Glavni parametri procesa laserskog zavarivanja

1) Snaga lasera. Kod laserskog zavarivanja postoji prag gustine energije lasera, ispod kojeg je dubina taline plitka, a kada se ta vrijednost dostigne ili prekorači, dubina rastopa se značajno povećava. Tek kada gustina snage lasera na radnom komadu pređe prag (ovisno o materijalu), stvara se plazma, što označava stabilizaciju zavarivanja dubokom fuzijom. Ako je snaga lasera ispod ovog praga, radni komad se samo topi površinski, tj. zavarivanje se odvija stabilnim načinom prijenosa topline. Kada je gustina snage lasera blizu kritičnog stanja formiranja malih rupa, zavarivanje dubokim topljenjem i zavarivanje provodljivošću se izmjenjuju i postaju nestabilni procesi zavarivanja, što rezultira velikim fluktuacijama u dubini taline. Kod laserskog zavarivanja dubinskim topljenjem, snaga lasera kontrolira i dubinu penetracije i brzinu zavarivanja, kao što je prikazano na slici 1. Dubina zavarivanja taline direktno je povezana s gustinom snage snopa i funkcija je snage upadnog snopa i žarišne točke snopa. Općenito, za određeni promjer laserskog snopa, dubina taline se povećava kako se povećava snaga zraka.

2) Fokalna tačka snopa. Veličina tačke snopa je jedna od najvažnijih varijabli u laserskom zavarivanju, jer određuje gustinu snage. Međutim, njegovo mjerenje predstavlja izazov za lasere velike snage, iako su mnoge indirektne tehnike mjerenja već dostupne.

Veličina granične tačke žarišne difrakcije zraka može se izračunati iz teorije difrakcije svjetlosti, ali stvarna tačka je veća od izračunate vrijednosti zbog prisustva aberacije sočiva fokusiranja. Najjednostavnija stvarna metoda mjerenja je metoda izotermnog profila, koja se sastoji od mjerenja žarišne točke i promjera perforacije nakon spaljivanja i prodiranja u polipropilensku ploču debelim papirom. Ovu metodu treba mjeriti vježbom, savladavajući veličinu laserske snage i vrijeme djelovanja zraka.

3) Vrijednost apsorpcije materijala. Apsorpcija lasera od strane materijala zavisi od nekih važnih svojstava materijala, kao što su brzina apsorpcije, reflektivnost, toplotna provodljivost, temperatura topljenja, temperatura isparavanja, itd. Najvažnija je brzina apsorpcije.

Faktori koji utječu na brzinu apsorpcije materijala na laserski snop uključuju dva aspekta: prvo, otpornost materijala. Nakon mjerenja brzine apsorpcije polirane površine materijala, utvrđeno je da je brzina apsorpcije materijala proporcionalna kvadratnom korijenu koeficijenta otpornosti, koji zauzvrat varira s temperaturom; drugo, stanje površine (ili završna obrada) materijala ima važniji uticaj na brzinu apsorpcije snopa, čime ima značajan uticaj na efekat zavarivanja.

Izlazna talasna dužina CO2 lasera je obično 10,6 μm, keramika, staklo, guma, plastika i drugi nemetali na svojoj stopi apsorpcije na sobnoj temperaturi je vrlo visoka, dok je kod metalnih materijala na sobnoj temperaturi njegova apsorpcija vrlo loša, sve dok se materijal jednom ne otopi ili čak ispari, njegova apsorpcija se naglo poveća. Upotreba površinskog premaza ili površinskog stvaranja oksidnog filma metode za poboljšanje apsorpcije materijala na zraku je vrlo efikasna.

4) brzina zavarivanja. Brzina zavarivanja ima veliki uticaj na dubinu taline, povećanje brzine će učiniti dubinu taline plitkim, ali brzina je preniska i dovest će do prekomernog topljenja materijala, radni komad zavariva do kraja. Dakle, određena snaga lasera i određena debljina određenog materijala ima odgovarajući raspon brzine zavarivanja, iu kojem se odgovarajuća vrijednost brzine može dobiti pri maksimalnoj dubini taline. Slika 2 prikazuje odnos između brzine zavarivanja i dubine taljenja čelika 1018.

5) Zaštitni gas. U procesu laserskog zavarivanja često se koristi inertni plin za zaštitu bazena taline, kada se neki materijali zavaruju bez obzira na površinsku oksidaciju, tada također ne uzimaju u obzir zaštitu, ali se za većinu primjena često koriste helijum, argon, dušik i drugi plinovi za zaštitu, tako da radni predmet od oksidacije tokom procesa zavarivanja.

