Apa itu Pengelasan Laser?

Pengelasan laser merupakan aspek penting dari teknologi pemrosesan material laser dan sering disebut sebagai mesin las laser. Umumnya, berdasarkan mode kerjanya, mesin las laser mold (mesin las manual), mesin las laser otomatis, mesin las titik laser, dan mesin las laser serat. Pengelasan laser memanfaatkan pulsa laser berenergi tinggi untuk memanaskan area kecil material secara lokal. Energi dari radiasi laser berdifusi ke dalam material melalui konduksi termal, melelehkan material dan membentuk kolam cair tertentu untuk mencapai tujuan pengelasan.

Pada tahun 1970-an, pengelasan laser terutama digunakan untuk pengelasan material berdinding tipis dan pengelasan kecepatan rendah. Proses ini merupakan jenis konduksi panas, yang berarti bahwa radiasi laser memanaskan permukaan benda kerja, dan panas tersebut kemudian menyebar ke bagian dalam melalui konduksi. Dengan mengendalikan parameter seperti lebar pulsa laser, energi, daya puncak, dan frekuensi pengulangan, benda kerja dicairkan untuk membentuk kolam cair tertentu. Karena keunggulannya yang unik, pengelasan laser telah berhasil diterapkan pada pengelasan presisi komponen mikro dan kecil.

Munculnya laser CO2 dan YAG berdaya tinggi telah membuka bidang baru untuk pengelasan laser, yang mengarah pada pengelasan penetrasi dalam berdasarkan teori efek lubang kecil. Hal ini telah menyebabkan aplikasi yang semakin meluas dalam industri seperti permesinan, otomotif, dan baja.

Dibandingkan dengan teknologi pengelasan lainnya, keuntungan utama pengelasan laser adalah:

1. Kecepatan Tinggi, Kedalaman Besar, dan Deformasi Minimal: Prosesnya cepat, menghasilkan pengelasan yang dalam dengan deformasi minimal.

2.Fleksibel dalam Kondisi Pengelasan: Pengelasan dapat dilakukan pada suhu ruangan atau dalam kondisi khusus, dengan pengaturan peralatan yang sederhana. Misalnya, laser dapat beroperasi melalui medan elektromagnetik tanpa pembelokan sinar; pengelasan dapat terjadi dalam ruang hampa, udara, atau lingkungan gas tertentu, dan melalui bahan transparan seperti kaca.

3. Kemampuan untuk mengelas material yang sulit dicairkan: Pengelasan laser dapat menangani material seperti titanium dan kuarsa, dan mencapai hasil yang baik dengan material yang berbeda.

4.Kepadatan Daya Tinggi: Setelah pemfokusan, laser memiliki kepadatan daya yang tinggi. Dalam aplikasi pengelasan daya tinggi, rasio kedalaman terhadap lebar dapat mencapai hingga 5:1, dan dalam beberapa kasus, hingga 10:1.

5. Kemampuan Pengelasan Mikro: Sinar laser dapat difokuskan untuk mencapai titik yang sangat kecil dan posisi yang tepat, membuatnya cocok untuk komponen mikro dan kecil dalam produksi otomatis bervolume tinggi.

6.Akses ke Daerah yang Sulit Dijangkau: Pengelasan laser dapat melakukan pengelasan jarak jauh tanpa kontak dengan fleksibilitas tinggi. Perkembangan terkini dalam teknologi laser YAG, seperti teknologi transmisi serat, telah memperluas penerapan pengelasan laser.

7. Pemrosesan Beberapa Sinar: Sinar laser dapat dibagi secara spasial dan temporal, memungkinkan pemrosesan simultan dengan beberapa sinar dan beberapa stasiun kerja, menyediakan kondisi untuk pengelasan yang lebih presisi.

