لحام الليزر المعلمات العملية الرئيسية

1) قوة الليزر. هناك عتبة كثافة طاقة الليزر في اللحام بالليزر ، أدناه عمق الذوبان ضحل ، وبمجرد الوصول إلى هذه القيمة أو تجاوزها ، يزداد عمق الذوبان بشكل كبير. فقط عندما تتجاوز كثافة طاقة الليزر على قطعة العمل العتبة (المعتمدة على المواد) ، يتم إنشاء البلازما ، مما يمثل تثبيت لحام الانصهار العميق. إذا كانت قوة الليزر أقل من هذه العتبة ، فإن الشغل تخضع فقط لذوبان السطح ، أي عائدات اللحام في نوع نقل الحرارة مستقر. عندما تكون كثافة طاقة الليزر بالقرب من الحالة الحاسمة لتشكيل الثقب الصغير ، فإن اللحام بالانصهار العميق ولحام التوصيل بديل وتصبح عمليات لحام غير مستقرة ، مما يؤدي إلى تقلبات كبيرة في عمق الذوبان. في لحام الانصهار العميق بالليزر ، تتحكم طاقة الليزر في كل من عمق الاختراق وسرعة اللحام ، كما هو مبين في الشكل 1. يرتبط عمق اللحام للذوبان مباشرة بكثافة طاقة الشعاع وهي وظيفة من طاقة الحزمة الحزمة وبقعة محورية في الحزمة. بشكل عام ، بالنسبة لقطر معين من شعاع الليزر ، يزداد عمق الذوبان مع زيادة طاقة الحزمة.

2) بقعة محورية شعاع. يعد حجم بقعة الشعاع أحد أهم المتغيرات في اللحام بالليزر ، حيث يحدد كثافة الطاقة. ومع ذلك ، فإن قياسه يمثل تحديًا لليزر عالي الطاقة ، على الرغم من أن العديد من تقنيات القياس غير المباشرة متوفرة بالفعل.

يمكن حساب حجم بقعة حيود البؤرة من شعاع من نظرية حيود الضوء ، ولكن البقعة الفعلية أكبر من القيمة المحسوبة بسبب وجود انحراف تركيز العدسة. إن أبسط طريقة قياس حقيقية هي طريقة ملف تعريف متساوي الحرارة ، والتي تتمثل في قياس بقعة البؤرة وقطر الثقب بعد حرق واختراق لوحة البولي بروبيلين مع ورق سميك. يجب قياس هذه الطريقة عن طريق الممارسة ، وإتقان حجم قوة الليزر ووقت عمل الحزمة.

3) قيمة امتصاص المواد. يعتمد امتصاص الليزر بواسطة المادة على بعض الخصائص المهمة للمادة ، مثل معدل الامتصاص ، والانعكاس ، والتوصيل الحراري ، ودرجة حرارة الانصهار ، ودرجة حرارة التبخر ، وما إلى ذلك. أهم معدل الامتصاص.

تشمل العوامل التي تؤثر على معدل امتصاص المادة إلى شعاع الليزر جانبين: أولاً ، مقاومة المادة. بعد قياس معدل امتصاص السطح المصقول للمادة ، وجد أن معدل امتصاص المواد يتناسب مع الجذر التربيعي لمعامل المقاومة ، والذي بدوره يختلف مع درجة الحرارة ؛ ثانياً ، يكون لحالة السطح (أو النهاية) للمادة تأثير أكثر أهمية على معدل امتصاص الحزمة ، وبالتالي تأثير كبير على تأثير اللحام.

عادة ما يكون طول موجة إخراج الليزر CO2 10.6μm ، والسيراميك ، والزجاج ، والمطاط ، والبلاستيك وغيرها من غير المعادن على معدل امتصاصه في درجة حرارة الغرفة مرتفعة للغاية ، في حين أن المواد المعدنية في درجة حرارة الغرفة عند امتصاصها سيئة للغاية ، حتى يتم ذوبان المادة بمجرد ذوبانها أو حتى تبخيرها ، زادت امتصاصها بشكل حاد. استخدام طلاء السطح أو توليد السطح لطريقة فيلم أكسيد لتحسين امتصاص المادة إلى الشعاع فعال للغاية.

