Основни параметри на процеса на лазерно заваряване

1) Лазерна мощност. При лазерното заваряване има праг на плътност на лазерната енергия, 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 надвиши прага (в зависимост от материала), се генерира плазма, която бележи стабилизирането на заваряването чрез дълбоко топене. Ако мощността на лазера е под този праг, детайлът претърпява само повърхностно топене, т.е. заваряването протича по стабилен тип топлообмен. Когато плътността на мощността на лазера е близо до критичното състояние на образуване на малки дупки, заваряването с дълбок стоп и кондуктивното заваряване се редуват и стават нестабилни заваръчни процеси, което води до големи колебания в дълбочината на стопилката. При лазерно заваряване чрез дълбоко топене мощността на лазера 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 петно ​​на лъча. Като цяло, за определен диаметър на лазерния лъч, дълбочината на стопилката се увеличава с увеличаване на мощността на лъча.

2) Фокусно петно ​​на лъча. Размерът на петното на лъча е една от най-важните променливи при лазерното заваряване, тъй като определя плътността на мощността. Неговото измерване обаче е предизвикателство за високомощните лазери, въпреки че вече са налични много косвени техники за измерване.

Размерът на граничното петно ​​на фокалната дифракция на лъча може да се изчисли от теорията за дифракцията на светлината, но действителното петно ​​е по-голямо от изчислената стойност поради наличието на аберация на фокусиращата леща. Най-простият истински метод за измерване е методът на изотермичния профил, който се състои в измерване на фокусното петно ​​и диаметъра на перфорацията след изгаряне и проникване на полипропиленова плоча с дебела хартия. Този метод трябва да се измери с практика, като се усвои големината на лазерната мощност и времето на действие на лъча.

3) Стойност на абсорбцията на материала. Абсорбцията на лазера от материала зависи от някои важни свойства на материала, като степен на абсорбция, отразяваща способност, топлопроводимост, температура на топене, температура на изпарение и т.н. Най-важното е степента на абсорбция.

Факторите, влияещи върху степента на абсорбция на материала от лазерния лъч, включват два аспекта: първо, съпротивлението на материала. След измерване на степента на абсорбция на полираната повърхност на материала се установява, че скоростта на абсорбция на материала е пропорционална на корен квадратен от коефициента на съпротивление, който от своя страна варира в зависимост от температурата; второ, състоянието на повърхността (или покритието) на материала има по-важен ефект върху степента на абсорбция на лъча, като по този начин има значителен ефект върху ефекта на заваряване.

Изходната дължина на вълната на CO2 лазера обикновено е 10,6 μm, степента на абсорбция на керамика, стъкло, каучук, пластмаса и други неметали при стайна температура е много висока, докато абсорбцията на метални материали при стайна температура е много лоша, докато материалът след като се разтопи или дори изпари, абсорбцията му се увеличи рязко. Използването на метод на повърхностно покритие или повърхностно генериране на оксиден филм за подобряване на абсорбцията на материала от 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 стопилката плитка, но скоростта е твърде ниска и ще доведе до прекомерно топене на материала, чрез заваряване на детайла. Следователно, определена лазерна мощност и определена дебелина на конкретен материал има подходящ диапазон от скорост на заваряване и в който може да се получи съответната стойност на скоростта, когато максималната дълбочина на стопилка. Фигура 2 показва връзката между скоростта на заваряване и дълбочината на стопилката на стомана 1018.

5) Защитен газ. Процесът на лазерно заваряване често използва инертен газ за защита на стопилката, когато някои материали се заваряват независимо от повърхностното окисляване, тогава също не се взема предвид защитата, 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 се йонизира лесно (енергията на йонизация е висока), което позволява на лазера да премине и енергията на лъча да достигне безпрепятствено повърхността на детайла. Това е най-ефективният защитен газ, използван при лазерно заваряване, но е по-скъп.

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

Азотът е най-евтиният защитен газ, но не е подходящ за някои видове заваряване на неръждаема стомана, главно поради металургични проблеми, като абсорбция, която понякога създава порьозност в зоната на припокриване.

Втората роля на използването на защитен газ е да защити фокусиращата 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 защитния газ е, че той е ефективен при диспергирането на плазменото екраниране, произведено от лазерно заваряване с висока мощност. Металните пари абсорбират лазерния лъч и се йонизират в плазмен облак, а защитният газ около металните пари също се йонизира от топлината. Ако има твърде много плазма, лазерният лъч се поглъща до известна степен от плазмата. Наличието на плазма като втора енергия върху работната повърхност прави дълбочината на стопилката по-плитка и повърхността на заваръчната вана по-широка. Скоростта на електронно комплексообразуване се увеличава чрез увеличаване на броя на сблъсъци между електрон-йон и неутрален атом с три тела, за да се намали електронната плътност в плазмата. Колкото по-лек е неутралния атом, толкова по-висока е честотата на сблъсък, толкова по-висока е скоростта на съединението; от друга страна, само високата йонизационна енергия на защитния газ, за ​​да не се увеличи електронната плътност поради йонизацията на самия газ.