Namun, pengelasan laser juga memiliki keterbatasan tertentu:

1. Persyaratan Presisi Tinggi: Benda kerja harus dirakit dengan presisi tinggi, dan sinar laser harus diposisikan secara akurat pada benda kerja. Karena titik laser sangat kecil setelah pemfokusan dan jahitan las sempit, sangat penting untuk memastikan bahwa perakitan benda kerja dan posisi sinar tepat untuk menghindari cacat pengelasan.

2.Biaya Tinggi:Biaya laser dan sistem terkait relatif tinggi, sehingga memerlukan investasi awal yang signifikan.

1.Kepadatan Daya

Kepadatan daya merupakan salah satu parameter terpenting dalam pemrosesan laser. Kepadatan daya yang lebih tinggi dapat memanaskan permukaan hingga mencapai titik didihnya dalam hitungan mikrodetik, yang menyebabkan penguapan yang signifikan. Oleh karena itu, kepadatan daya yang tinggi bermanfaat untuk proses penghilangan material seperti pengeboran, pemotongan, dan pengukiran. Untuk kepadatan daya yang lebih rendah, diperlukan waktu beberapa milidetik agar suhu permukaan mencapai titik didih. Sebelum permukaan menguap, lapisan di bawahnya mencapai titik leleh, yang memfasilitasi pengelasan fusi yang baik. Dalam pengelasan laser tipe konduksi, kepadatan daya biasanya berkisar antara 10410^4104 hingga 10610^6106 W/cm².

2.Bentuk Gelombang Pulsa Laser

Bentuk gelombang pulsa laser merupakan masalah penting dalam pengelasan laser, terutama untuk pengelasan lembaran tipis. Saat sinar laser berintensitas tinggi mengenai permukaan material, 60% hingga 98% energi laser dipantulkan, dan reflektivitasnya berubah seiring dengan suhu permukaan. Selama satu pulsa laser, reflektivitas logam berubah secara signifikan.

3.Durasi Pulsa Laser

Durasi pulsa merupakan parameter penting dalam pengelasan laser pulsa. Durasi pulsa membedakan antara penghilangan material dan peleburan material, serta merupakan faktor kunci dalam menentukan biaya dan ukuran peralatan pemrosesan.

4.Dampak Jarak Fokus pada Kualitas Pengelasan

Pengelasan laser sering kali memerlukan tingkat pengaburan tertentu karena kerapatan daya pada titik fokus laser sangat tinggi, yang dapat menyebabkan pembentukan lubang karena penguapan. Pada bidang yang jauh dari titik fokus laser, distribusi kerapatan daya relatif seragam.

Terdapat dua jenis pengaburan: pengaburan positif dan pengaburan negatif. Pengaburan positif terjadi saat bidang fokus berada di atas benda kerja, sedangkan pengaburan negatif terjadi saat bidang fokus berada di bawah benda kerja. Menurut teori optik geometris, saat pengaburan positif dan negatif sama, kerapatan daya pada bidang yang bersesuaian kira-kira sama. Akan tetapi, bentuk kolam cair yang diperoleh berbeda.

Defokus negatif dapat menghasilkan kedalaman lelehan yang lebih besar, yang terkait dengan proses pembentukan kolam cair. Eksperimen telah menunjukkan bahwa ketika laser memanaskan material selama 50 hingga 200 mikrodetik, material mulai meleleh, membentuk logam cair dan penguapan, menciptakan uap bertekanan tinggi yang dikeluarkan pada kecepatan yang sangat tinggi, menghasilkan cahaya putih terang. Secara bersamaan, konsentrasi gas yang tinggi menyebabkan logam cair bergerak ke tepi kolam cair, membentuk depresi di bagian tengah kolam. Selama defokus negatif, kerapatan daya di dalam material lebih tinggi daripada di permukaan, yang menyebabkan pelelehan dan penguapan yang lebih kuat, memungkinkan energi cahaya menembus lebih dalam ke dalam material. Oleh karena itu, dalam aplikasi praktis, defokus negatif digunakan ketika kedalaman leleh yang lebih besar diperlukan, sementara defokus positif lebih disukai untuk pengelasan material tipis.

