Lazer qaynaqının əsas prosesi parametrləri

1) Lazer gücü. Lazer qaynaqında lazer enerji sıxlığı həddi var, onun altında ərimə dərinliyi dayazdır və bu dəyərə çatdıqdan və ya keçdikdən sonra ərimə dərinliyi əhəmiyyətli dərəcədə artır. Yalnız iş parçasındakı lazer gücünün sıxlığı həddi aşdıqda (materialdan asılı olaraq), dərin qaynaq qaynağının sabitləşməsini göstərən plazma yaranır. Lazer gücü bu eşikdən aşağı olarsa, iş parçası yalnız səthi əriməyə məruz qalır, yəni qaynaq sabit istilik köçürmə növündə davam edir. Lazer gücünün sıxlığı kiçik çuxurların meydana gəlməsinin kritik vəziyyətinə yaxın olduqda, dərin ərimə qaynağı və keçirici qaynaq bir-birini əvəz edir və qeyri-sabit qaynaq prosesləri olur, nəticədə ərimə dərinliyində böyük dalğalanmalar olur. Lazer dərin qaynaq qaynaqında lazer gücü Şəkil 1-də göstərildiyi kimi həm nüfuz dərinliyinə, həm də qaynaq sürətinə nəzarət edir. Ərinmənin qaynaq dərinliyi birbaşa şüa gücünün sıxlığı ilə bağlıdır və gələn şüanın gücü və şüa fokus nöqtəsinin funksiyasıdır. Ümumiyyətlə, lazer şüasının müəyyən diametri üçün şüa gücü artdıqca ərimə dərinliyi artır.

2) Şüa fokus nöqtəsi. Şüa nöqtəsinin ölçüsü lazer qaynaqında ən vacib dəyişənlərdən biridir, çünki gücün sıxlığını təyin edir. Bununla belə, onun ölçülməsi yüksək güclü lazerlər üçün problemdir, baxmayaraq ki, bir çox dolayı ölçmə üsulları artıq mövcuddur.

Şüa fokus difraksiyasının həddi nöqtəsinin ölçüsü işıq difraksiya nəzəriyyəsindən hesablana bilər, lakin fokuslanan linza aberrasiyasının olması səbəbindən faktiki nöqtə hesablanmış dəyərdən böyükdür. Ən sadə real ölçmə üsulu izotermik profil üsuludur, qalın kağız ilə polipropilen plitəni yandırdıqdan və nüfuz etdikdən sonra fokus nöqtəsinin və perforasiya diametrinin ölçülməsidir. Bu üsul lazer gücünün ölçüsünü və şüa hərəkətinin vaxtını mənimsəməklə, təcrübə ilə ölçülməlidir.

3) Materialın udulma dəyəri. Lazerin material tərəfindən udulması materialın udma dərəcəsi, əks etdirmə qabiliyyəti, istilik keçiriciliyi, ərimə temperaturu, buxarlanma temperaturu və s. kimi bəzi vacib xüsusiyyətlərindən asılıdır. Ən vacibi udma dərəcəsidir.

Materialın lazer şüasına udulma sürətinə təsir edən amillərə iki aspekt daxildir: birincisi, materialın müqaviməti. Materialın cilalanmış səthinin udma dərəcəsini ölçdükdən sonra məlum olur ki, materialın udulma dərəcəsi müqavimət əmsalının kvadrat kökü ilə mütənasibdir və bu da öz növbəsində temperaturla dəyişir; ikincisi, materialın səthinin vəziyyəti (və ya bitməsi) şüanın udulma sürətinə daha əhəmiyyətli təsir göstərir, beləliklə qaynaq təsirinə əhəmiyyətli dərəcədə təsir göstərir.

CO2 lazer çıxış dalğa uzunluğu adətən 10.6μm, keramika, şüşə, rezin, plastik və digər qeyri-metallar otaq temperaturunda onun udma dərəcəsi çox yüksək, metal materiallar onun udma çox zəif, material bir dəfə əriyib və ya hətta buxarlanana qədər, onun udulması kəskin artdı. Materialın şüaya udulmasını yaxşılaşdırmaq üçün səth örtüyünün və ya oksid filminin səthinin yaradılması metodunun istifadəsi çox təsirli olur.