4) سرعة اللحام. سرعة اللحام لها تأثير كبير على عمق الذوبان ، وزيادة السرعة ستجعل عمق الذوبان الضحلة ، لكن السرعة منخفضة للغاية وستؤدي إلى ذوبان مفرط للمادة ، من خلال حلو العمل. لذلك ، فإن قوة ليزر معينة وسمك معين من مادة معينة لها نطاق مناسب من سرعة اللحام ، والتي يمكن الحصول على قيمة السرعة المقابلة عند الحد الأقصى لعمق الذوبان. يعطي الشكل 2 العلاقة بين سرعة اللحام وعمق الذوبان من 1018 الصلب.

5) الغاز الوقائي. غالبًا ما تستخدم عملية لحام الليزر غازًا خاملًا لحماية تجمع الذوبان ، عندما يتم لحام بعض المواد بغض النظر عن أكسدة السطح ، ثم لا تفكر أيضًا في الحماية ، ولكن بالنسبة لمعظم التطبيقات يتم استخدامها في كثير من الأحيان الهيليوم والأرجون والنيتروجين وغيرها من الغازات للحماية ، بحيث تكون قطعة الشغل من الأكسدة أثناء عملية اللحام.

لا يمكن تأين الهيليوم بسهولة (طاقة التأين مرتفعة) ، مما يسمح للليزر بالمرور وطاقة الحزمة للوصول إلى سطح قطعة العمل دون عوائق. إنه أكثر الغازات التدريع المستخدمة في اللحام بالليزر ، ولكنه أغلى ثمناً.

الأرجون أرخص وأكثر كثافة ، لذلك يحمي أفضل. ومع ذلك ، فإنه عرضة لتأين البلازما المعدنية عالية درجة الحرارة ، مما يؤدي إلى حماية جزء من الحزمة إلى قطعة العمل ، مما يقلل من قوة الليزر الفعالة للحام وكذلك إضعاف سرعة اللحام وعمق الذوبان. سطح الجزء الملحوم أكثر سلاسة مع حماية الأرجون من حماية الهيليوم.

النيتروجين هو أرخص غاز دري ، لكنه غير مناسب لبعض أنواع اللحام الفولاذ المقاوم للصدأ ، ويرجع ذلك أساسا إلى مشاكل معدنية ، مثل الامتصاص ، والتي تنتج في بعض الأحيان المسامية في منطقة اللفة.

الدور الثاني لاستخدام غاز التدريع هو حماية العدسة المركزة من تلوث البخار المعدني وخلل القطرات المنصهرة السائلة. هذا ضروري بشكل خاص في اللحام بالليزر عالي الطاقة ، حيث يصبح القذف قويًا جدًا.

تتمثل الوظيفة الثالثة في الغاز التدريبي في أنها فعالة في تشتت التدريع من التدريع من البلازما التي تنتجها اللحام بالليزر عالي الطاقة. يمتص البخار المعدني شعاع الليزر ويؤين في سحابة البلازما ، ويأين الغاز التدريع حول البخار المعدني أيضًا بالحرارة. في حالة وجود الكثير من البلازما ، يتم استهلاك شعاع الليزر من قبل البلازما إلى حد ما. إن وجود البلازما كطاقة ثانية على سطح العمل يجعل عمق الذوبان الضحل وسطح تجمع اللحام أوسع. يزداد معدل تعقيد الإلكترون عن طريق زيادة عدد الاصطدامات الإلكترونية في أيون وتصادمات ثلاثية الجسم المحايدة لتقليل كثافة الإلكترون في البلازما. كلما أخف وزنا ذرة محايدة ، زادت تردد الاصطدام ، كلما ارتفع معدل المركب ؛ من ناحية أخرى ، فقط طاقة التأين العالية للغاز التدريبي ، حتى لا تزيد من كثافة الإلكترون بسبب تأين الغاز نفسه.

