technologia ta, choć nowoczesna i efektywna, posiada również swoje ograniczenia. Warto dokładnie przeanalizować wady i zalety spawania laserowego, aby zdecydować, czy będzie ona odpowiednia dla danego zastosowania. Do najważniejszych wad należą wysokie koszty zakupu. Niemniej, obecnie na rynku są dostępne różne serie urządzeń, także budżetowych, dlatego nawet mniejsze przedsiębiorstwa mogą korzystać z tej technologii. 

Mówi się, że wyzwaniem przy spawaniu laserem jest ograniczona zdolność spawania niektórych materiałów, jak choćby metali o wysokim współczynniku odbicia (wysokorefleksyjnych), np. miedzi. Warto jednak pamiętać, że jest to mit. Spawanie laserowe jest jak najbardziej możliwe, ale to, co jest kluczowe przy takich materiałach (np. stali nierdzewnej lub czarnej) to zastosowane odpowiednich parametrów spawalniczych (jak np. moc lasera) i uwzględnienie grubości powłok.

Sprawdź: Spawarki laserowe od Fanuci

Gazy osłonowe w spawaniu laserowym

W spawaniu laserowym gazy osłonowe pełnią kluczową rolę, wpływając na jakość i charakterystykę spoiny. Argon jest najczęściej stosowany ze względu na swoją dostępność i niską reaktywność, a to pozwala na skuteczne zabezpieczenie jeziorka ciekłego metalu. Hel, choć droższy, zapewnia lepszą kontrolę plazmy dzięki swojej wysokiej energii jonizacji, dlatego będzie on niezastąpiony w projektach, gdzie liczy się wysoka precyzja. Azot jest używany głównie w spawaniu stali nierdzewnej, gdzie może wzmacniać spoinę, ale jego interakcja z aluminium czy stalą węglową może prowadzić do powstawania azotków, które obniżają jakość połączenia. Z kolei dwutlenek węgla jest ekonomicznym wyborem przy spawaniu stali niskowęglowych, oferując gładkie spoiny, choć nie chroni przed utlenianiem stali.

Zastosowania spawania laserowego

Spawanie laserowe znajduje zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu dzięki swojej wszechstronności i niezrównanej precyzji. Oto najważniejsze przykłady:

1. ślusarstwo, balustrady i bramy – spawanie laserowe umożliwia tworzenie trwałych i precyzyjnych połączeń, które jest niezwykle ważne dla elementów wymagających wytrzymałości i precyzji wykonania.

2. konstrukcje stalowe –  technologia spawania laserem pozwala na efektywne łączenie dużych elementów stalowych, gwarantując jednocześnie wysoką jakość i zgodność z wymaganiami konstrukcyjnymi.

3. gastronomia – w branży gastronomicznej spawanie laserowe wykorzystywane jest do produkcji naczyń oraz akcesoriów ze stali nierdzewnej, gdzie priorytetem jest trwałość oraz higieniczne wykonanie powierzchni.

4. branża meblarska – technologia ta jest szczególnie ceniona przy produkcji okuć oraz mebli loftowych, gdzie wymagane są spoiny zarówno o wysokim poziomie precyzji, jak i o wysokich walorach estetycznych. 

5. przemysł motoryzacyjny – spawanie laserowe jest wykorzystywane do łączenia elementów karoserii, podwozi i komponentów silników. Szybkie łączenie zapewnia trwałość i estetykę, które mają kluczowe znaczenie w nowoczesnej produkcji samochodów.

6. sprzęt lotniczy – w lotnictwie liczy się każdy gram masy. Dzięki spawaniu laserowemu możliwe jest tworzenie lekkich i wytrzymałych konstrukcji, które spełniają najwyższe standardy bezpieczeństwa.

7. przemysł medyczny – spawanie laserowe znajduje zastosowanie w produkcji narzędzi chirurgicznych oraz implantów. Czystość procesu oraz wysoka precyzja tej metody pozwala na tworzenie elementów o skomplikowanych kształtach.

8. elektronika – miniaturyzacja urządzeń elektronicznych wymaga precyzyjnych spoin. Spawarki laserowe idealnie sprawdzają się w łączeniu małych komponentów bez ryzyka ich uszkodzenia.

9. tworzywa sztuczne – dzięki możliwości regulacji parametrów procesu spawanie laserowe znajduje zastosowanie również w łączeniu materiałów termoplastycznych. Energia lasera jest pochłaniana przez materiał, w ten sposób tworzą się trwałe połączeń w produktach elektronicznych czy medycznych.

Jakie materiały można spawać laserowo?

Jednym z najczęściej spawanych materiałów jest stal węglowa, wykorzystywana w przemyśle ciężkim i motoryzacyjnym, gdzie istotne są trwałość i głębokie wtopienie spoiny. Dzięki laserowi możliwe jest uzyskanie mocnych i szczelnych połączeń, które wytrzymują duże obciążenia mechaniczne.

Kolejnym materiałem, który doskonale sprawdza się w tej technologii, jest aluminium. Spawanie laserowe aluminium pozwala na łączenie lekkich i wytrzymałych elementów o dowolnym kształcie, przy jednoczesnym zminimalizowaniu wpływu ciepła na otaczające obszary.

Laserem można również spawać tytan, miedź, a nawet materiały trudno spawalne, takie jak stopy niklu czy niektóre tworzywa sztuczne.