4) qaynaq sürəti. Qaynaq sürəti ərimə dərinliyinə böyük təsir göstərir, sürəti artırmaq ərimə dərinliyini dayaz edəcək, lakin sürət çox aşağıdır və materialın həddindən artıq əriməsinə səbəb olacaq, iş parçası qaynaqlanır. Buna görə də, müəyyən bir lazer gücü və müəyyən bir materialın müəyyən bir qalınlığı qaynaq sürətinin uyğun bir diapazonuna malikdir və ərimənin maksimum dərinliyi olduqda müvafiq sürət dəyəri əldə edilə bilər. Şəkil 2 qaynaq sürəti ilə 1018 poladın ərimə dərinliyi arasındakı əlaqəni verir.

5) Qoruyucu qaz. Lazer qaynaq prosesi tez-tez ərimə hovuzunu qorumaq üçün inert qazdan istifadə edir, səthi oksidləşmədən asılı olmayaraq qaynaqlanan bəzi materiallar, sonra da qorunmanı nəzərə almır, lakin əksər tətbiqlər üçün tez-tez qorunmaq üçün helium, arqon, azot və digər qazlar istifadə olunur ki, qaynaq prosesi zamanı iş parçası oksidləşmədən qorunsun.

Helium asanlıqla ionlaşmır (ionlaşma enerjisi yüksəkdir), lazerin keçməsinə və şüa enerjisinin maneəsiz olaraq iş parçasının səthinə çatmasına imkan verir. Lazer qaynaqında istifadə edilən ən təsirli qoruyucu qazdır, lakin daha bahalıdır.

Arqon daha ucuz və daha sıxdır, buna görə də daha yaxşı qoruyur. Bununla belə, yüksək temperaturda metal plazma ionlaşmasına həssasdır, bu da şüanın bir hissəsinin iş parçasına mühafizə olunmasına, qaynaq üçün effektiv lazer gücünün azalmasına və həmçinin qaynaq sürətinin və ərimə dərinliyinin pozulmasına səbəb olur. Qaynaqlanmış hissənin səthi helium mühafizəsi ilə müqayisədə arqon qorunması ilə daha hamardır.

Azot ən ucuz qoruyucu qazdır, lakin o, paslanmayan polad qaynaqının bəzi növləri üçün uyğun deyil, əsasən metalurgiya problemləri, məsələn, udma kimi bəzən dövrə zonasında gözeneklilik yaradır.

Qoruyucu qazdan istifadənin ikinci rolu fokuslama lensini metal buxarının çirklənməsindən və maye ərimiş damcıların püskürməsindən qorumaqdır. Bu, xüsusilə ejectanın çox güclü olduğu yüksək güclü lazer qaynaqında lazımdır.

Qoruyucu qazın üçüncü funksiyası yüksək güclü lazer qaynağı nəticəsində yaranan plazma qoruyucunun dağıdılmasında təsirli olmasıdır. Metal buxarı lazer şüasını udur və ionlaşaraq plazma buluduna çevrilir və metal buxarının ətrafındakı qoruyucu qaz da istiliklə ionlaşır. Həddindən artıq plazma varsa, lazer şüası müəyyən dərəcədə plazma tərəfindən istehlak edilir. İşçi səthdə ikinci enerji kimi plazmanın olması ərimə dərinliyini daha dayaz, qaynaq hovuzunun səthini isə daha geniş edir. Plazmada elektron sıxlığını azaltmaq üçün elektron-ion və neytral atom üç bədən toqquşmalarının sayını artırmaqla elektron kompleksləşmə sürəti artır. Neytral atom nə qədər yüngül olarsa, toqquşma tezliyi nə qədər yüksək olarsa, birləşmə sürəti bir o qədər yüksək olar; digər tərəfdən, qazın özünün ionlaşması səbəbindən elektron sıxlığını artırmamaq üçün qoruyucu qazın yalnız yüksək ionlaşma enerjisi.