كما يتضح من الجدول ، يختلف حجم سحابة البلازما مع الغاز الوقائي المستخدم ، مع أن الهيليوم هو الأصغر ، يليه النيتروجين ، والأكبر عند استخدام الأرجون. أكبر حجم البلازما ، وعمق الذوبان الضحلة. سبب هذا الاختلاف أولاً بسبب درجة مختلفة من تأين جزيئات الغاز وأيضًا بسبب الاختلاف في نشر بخار المعادن الناجم عن الكثافة المختلفة للغازات الواقية.

الهليوم هو الأقل تأينًا وأقل كثافة ، ويبدد بسرعة البخار المعدني الصاعد من بركة المعادن المنصهرة. لذلك ، فإن استخدام الهيليوم كغاز محامي يمكن أن يزيد من قمع البلازما ، مما يزيد من عمق الذوبان وتحسين سرعة اللحام ؛ ليس من السهل التسبب في مسامية بسبب وزنها الخفيف وقدرتها على الهروب. بالطبع ، من نتائج اللحام الفعلية لدينا ، فإن تأثير الحماية مع غاز الأرجون ليس سيئًا.

سحابة البلازما على عمق الذوبان في منطقة سرعة اللحام المنخفض هي الأكثر وضوحا. عندما تزداد سرعة اللحام ، سيتم إضعاف تأثيرها.

يتم طرد الغاز التدريع من خلال فتح الفوهة عند ضغط معين للوصول إلى سطح الشغل. الشكل الهيدروديناميكي للفوهة وحجم قطر المخرج أمر مهم للغاية. يجب أن يكون كبيرًا بما يكفي لدفع غاز التدريع الذي تم رشه لتغطية سطح اللحام ، ولكن من أجل حماية العدسة بشكل فعال ومنع تلوث البخار المعدني أو تلف المعادن للعدسة ، يجب أن يكون حجم الفوهة محدودًا أيضًا. يجب أيضًا التحكم في معدل التدفق ، وإلا فإن التدفق الصفحي في الغاز التدريجي يصبح مضطربًا ويتورط الغلاف الجوي في حمام السباحة المنصهر ، ويشكل المسامية في النهاية.

من أجل تحسين تأثير الحماية ، المتاح أيضًا طريقة للضرب الجانبية الإضافية ، أي من خلال فوهة قطر أصغر ستكون الغاز الواقي لزاوية معينة مباشرة في فتحة اللحام العميقة. لا يمنع الغاز التدريجي سحابة البلازما على سطح قطعة العمل فحسب ، بل يمارس أيضًا تأثيرًا على البلازما في الحفرة وتشكيل الثقب الصغير ، مما يزيد من عمق الانصهار والحصول على تماس لحام أعمق وأوسع مما يستحق. ومع ذلك ، تتطلب هذه الطريقة تحكمًا دقيقًا في حجم تدفق الغاز واتجاهه ، وإلا فإنه من السهل إنتاج الاضطرابات وتلف تجمع الذوبان ، مما يؤدي إلى استقرار عملية اللحام.

6) عدسة البعد البؤري. عادةً ما يستخدم اللحام لتركيز طريقة تقارب الليزر ، والاختيار العام من 63 ~ 254mm (2.5 '~ 10 ') الطول البؤري للعدسة. يتناسب حجم البقعة المركزة مع الطول البؤري ، كلما كان الطول البؤري أقصر ، كلما كان البقعة أصغر. لكن الطول البؤري يؤثر أيضًا على العمق البؤري ، أي أن العمق البؤري يزداد في وقت واحد مع الطول البؤري ، وبالتالي يمكن أن يحسن الطول البؤري القصير كثافة الطاقة ، ولكن بسبب العمق البؤري الصغير ، يجب الحفاظ على المسافة بين العدسة وقطعة الشغل بدقة ، ويجب أن يكون عمق الذوبان كبيرًا. نظرًا لتأثير الركض الناتج أثناء عملية اللحام ووضع الليزر ، فإن اللحام الفعلي باستخدام أقصر عمق التركيز أكثر طولًا بؤرخًا 126 مم (5 '). عندما يكون التماس كبيرًا أو يجب أن يتم اختيار التماس لحامه عن طريق زيادة حجم الإخراج). تأثير.