Както може да се види от таблицата, размерът на плазмения облак варира в зависимост от използвания защитен газ, като хелият е най-малък, следван от азот и най-голям, когато се използва аргон. Колкото по-голям е размерът на плазмата, толкова по-малка е дълбочината на топене. Причината за тази разлика се дължи на първо място на различната степен на йонизация на газовите молекули, а също и на разликата в дифузията на металните пари, причинена от различните плътности на защитните газове.

Хелият е най-малко йонизиран и с най-малка плътност и бързо разсейва издигащите се метални пари от басейна с разтопен метал. Следователно използването на хелий като защитен газ може да увеличи максимално потискането на плазмата, като по този начин увеличи дълбочината на стопилката и подобри скоростта на заваряване; не е лесно да се предизвика порьозност поради лекото му тегло и способността му да избяга. Разбира се, от нашите действителни резултати от заваряване, ефектът от защитата с газ аргон не е лош.

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

Защитният газ се изхвърля през отвора на дюзата при определено налягане, за да достигне повърхността на детайла. Хидродинамичната форма на дюзата и големината на диаметъра на изхода са много важни. Тя трябва да е достатъчно голяма, за да задейства разпръснатия защитен газ, за ​​да покрие заваръчната повърхност, но за да се защити ефективно лещата и да се предотврати замърсяване с метални пари или повреда на лещата от метални пръски, размерът на дюзата също трябва да бъде ограничен. Скоростта на потока също трябва да се контролира, в противен случай ламинарният поток от защитен газ става турбулентен и атмосферата се включва в разтопения басейн, като в крайна сметка образува порьозност.

За да се подобри защитният ефект, също е наличен допълнителен страничен начин за издухване, т.е. чрез дюза с по-малък диаметър ще бъде защитният газ под определен ъгъл директно в дълбокия разтопен заваръчен отвор. Защитният газ не само потиска плазмения облак на повърхността на детайла, но също така оказва влияние върху плазмата в отвора и образуването на малкия отвор, като допълнително увеличава дълбочината на топене и получава по-дълбок и по-широк заваръчен шев, отколкото е желателно. Въпреки това, този метод изисква прецизен контрол на размера и посоката на газовия поток, в противен случай е лесно да се предизвика турбуленция и да се повреди резервоарът от стопилка, което води до трудно стабилизиране на процеса на заваряване.

6) Фокусно разстояние на обектива. Заваряването обикновено се използва за фокусиране на начина, по който лазерната конвергенция, общият избор от 63 ~ 254 mm (2,5 '~ 10') фокусно разстояние на лещата. Размерът на фокусираното петно ​​е пропорционален на фокусното разстояние, колкото по-късо е фокусното разстояние, толкова по-малко е петното. Но фокусното разстояние също влияе върху фокусната дълбочина, т.е. фокусната дълбочина се увеличава едновременно с фокусното разстояние, така че късото фокусно разстояние може да подобри плътността на мощността, но поради малката фокусна дълбочина разстоянието между лещата и детайла трябва да се поддържа точно и дълбочината на топене не е голяма. Поради влиянието на пръскането, генерирано по време на процеса на заваряване и лазерния режим, действителното заваряване използва най-късата дълбочина на фокус повече от фокусно разстояние 126 mm (5'). Когато шевът е голям или заваръчният шев трябва да се увеличи чрез увеличаване на размера на петното, може да бъде избран обектив с фокусно разстояние от 254 mm (10'), в който случай е необходима по-висока изходна мощност на лазера (плътност на мощността) за постигане на дълбоко топене ефект на малка дупка.

Когато мощността на лазера надвишава 2 kW, особено за 10,6 μm CO2 лазерен лъч, поради използването на специални оптични материали за формиране на оптичната система, за да се избегне рискът от оптично увреждане на фокусиращата леща, често се избира методът за фокусиране на отражението, като обикновено се използва полирано медно огледало за рефлектор. Поради ефективното охлаждане, често се препоръчва за фокусиране на лазерен лъч с висока мощност.

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

8) Позиция на лазерния лъч. При лазерно заваряване на различни материали, позицията на лазерния лъч контролира крайното качество на заваръчния шев, особено в случай на челни съединения, които са по-чувствителни към това от препокриващите съединения. Например, когато зъбни колела от закалена стомана са заварени към барабани от мека стомана, правилният контрол на позицията на лазерния лъч ще улесни производството на заваръчен шев с преобладаващо нисковъглероден компонент, който има по-добра устойчивост на пукнатини. В някои приложения геометрията на детайла, който ще се заварява, изисква лазерният лъч да бъде отклонен под ъгъл. Когато ъгълът на отклонение между оста на лъча и равнината на съединението е в рамките на 100 градуса, абсорбцията на лазерна енергия от детайла няма да бъде засегната.

9) Начална и крайна точка на заваряване на постепенното нарастване на мощността на лазера, контрол на постепенното намаляване. Лазерно заваряване с дълбоко топене, независимо от дълбочината на заваръчния шев, феноменът на малки дупки винаги съществува. Когато процесът на заваряване бъде прекратен и превключвателят на захранването е изключен, в края на заваръчния шев ще се появи кратер. Освен това, когато слоят за лазерно заваряване покрива оригиналната заварка, ще има прекомерно поглъщане на лазерния лъч, което води до прегряване или порьозност на заварката.

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 мощността да стане регулируемо, т.е. стартовата 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 мощността постепенно се намалява от зададената мощност до нулевата стойност, когато заваряването се прекрати.