Лазерно заваряване Основни параметри на процеса

1) Лазерна мощност. Има праг на лазерна енергийна плътност при лазерно заваряване, под който дълбочината на стопилката е плитка и след като тази стойност бъде достигната или надвишена, дълбочината на стопилката се увеличава значително. Само когато плътността на мощността на лазера върху детайла надвишава прага (зависим от материала), се генерира плазма, което бележи стабилизирането на дълбокото заваряване на синтез. Ако лазерната мощност е под този праг, детайлът претърпява само топене на повърхността, т.е. заваряването протича в стабилен тип пренос на топлина. Когато плътността на мощността на лазера е близо до критичното състояние на образуването на малки отвори, дълбокото заваряване на сливане и проводимостта се редуват и се превръщат в нестабилни заваръчни процеси, което води до големи колебания в дълбочината на стопилката. При лазерно дълбоко заваряване на сливането, лазерната мощност контролира както дълбочината на проникване, така и скоростта на заваряване, както е показано на фигура 1. Дълбочината на заваряване на стопилката е пряко свързана с плътността на мощността на лъча и е функция на мощността на падащия лъч и фокусното място на гредата. Като цяло, за определен диаметър на лазерния лъч дълбочината на стопилката се увеличава с увеличаване на мощността на лъча.

2) Фокално петно ​​на лъча. Размерът на петното на лъча е една от най -важните променливи в лазерното заваряване, тъй като определя плътността на мощността. Измерването му обаче е предизвикателство за лазерите с висока мощност, въпреки че вече са налични много техники за непряко измерване.

Размерът на петното на фокалната дифракция на лъча може да бъде изчислен от теорията на светлинната дифракция, но действителното място е по -голямо от изчислената стойност поради наличието на фокусираща аберация на лещата. Най -простият реален метод за измерване е методът на изотермичния профил, който е да се измери фокусното петно ​​и диаметъра на перфорация след изгаряне и проникване в полипропиленова плоча с дебела хартия. Този метод трябва да се измерва чрез практика, овладявайки размера на лазерната мощност и времето на действието на лъча.

3) Стойност на абсорбция на материали. Поглъщането на лазера от материала зависи от някои важни свойства на материала, като скорост на абсорбция, отразяваща способност, топлинна проводимост, температура на топене, температура на изпаряване и др. Най -важната е скоростта на абсорбция.

Факторите, влияещи върху скоростта на абсорбция на материала към лазерния лъч, включват два аспекта: първо, съпротивлението на материала. След измерване на скоростта на абсорбция на полираната повърхност на материала се установява, че скоростта на абсорбция на материала е пропорционална на квадратния корен на коефициента на съпротивление, което от своя страна варира в зависимост от температурата; Второ, повърхностното състояние (или завършек) на материала има по -важен ефект върху скоростта на абсорбция на лъча, като по този начин има значителен ефект върху ефекта на заваряване.

Дължината на вълната на лазерния изход на CO2 обикновено е 10,6 μm, керамика, стъкло, каучук, пластмаса и други неметали със скоростта на абсорбция при стайна температура е много висока, докато металните материали при стайна температура при абсорбцията му са много лоши, докато материалът веднъж се разтопи или дори изпарява, абсорбцията му се увеличава рязко. Използването на повърхностно покритие или повърхностно генериране на оксиден филмов метод за подобряване на абсорбцията на материала в лъча е много ефективно.

4) Скорост на заваряване. Скоростта на заваряване има голямо влияние върху дълбочината на стопилката, увеличаването на скоростта ще направи дълбочината на плитката плитка, но скоростта е твърде ниска и ще доведе до прекомерно топене на материала, заваръчването на детайла. Следователно, определена лазерна мощност и определена дебелина на определен материал имат подходящ обхват на скоростта на заваряване и в която съответната стойност на скоростта може да бъде получена при максималната дълбочина на стопилката. Фигура 2 дава връзката между скоростта на заваряване и дълбочината на стопилката от 1018 стомана.

5) Защитен газ. Процесът на лазерно заваряване често използва инертен газ, за ​​да защити басейна, когато някои материали са заварени независимо от повърхностното окисляване, след това също не обмислят защита, но за повечето приложения често се използват хелий, аргон, азот и други газове за защита, така че детайлът от окисляване по време на процеса на заваряване.