Helij se ne ionizira lako (energija jonizacije je velika), što omogućava laseru da prođe i da energija zraka neometano dopre do površine obratka. To je najefikasniji zaštitni gas koji se koristi u laserskom zavarivanju, ali je skuplji.

Argon je jeftiniji i gušći, pa bolje štiti. Međutim, podložan je visokotemperaturnoj metalnoj plazma jonizaciji, što rezultira zaštitom dijela snopa od radnog predmeta, smanjenjem efektivne snage lasera za zavarivanje i smanjenjem brzine zavarivanja i dubine rastopa. Površina zavarenog dijela je glatkija sa zaštitom argonom nego sa zaštitom od helija.

Dušik je najjeftiniji zaštitni plin, ali nije pogodan za neke vrste zavarivanja nehrđajućeg čelika, uglavnom zbog metalurških problema, kao što je apsorpcija, koja ponekad stvara poroznost u zoni preklopa.

Druga uloga korištenja zaštitnog plina je zaštita sočiva za fokusiranje od kontaminacije metalnim parama i raspršivanja tekućih rastopljenih kapljica. Ovo je posebno neophodno kod laserskog zavarivanja velike snage, gde izbacivanje postaje veoma moćno.

Treća funkcija zaštitnog gasa je da je efikasan u raspršivanju plazma zaštite proizvedene laserskim zavarivanjem velike snage. Metalna para apsorbuje laserski snop i jonizuje u oblak plazme, a zaštitni gas oko metalne pare se takođe jonizuje toplotom. Ako je prisutno previše plazme, laserska zraka se u određenoj mjeri troši od strane plazme. Prisustvo plazme kao druge energije na radnoj površini čini dubinu taline plićom, a površinu zavarenog bazena širom. Brzina kompleksiranja elektrona povećava se povećanjem broja sudara tri tijela elektron-jona i neutralnog atoma kako bi se smanjila gustoća elektrona u plazmi. Što je neutralni atom lakši, to je veća frekvencija sudara, veća je i brzina spoja; s druge strane, samo visoka energija ionizacije zaštitnog plina, kako se ne bi povećala gustoća elektrona zbog jonizacije samog plina.

Kao što se vidi iz tabele, veličina oblaka plazme varira u zavisnosti od zaštitnog gasa koji se koristi, pri čemu je helijum najmanji, zatim azot, a najveći kada se koristi argon. Što je plazma veća, dubina topljenja je manja. Razlog za ovu razliku je prvenstveno zbog različitog stepena jonizacije molekula gasa, a takođe i zbog razlike u difuziji metalne pare uzrokovane različitim gustinama zaštitnih gasova.

Helij je najmanje joniziran i najmanje gust, te brzo raspršuje diže metalnu paru iz bazena rastopljenog metala. Stoga, korištenje helijuma kao zaštitnog plina može maksimizirati supresiju plazme, čime se povećava dubina taline i poboljšava brzina zavarivanja; nije lako izazvati poroznost zbog njegove male težine i sposobnosti da pobjegne. Naravno, prema našim stvarnim rezultatima zavarivanja, učinak zaštite plinom argonom nije loš.

Oblak plazme na dubini taline u zoni male brzine zavarivanja je najočitiji. Kada se brzina zavarivanja poveća, njen uticaj će biti oslabljen.

Zaštitni plin se izbacuje kroz otvor mlaznice pod određenim pritiskom kako bi stigao do površine obratka. Hidrodinamički oblik mlaznice i veličina prečnika izlaza su veoma važni. Mora biti dovoljno velika da rasprši zaštitni plin da pokrije površinu zavarivanja, ali kako bi se učinkovito zaštitilo sočivo i spriječila kontaminacija metalnim parama ili oštećenje sočiva metalnim prskanjem, veličina mlaznice također treba biti ograničena. Brzinu protoka također treba kontrolirati, inače laminarni tok zaštitnog plina postaje turbulentan i atmosfera se uključuje u otopljeni bazen, na kraju stvarajući poroznost.