Rodzaje laserów stosowanych w spawaniu laserowym

Spawanie laserowe wykorzystuje różnorodne technologie laserowe, które różnią się typem ośrodka wzmacniającego wiązkę, długością emitowanej fali oraz trybem pracy. Wśród najczęściej stosowanych rodzajów laserów można wyróżnić:

• Lasery światłowodowe – wykorzystujące światłowód iterbowy (Yb) jako aktywny ośrodek. Emitują one fale w zakresie od 980 do 1100 nm, zapewniając ciągłą emisję lub ultraszybkie impulsy w technologii Q-Switch. Charakteryzują się kompaktową budową i dużą wydajnością.

• Molekularne lasery CO₂ – emitujące fale o długości 10,6 µm, dostępne w trybach ciągłym i impulsowym. Są one szeroko wykorzystywane w przemyśle dzięki swojej wszechstronności i zdolności do precyzyjnego cięcia i spawania różnych materiałów.

• Lasery na ciało stałe – w tym lasery krystaliczne, takie jak Nd:YAG (granat itrowo-aluminiowy) i YVO₄ (ortowanadan itru). Emitują promieniowanie w zakresie 10,6 µm w trybach ciągłym lub impulsowym. Dzięki swojej konstrukcji doskonale nadają się do spawania materiałów o wysokiej gęstości i twardości.

• Lasery rubinowe – generujący fale o długości 694,3 nm. Posiada zdolność osiągania dużej mocy dzięki optycznemu pompowaniu za pomocą lampy błyskowej. Znajduje zastosowanie w procesach wymagających dużej precyzji.

• Lasery półprzewodnikowe – oparte na diodach laserowych, które emitują fale o długości 1070 nm. Mogą działać w trybach ciągłym lub impulsowym, a ich pompowanie odbywa się elektrycznie. Są wydajne, kompaktowe i mogą emitować światło w szerokim zakresie spektralnym – od widzialnego do podczerwieni.

Każdy z wymienionych typów laserów oferuje specyficzne zalety, dostosowane do różnych wymagań przemysłowych. Na przykład spawarka laserowa do metalu wykorzystująca technologię fibrową pozwala na precyzyjne łączenie materiałów o dużej gęstości, takich jak stal nierdzewna czy aluminium, zapewniając wysoką jakość spoin przy minimalnym wpływie ciepła. Z kolei lasery CO₂ sprawdzają się w pracy z materiałami niemetalowymi, dzięki swojej zdolności do efektywnego cięcia i spawania tworzyw sztucznych.

Jak wybrać odpowiednią spawarkę laserową?

Wybór odpowiedniej spawarki laserowej zależy od materiału, rodzaju połączenia i wymagań produkcyjnych. Kluczowe znaczenie ma rodzaj lasera – światłowodowe, CO₂ czy Nd:YAG – każdy z nich oferuje specyficzne zalety. Moc wiązki wpływa na głębokość przetopienia, które umożliwia spawanie zarówno cienkich, jak i grubszych elementów. Dostosowanie parametrów spawania, takich jak prędkość czy natężenie gazu ochronnego wpływa na jakość uzyskanej spoiny. Nowoczesne spawarki laserowe oferują możliwość automatyzacji, dzięki temu zwiększa się wydajność i powtarzalność procesu (powtarzalne spoiny znajdują za głównie w produkcji masowej), minimalizując jednocześnie koszty eksploatacji.

Zapoznaj się: Kompleksowy przewodnik po spawarkach laserowych

Czy spawanie laserowe jest bezpieczne?

W temacie spawania warto poruszyć kwestię bezpieczeństwa, bowiem obsługa spawarki laserowej wymaga przeszkolenia i znajomości zasad BHP. Niewłaściwe użytkowanie może prowadzić do poważnych konsekwencji. Przestrzeganie zasad BHP przy spawaniu nie tylko chroni zdrowie operatorów, ale także zapewnia wydajność i niezawodność procesu. Czy spawanie laserowe jest bezpieczne? Tak, ale tylko pod warunkiem stosowania się do ustalonych procedur.

Spawanie laserowe – technologia, która zmienia przyszłość przemysłu

Inwestycja w spawanie laserowe to krok w stronę innowacji, który nie tylko podnosi jakość produkcji, ale także zwiększa jej efektywność. To technologia przyszłości, która już dziś zmienia oblicze spawalnictwa i zapewnia przewagę konkurencyjną firmom, które ją wdrażają.

Jeśli szukasz niezawodnego i nowoczesnego rozwiązania, spawanie laserowe z wykorzystaniem urządzeń Fanuci to wybór, który sprosta nawet najbardziej wymagającym oczekiwaniom.

Bibliografia:

1. Dominik Wyszyński, Spawanie laserowe – wybrane metody, „Przegląd Spawalnictwa”, Vol. 88 12/2016, https://distantreader.org/stacks/journals/pspaw/pspaw-717.pdf, dostęp online [15.01.2025]

2. Agnieszka Twardowska, Lasery technologiczne przeznaczone do spawania, „Annales Universitatis Paedagogicae Cracoviensis Studia Technica”, III (2010), https://rep.up.krakow.pl/xmlui/bitstream/handle/11716/10535/AF074--25--Lasery-technologiczne--Twardowska.pdf?sequence=1&isAllowed=y, dostęp online [15.01.2025]

3. Techniki wytwarzania. Spawalnictwo. Labolatorium, pod redakcją A. Ambroziaka, https://dbc.wroc.pl/Content/7156/PDF/Techniki_wytwarzania.pdf, Wrocław 2010, dostęp online [16.01.2025]