1. Pengelasan Antar Lembaran

Ini mencakup empat metode proses: pengelasan pantat, pengelasan tepi, pengelasan peleburan penetrasi tengah, dan pengelasan peleburan perforasi tengah.

2. Pengelasan Antar Kabel

Ini mencakup empat metode proses: pengelasan ujung kawat ke kawat, pengelasan silang, pengelasan tumpang tindih paralel, dan pengelasan sambungan-T.

3. Pengelasan Kawat Logam ke Komponen Blok

Pengelasan laser dapat berhasil menyambungkan kabel logam ke komponen blok, dengan ukuran komponen blok yang fleksibel. Selama pengelasan, perhatian harus diberikan pada dimensi geometris komponen kabel.

4. Pengelasan Logam Berbeda

Pengelasan berbagai jenis logam melibatkan penanganan kemampuan las dan rentang parameter las. Pengelasan laser antara berbagai material hanya dapat dilakukan untuk kombinasi material tertentu.

Beberapa sambungan antar komponen tidak cocok untuk pengelasan fusi laser, tetapi dapat memanfaatkan penggunaan laser sebagai sumber panas untuk penyolderan lunak dan penyolderan keras, yang menawarkan keuntungan serupa dengan pengelasan fusi laser. Ada berbagai metode penyolderan, dengan penyolderan lunak laser terutama digunakan untuk menyolder papan sirkuit cetak, khususnya dalam perakitan komponen seperti lembaran. Dibandingkan dengan metode lain, penyolderan lunak laser menawarkan keuntungan berikut:

1. Pemanasan Lokal: Karena pemanasan terlokalisasi, komponen cenderung tidak mengalami kerusakan termal, dan zona yang terkena panas pun kecil. Hal ini memungkinkan penyolderan lunak di dekat komponen yang sensitif terhadap panas.

2. Pemanasan Non-Kontak: Dengan pemanasan nonkontak dan area peleburan yang luas, tidak diperlukan alat tambahan. Metode ini memungkinkan pemrosesan setelah komponen dipasang di kedua sisi papan sirkuit cetak dua sisi.

3. Pengulangan yang Stabil: Stabilitas operasi berulang tinggi. Fluks memiliki kontaminasi minimal pada alat las, dan waktu paparan laser serta daya keluaran mudah dikontrol, sehingga menghasilkan hasil solder laser yang tinggi.

4. Pemisahan Balok yang Mudah: Sinar laser dapat dengan mudah dibagi menggunakan komponen optik seperti cermin semi-transparan, reflektor, prisma, dan cermin pemindai, yang memungkinkan pengelasan simetris simultan di beberapa titik.

5. Fleksibilitas Panjang Gelombang: Penyolderan laser umumnya menggunakan laser dengan panjang gelombang 1,06 µm sebagai sumber panas, yang dapat disalurkan melalui serat optik. Hal ini memungkinkan pemrosesan di area yang sulit dilas menggunakan metode konvensional, sehingga menawarkan fleksibilitas yang lebih besar.

6. Kemampuan Fokus Yang Baik: Kemampuan pemfokusannya sangat baik, sehingga memudahkan pencapaian otomatisasi dengan perangkat multi-stasiun.