Cədvəldən göründüyü kimi, plazma buludunun ölçüsü istifadə olunan qoruyucu qaza görə dəyişir, helium ən kiçik, azotdan sonra, arqon istifadə edildikdə isə ən böyükdür. Plazma ölçüsü nə qədər böyükdürsə, ərimə dərinliyi bir o qədər dayazdır. Bu fərqin səbəbi ilk növbədə qaz molekullarının ionlaşma dərəcəsinin müxtəlifliyi və həmçinin qoruyucu qazların müxtəlif sıxlıqlarının yaratdığı metal buxarının diffuziyasındakı fərqlə bağlıdır.

Helium ən az ionlaşmış və ən az sıxdır və ərimiş metal hovuzundan yüksələn metal buxarını tez bir zamanda aradan qaldırır. Buna görə də, heliumun qoruyucu qaz kimi istifadəsi plazmanın boğulmasını maksimum dərəcədə artıra bilər, bununla da ərimə dərinliyini artırır və qaynaq sürətini yaxşılaşdırır; yüngül çəkisi və qaçma qabiliyyətinə görə məsaməliliyə səbəb olmaq asan deyil. Təbii ki, faktiki qaynaq nəticələrimizdən arqon qazı ilə qorunmanın təsiri pis deyil.

Aşağı qaynaq sürəti zonasında ərimə dərinliyində plazma buludu ən barizdir. Qaynaq sürəti artdıqda onun təsiri zəifləyəcək.

Qoruyucu qaz, iş parçasının səthinə çatmaq üçün müəyyən bir təzyiqlə burun deşiyi vasitəsilə atılır. Başlığın hidrodinamik forması və çıxışın diametrinin ölçüsü çox vacibdir. Qaynaq səthini örtmək üçün püskürən qoruyucu qazı idarə etmək üçün kifayət qədər böyük olmalıdır, lakin linzanın effektiv qorunması və metal buxarının çirklənməsinin və ya linzaya metal sıçramasının qarşısını almaq üçün burun ölçüsü də məhdudlaşdırılmalıdır. Axın sürətinə də nəzarət edilməlidir, əks halda qoruyucu qazın laminar axını turbulent olur və atmosfer ərimiş hovuza daxil olur və nəticədə məsaməlik əmələ gəlir.

Qoruyucu effekti yaxşılaşdırmaq üçün əlavə yanal üfürmə yolu da mövcuddur, yəni daha kiçik diametrli nozzle vasitəsilə birbaşa dərin ərimiş qaynaq çuxuruna müəyyən bir açı ilə qoruyucu qaz olacaq. Qoruyucu qaz təkcə iş parçasının səthindəki plazma buludunu boğmur, həm də çuxurdakı plazmaya və kiçik dəliyin əmələ gəlməsinə təsir göstərir, birləşmənin dərinliyini daha da artırır və arzu olunandan daha dərin və daha geniş qaynaq tikişi əldə edir. Bununla belə, bu üsul qaz axınının ölçüsünə və istiqamətinə dəqiq nəzarət tələb edir, əks halda turbulentlik yaratmaq və ərimə hovuzunu zədələmək asandır, nəticədə qaynaq prosesini sabitləşdirmək çətindir.

6) Lensin fokus uzunluğu. Qaynaq adətən 63 ~ 254mm (2.5 '~ 10') fokus uzunluğu olan lensin ümumi seçimi olan lazer konvergensiyasına diqqət yetirmək üçün istifadə olunur. Fokuslanmış ləkə ölçüsü fokus uzunluğuna mütənasibdir, fokus uzunluğu nə qədər qısa olarsa, ləkə daha kiçikdir. Lakin fokus uzunluğu fokus dərinliyinə də təsir edir, yəni fokus dərinliyi fokus uzunluğu ilə eyni vaxtda artır, buna görə də qısa fokus uzunluğu güc sıxlığını yaxşılaşdıra bilər, lakin kiçik fokus dərinliyi səbəbindən lens və iş parçası arasındakı məsafə dəqiq saxlanılmalıdır və ərimə dərinliyi böyük deyil. Qaynaq prosesi və lazer rejimi zamanı yaranan sıçrayışın təsirinə görə, ən qısa fokus dərinliyindən istifadə edərək faktiki qaynaq daha çox fokus uzunluğu 126mm (5'). dərin ərimə kiçik deşik effektinə nail olmaq üçün.