Хелият не е лесно йонизиран (енергията на йонизацията е висока), което позволява на лазера да преминава през и енергията на лъча да достигне повърхността на детайла безпрепятствено. Това е най -ефективният екраниращ газ, използван при лазерно заваряване, но е по -скъп.

Аргонът е по -евтин и по -гъст, така че предпазва по -добре. Въпреки това, той е податлив на високотемпературна метална плазмена йонизация, което води до екраниране на част от лъча към детайла, намалявайки ефективната лазерна мощност за заваряване и също нарушава скоростта на заваряване и дълбочината на стопилката. Повърхността на заварената част е по -гладка с аргонова защита, отколкото при защита на хелий.

Азотът е най -евтиният екраниращ газ, но не е подходящ за някои видове заваряване от неръждаема стомана, главно поради металургични проблеми, като абсорбция, които понякога произвеждат порьозност в зоната на обиколката.

Втората роля на използването на екраниращ газ е да се защити фокусиращата се леща от замърсяване с метални пари и разпръскване на течни разтопени капчици. Това е особено необходимо при лазерно заваряване с висока мощност, където изхвърлянето става много мощно.

Трета функция на екраниращия газ е, че той е ефективен при диспергиране на плазменото екраниране, произведено от лазерно заваряване с висока мощност. Металната пара абсорбира лазерния лъч и йонизира в плазмен облак, а екраниращият газ около металната пара също е йонизиран от топлината. Ако има твърде много плазма, лазерният лъч до известна степен се консумира от плазмата. Наличието на плазма като втора енергия на работната повърхност прави дълбочината на по -плитка и повърхността на заваръчния басейн. Скоростта на комплексиране на електрон се увеличава чрез увеличаване на броя на електронно-йонните и неутрални сблъсъци с три тела за намаляване на плътността на електрон в плазмата. Колкото по -лек е неутралният атом, толкова по -висока е честотата на сблъсък, толкова по -висока е скоростта на съединението; От друга страна, само високата йонизационна енергия на екраниращия газ, за ​​да не се увеличи плътността на електрон поради йонизацията на самия газ.

Както се вижда от таблицата, размерът на плазмения облак варира в зависимост от използвания защитен газ, като хелият е най -малкият, последван от азот и най -големият, когато се използва аргон. Колкото по -голям е плазменият размер, толкова по -плитка е дълбочината на топене. Причината за тази разлика е първо поради различната степен на йонизация на газовите молекули, а също така се дължи на разликата в дифузията на металната пара, причинена от различните плътности на защитните газове.

Хелият е най -малко йонизиран и най -малко гъст и бързо разсейва нарастващата метална пари от разтопения метален басейн. Следователно използването на хелий като екраниращ газ може да увеличи максимално потискането на плазмата, като по този начин увеличава дълбочината на стопилката и подобрява скоростта на заваряване; Не е лесно да се причини порьозност поради лекото му тегло и способността да избяга. Разбира се, от нашите действителни резултати от заваряване ефектът от защитата с аргонов газ не е лош.

Плазменият облак върху дълбочината на стопилката в зоната на ниската скорост на заваряване е най -очевидният. Когато скоростта на заваряване се увеличи, влиянието му ще бъде отслабено.

Закриващият газ се изхвърля през отвора на дюзата при определено налягане, за да се достигне до повърхността на детайла. Хидродинамичната форма на дюзата и размерът на диаметъра на изхода са много важни. Той трябва да е достатъчно голям, за да задвижва пръскания екраниращ газ, за ​​да покрие заваръчната повърхност, но за да се защити ефективно обектива и да се предотврати замърсяването с метални пари или увреждането на металните пръскане на обектива, размерът на дюзата също трябва да бъде ограничен. Дебитът също трябва да се контролира, в противен случай ламинарният поток на екраниращ газ става турбулентен и атмосферата се включва в разтопения пул, в крайна сметка образувайки порьозност.