Proses Metalurgi dan Prinsip Teoritis

Proses metalurgi dan fisik pengelasan penetrasi dalam laser sangat mirip dengan pengelasan berkas elektron, di mana mekanisme konversi energi dicapai melalui struktur "lubang kecil". Di bawah penyinaran berkas dengan kepadatan daya yang cukup tinggi, material menguap membentuk lubang kecil. Lubang kecil berisi uap ini bertindak seperti benda hitam, menyerap hampir semua energi cahaya yang datang, dengan suhu kesetimbangan di dalam rongga mencapai sekitar 25,000 derajat Celsius. Panas dipindahkan dari dinding rongga bersuhu tinggi, menyebabkan logam di sekitarnya meleleh. Lubang kecil diisi dengan uap bersuhu tinggi yang dihasilkan dari penguapan berkelanjutan material dinding di bawah berkas. Dinding lubang kecil dikelilingi oleh logam cair, dan logam cair terbungkus oleh material padat. Aliran cairan di luar lubang dan tegangan permukaan lapisan dinding menyeimbangkan tekanan uap berkelanjutan di dalam rongga, menjaga keseimbangan dinamis. Berkas terus memasuki lubang kecil, dan material di luar lubang mengalir terus menerus. Saat berkas bergerak, lubang kecil tetap dalam keadaan aliran yang stabil. Dengan kata lain, lubang kecil dan logam cair di sekitarnya bergerak maju bersama balok utama, dengan logam cair mengisi celah yang ditinggalkan oleh lubang kecil tersebut dan selanjutnya memadat, sehingga terbentuklah lasan.

Faktor yang mempengaruhi

Faktor-faktor yang memengaruhi pengelasan penetrasi laser yang dalam meliputi: daya laser, diameter sinar laser, daya serap material, kecepatan pengelasan, gas pelindung, panjang fokus lensa, posisi titik fokus, posisi sinar laser, dan peningkatan serta penurunan daya laser secara bertahap di titik awal dan akhir pengelasan.

Karakteristik dan Keunggulan Pengelasan Penetrasi Dalam Laser

Karakteristik:

1.Rasio Kedalaman dan Lebar Tinggi: Logam cair terbentuk dan meluas di sekitar rongga uap suhu tinggi berbentuk silinder, menghasilkan pengelasan yang dalam dan sempit.

2. Masukan Panas Minimal: Karena suhu yang sangat tinggi di rongga sumber, proses peleburan terjadi sangat cepat, dengan masukan panas yang sangat rendah ke benda kerja, sehingga menghasilkan distorsi termal dan zona yang terkena panas minimal.

3.Kepadatan Tinggi: Lubang kecil yang diisi dengan uap bersuhu tinggi memudahkan pengadukan kolam cair dan keluarnya gas, sehingga menghasilkan las tanpa pori. Laju pendinginan yang tinggi setelah pengelasan juga membantu menyempurnakan struktur mikro las.

4. Lasan Kuat:Hasil lasan kuat dan tahan lama.

5. Kontrol Tepat:Proses ini memungkinkan kontrol yang akurat atas parameter pengelasan.

6.Proses Pengelasan Atmosfer Non-Kontak: Proses pengelasan tidak melibatkan kontak langsung dan terjadi di lingkungan atmosfer.

Keuntungan:

1.Kecepatan Pengelasan Tinggi dan Distorsi Minimal: Sinar laser terfokus memiliki kepadatan daya yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan metode konvensional, sehingga menghasilkan kecepatan pengelasan yang lebih cepat, zona yang terkena panas lebih kecil, dan distorsi yang lebih sedikit. Sinar laser ini juga memungkinkan pengelasan material yang sulit seperti titanium dan kuarsa.

2.Mengurangi Waktu Henti dan Meningkatkan Efisiensi: Kemudahan transmisi dan kontrol sinar, bersama dengan berkurangnya kebutuhan penggantian obor atau nosel secara berkala, secara signifikan mengurangi waktu henti untuk operasi tambahan, sehingga menghasilkan efisiensi dan produktivitas yang lebih tinggi.

3. Lasan Kuat dengan Kinerja Keseluruhan Tinggi: Efek pemurnian dan laju pendinginan yang tinggi menghasilkan pengelasan yang kuat dengan kinerja keseluruhan yang tinggi.

4. Presisi Tinggi dan Biaya Pengerjaan Ulang Lebih Rendah: Masukan panas yang rendah dan presisi pemrosesan yang tinggi mengurangi kebutuhan pengerjaan ulang, dan biaya operasional pengelasan laser relatif rendah, membantu menurunkan biaya produksi.

5. Kemudahan Otomatisasi:Proses ini memfasilitasi otomatisasi dengan kontrol yang efektif atas intensitas sinar dan posisi yang tepat.