U cilju poboljšanja efekta zaštite, dostupan je i dodatni bočni način upuhivanja, odnosno kroz mlaznicu manjeg prečnika zaštitni gas će se pod određenim uglom direktno u duboku rastopljenu rupu za zavar. Zaštitni gas ne samo da potiskuje oblak plazme na površini obratka, već utiče i na plazmu u rupi i formiranje male rupe, dodatno povećavajući dubinu fuzije i dobijajući dublji i širi zavareni šav nego što je poželjno. Međutim, ova metoda zahtijeva preciznu kontrolu veličine i smjera protoka plina, inače je lako proizvesti turbulenciju i oštetiti bazen taline, što rezultira procesom zavarivanja teško stabilizirati.

6) Žižna daljina objektiva. Zavarivanje se obično koristi za fokusiranje na način laserske konvergencije, opći izbor od 63 ~ 254 mm (2,5 '~ 10') žarišne daljine sočiva. Veličina fokusirane tačke je proporcionalna žižnoj daljini, što je žižna daljina kraća, to je tačka manja. Ali žižna daljina također utječe na žižnu dubinu, odnosno žižna dubina se povećava istovremeno sa žarišnom daljinom, tako da kratka žižna daljina može poboljšati gustoću snage, ali zbog male žarišne dubine, udaljenost između sočiva i obratka mora se precizno održavati, a dubina topljenja nije velika. Zbog utjecaja prskanja koje nastaje tijekom procesa zavarivanja i laserskog načina rada, stvarno zavarivanje korištenjem najkraće dubine fokusa više žižne daljine 126 mm (5'). Kada je šav velik ili je potrebno povećati šav zavarivanja povećanjem veličine tačke, može se odabrati objektiv sa žarišnom daljinom od 254 mm (10') za postizanje veće izlazne snage (u kojem slučaju je potrebna veća izlazna snaga lasera) efekat topljenja malih rupa.

Kada snaga lasera prelazi 2kW, posebno za 10,6μm CO2 laserski snop, zbog upotrebe specijalnih optičkih materijala za formiranje optičkog sistema, kako bi se izbjegao rizik od optičkog oštećenja sočiva za fokusiranje, često birajte metodu fokusiranja refleksije, općenito koristeći polirano bakreno ogledalo za reflektor. Zbog efikasnog hlađenja, često se preporučuje za fokusiranje laserskog zraka velike snage.

7) pozicija fokusne tačke. Zavarivanje, da bi se održala dovoljna gustina snage, pozicija žarišne tačke je kritična. Promjene u položaju žarišne točke u odnosu na površinu obratka direktno utiču na širinu i dubinu zavara. Slika 3 prikazuje utjecaj položaja žarišne točke na dubinu taline i širinu šava čelika 1018. U većini primjena laserskog zavarivanja, žarište je tipično pozicionirano približno 1/4 željene dubine rastopa ispod površine obratka.

8) Položaj laserskog snopa. Kod laserskog zavarivanja različitih materijala, položaj laserskog snopa kontrolira konačnu kvalitetu vara, posebno u slučaju čeonih spojeva koji su na to osjetljiviji od preklopnih spojeva. Na primjer, kada se zupčanici od kaljenog čelika zavaruju na bubnjeve od mekog čelika, pravilna kontrola položaja laserskog snopa će olakšati proizvodnju zavarenog spoja s pretežno niskim sadržajem ugljika, koji ima bolju otpornost na pucanje. U nekim primenama, geometrija radnog komada koji se zavari zahteva da laserski snop bude odbijen pod uglom. Kada je ugao otklona između ose snopa i ravnine spoja unutar 100 stepeni, neće uticati na apsorpciju laserske energije od strane radnog komada.

9) Zavarivanje početna i krajnja tačka snage lasera postupni porast, postupna kontrola pada. Lasersko zavarivanje dubinskim topljenjem, bez obzira na dubinu vara, fenomen malih rupa uvijek postoji. Kada se proces zavarivanja završi i prekidač za napajanje isključi, na kraju zavara će se pojaviti krater. Osim toga, kada sloj laserskog zavarivanja pokrije originalni zavar, doći će do prekomjerne apsorpcije laserskog snopa, što će rezultirati pregrijavanjem ili poroznošću zavara.

Kako bi se spriječile gore navedene pojave, točke pokretanja i zaustavljanja snage mogu se programirati tako da vrijeme pokretanja i zaustavljanja snage postaje podesivo, tj. početna snaga se elektronski povećava od nule do zadane vrijednosti snage u kratkom vremenskom periodu i prilagođava vrijeme zavarivanja, a na kraju se snaga postepeno smanjuje sa zadate snage na nultu vrijednost kada se zavarivanje završi.