عندما تتجاوز طاقة الليزر 2 كيلو وات ، خاصة بالنسبة لشعاع ليزر CO2 10.6μm ، نظرًا لاستخدام المواد البصرية الخاصة لتشكيل النظام البصري ، من أجل تجنب خطر الأضرار البصرية لعدسة التركيز ، غالبًا ما تختار طريقة تركيز الانعكاس ، بشكل عام باستخدام المرآة النحاسية المصقولة. نظرًا للتبريد الفعال ، فغالبًا ما ينصح بتركيز شعاع الليزر عالي الطاقة.

7) موقف النقطة البؤرية. اللحام ، من أجل الحفاظ على كثافة الطاقة الكافية ، يكون وضع النقطة البؤرية أمرًا بالغ الأهمية. تؤثر التغييرات في موضع النقطة البؤرية بالنسبة لسطح الشغل بشكل مباشر على عرض اللحام وعمقه. يوضح الشكل 3 تأثير موضع النقطة البؤرية على عمق الذوبان وعرض التماس من 1018 الصلب. في معظم تطبيقات اللحام بالليزر ، يتم وضع النقطة البؤرية عادة حوالي 1/4 من العمق المطلوب للذوبان أسفل سطح الشغل.

8) موضع شعاع الليزر. عند لحام الليزر مواد مختلفة ، يتحكم موضع شعاع الليزر في الجودة النهائية للحام ، خاصة في حالة مفاصل بعقب أكثر حساسية لهذا المفاصل. على سبيل المثال ، عندما يتم لحام التروس الفولاذية المتصلب إلى براميل الفولاذ الطري ، فإن التحكم السليم في موضع شعاع الليزر سوف يسهل إنتاج لحام مع مكون منخفض الكربون في الغالب ، والذي يحتوي على مقاومة أفضل للكسر. في بعض التطبيقات ، تتطلب هندسة قطعة العمل التي سيتم لحامها أن يتم انحراف شعاع الليزر بزاوية. عندما تكون زاوية الانحراف بين محور الشعاع والمستوى المفصل في حدود 100 درجة ، فإن امتصاص طاقة الليزر بواسطة قطعة العمل لن يتأثر.

9) نقطة بدء اللحام والنقطة النهائية لارتفاع تدريجي قوة الليزر ، والتحكم في الانخفاض التدريجي. لحام الانصهار العميق بالليزر ، بغض النظر عن عمق اللحام ، توجد دائمًا ظاهرة الثقوب الصغيرة. عند إنهاء عملية اللحام ويتم إيقاف تشغيل مفتاح الطاقة ، ستظهر الحفرة في نهاية اللحام. بالإضافة إلى ذلك ، عندما تغطي طبقة اللحام بالليزر اللحام الأصلي ، سيكون هناك امتصاص مفرط لشعاع الليزر ، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة أو مسامية للحام.

من أجل منع الظواهر المذكورة أعلاه ، يمكن برمجة نقاط بدء الطاقة وبدء التوقف بحيث تصبح أوقات بدء الطاقة ووقفها قابلة للتعديل ، أي يتم زيادة طاقة البداية إلكترونيًا من الصفر إلى قيمة الطاقة المحددة في فترة زمنية قصيرة ويتم ضبط وقت اللحام ، وأخيراً يتم تقليل الطاقة تدريجياً من قوة المحددة إلى قيمة الصفر عند إنهاء الرمز.