Lazer gücü 2 kVt-dan çox olduqda, xüsusən də 10,6 μm CO2 lazer şüası üçün, optik sistemin formalaşdırılması üçün xüsusi optik materialların istifadəsi səbəbindən, fokuslanma obyektivinə optik zədələnmə riskinin qarşısını almaq üçün, ümumiyyətlə reflektor üçün cilalanmış mis güzgüdən istifadə edərək, tez-tez əks fokuslama metodunu seçin. Effektiv soyutma sayəsində tez-tez yüksək güclü lazer şüalarının fokuslanması üçün tövsiyə olunur.

7) fokus nöqtəsi mövqeyi. Qaynaq, kifayət qədər güc sıxlığını qorumaq üçün fokus nöqtəsinin mövqeyi vacibdir. İş parçasının səthinə nisbətən fokus nöqtəsinin mövqeyində dəyişikliklər qaynaq eni və dərinliyinə birbaşa təsir göstərir. Şəkil 3, fokus nöqtəsinin mövqeyinin ərimə dərinliyinə və 1018 poladın tikiş eninə təsirini göstərir. Əksər lazer qaynaq tətbiqlərində fokus nöqtəsi adətən iş parçasının səthinin altında istənilən ərimə dərinliyinin təxminən 1/4-i qədər yerləşdirilir.

8) Lazer şüasının mövqeyi. Müxtəlif materialları lazerlə qaynaq edərkən, lazer şüasının mövqeyi qaynağın son keyfiyyətinə nəzarət edir, xüsusən də dövrəli birləşmələrə nisbətən buna daha həssas olan quyruq birləşmələri vəziyyətində. Məsələn, bərkimiş polad dişlilər yumşaq polad barabanlara qaynaq edildikdə, lazer şüasının vəziyyətinin düzgün idarə edilməsi, əsasən aşağı karbon komponenti olan, daha yaxşı çatlama müqavimətinə malik olan qaynaq istehsalını asanlaşdıracaq. Bəzi tətbiqlərdə qaynaq ediləcək iş parçasının həndəsəsi lazer şüasının bir açı ilə əyilməsini tələb edir. Şüa oxu ilə birləşmə müstəvisi arasındakı əyilmə bucağı 100 dərəcə daxilində olduqda, iş parçası tərəfindən lazer enerjisinin udulmasına təsir göstərməyəcəkdir.

9) Qaynaq başlanğıc və son nöqtəsi lazer gücünün tədricən yüksəlməsi, tədricən azalmasına nəzarət. Lazer dərin qaynaq qaynağı, qaynağın dərinliyindən asılı olmayaraq, kiçik deşiklər fenomeni həmişə mövcuddur. Qaynaq prosesi dayandırıldıqda və güc açarı söndürüldükdə, qaynağın sonunda bir krater görünəcəkdir. Bundan əlavə, lazer qaynaq təbəqəsi orijinal qaynağı əhatə etdikdə, lazer şüasının həddindən artıq udulması baş verəcək, nəticədə qaynağın həddindən artıq istiləşməsi və ya gözenekliliği baş verəcəkdir.

Yuxarıda göstərilən hadisələrin qarşısını almaq üçün gücün başlanğıc və dayanma nöqtələri elə proqramlaşdırıla bilər ki, gücün başlanğıc və dayanma vaxtları tənzimlənə bilər, yəni başlanğıc gücü elektron şəkildə qısa müddət ərzində sıfırdan təyin edilmiş güc dəyərinə qədər artırılır və qaynaq vaxtı tənzimlənir və nəhayət, qaynaq dayandırıldıqda güc təyin edilmiş gücdən tədricən sıfır dəyərə endirilir.