За да се подобри ефектът на защитата, наличният допълнителен начин на странично издухване, тоест през по -малък диаметър накрайник ще бъде защитният газ до определен ъгъл директно в отвора на дълбоко разтопена заварка. Закриващият газ не само потиска плазмения облак върху повърхността на детайла, но също така оказва влияние върху плазмата в дупката и образуването на малкия отвор, като допълнително увеличава дълбочината на сливането и получава по -дълбок и по -широк заваръчен шев, отколкото е желателно. Този метод обаче изисква прецизен контрол на размера и посоката на потока на газа, в противен случай е лесно да се произведе турбулентност и да се повреди басейна на стопилката, което води до процеса на заваряване е трудно да се стабилизира.

6) Оценка на обектива. Заваряването обикновено се използва за фокусиране на начина, по който лазерната конвергенция, общият избор от 63 ~ 254 мм (2.5 '~ 10 ') фокусно разстояние на обектива. Фокусираният размер на петна е пропорционален на фокусното разстояние, колкото по -кратко е фокусното разстояние, толкова по -малко е мястото. Но фокусното разстояние влияе и на фокусната дълбочина, тоест фокусната дълбочина се увеличава едновременно с фокусното разстояние, така че краткото фокусно разстояние може да подобри плътността на мощността, но поради малката фокусна дълбочина, разстоянието между обектива и детайла трябва да се поддържа точно, а дълбочината на топене не е голяма. Due to the influence of the spatter generated during the welding process and the laser mode, the actual welding using the shortest depth of focus more focal length 126mm (5'). When the seam is large or the weld seam needs to be increased by increasing the spot size, a lens with a focal length of 254mm (10') can be selected, in which case a higher laser output power (power density) is required to achieve a deep melt small Ефект на дупката.

Когато лазерната мощност надвишава 2kW, особено за лазерния лъч на CO2 10.6 µm, поради използването на специални оптични материали за образуване на оптичната система, за да се избегне рискът от оптично увреждане на фокусиращата леща, често избирайте метода за фокусиране на отражението, като цяло, използвайки полирано медно огледало за рефлектора. Поради ефективното охлаждане често се препоръчва за фокусиране на лазерния лъч с висока мощност.

7) позиция на фокусната точка. Заваряване, за да се поддържа достатъчна плътност на мощността, позицията на фокусната точка е от решаващо значение. Промените в позицията на фокусната точка спрямо повърхността на детайла пряко влияят на ширината и дълбочината на заваряването. Фигура 3 показва ефекта на позицията на фокусната точка върху дълбочината на ширината на стопилката и шева от 1018 стомана. В повечето приложения за лазерно заваряване фокусната точка обикновено е разположена приблизително 1/4 от желаната дълбочина на стопилката под повърхността на детайла.

8) Позиция на лазерния лъч. Когато лазерното заваряване на различни материали, позицията на лазерния лъч контролира крайното качество на заваряването, особено в случай на задни фуги, които са по -чувствителни към това, отколкото на обиколките. Например, когато втвърдените стоманени зъбни колела са заварени до леки стоманени барабани, правилното управление на позицията на лазерния лъч ще улесни производството на заварка с предимно ниско въглероден компонент, който има по -добра устойчивост на пукнатина. В някои приложения геометрията на детайла, която трябва да бъде заварена, изисква лазерният лъч да бъде отклонен под ъгъл. Когато ъгълът на отклонение между оста на лъча и равнината на ставата е в рамките на 100 градуса, абсорбцията на лазерна енергия от детайла няма да бъде засегнато.

9) Заваряване Старт и крайна точка на лазерната мощност постепенно покачване, постепенно управление на спада. Лазерно дълбоко заваряване на синтез, независимо от дълбочината на заварката, феноменът на малките дупки винаги съществува. Когато процесът на заваряване бъде прекратен и превключвателят на захранването е изключен, в края на заваряването ще се появи кратер. В допълнение, когато лазерният заваръчен слой покрива оригиналната заварка, ще има прекомерна абсорбция на лазерния лъч, което ще доведе до прегряване или порьозност на заваряването.

За да се предотвратят горните явления, точките за стартиране и спиране на мощността могат да бъдат програмирани, така че времето за стартиране и спиране на захранването да стане регулируема, т.е. началната мощност се увеличава по електронен път от нула до зададената стойност на мощността за кратък период от време и времето за заваряване се регулира и накрая се прекратява.