Hlavní parametry procesu svařování laserem

1) Výkon laseru. Při laserovém svařování existuje práh hustoty energie laseru, pod nímž je hloubka taveniny mělká, a jakmile je tato hodnota dosažena nebo překročena, hloubka taveniny se podstatně zvyšuje. Teprve když hustota výkonu laseru na obrobku překročí práh (závislý na materiálu), generuje se plazma, která značí stabilizaci hlubokého tavného svařování. Pokud je výkon laseru pod touto hranicí, obrobek se pouze povrchově nataví, tj. svařování probíhá stabilním typem přenosu tepla. Když se hustota výkonu laseru blíží kritické podmínce tvorby malých otvorů, hluboké tavné svařování a kondukční svařování se střídají a stávají se nestabilními svařovacími procesy, což má za následek velké kolísání hloubky taveniny. Při laserovém hlubokém tavném svařování řídí výkon laseru jak hloubku průniku, tak rychlost svařování, jak je znázorněno na obrázku 1. Hloubka taveniny svařování přímo souvisí s hustotou výkonu paprsku a je funkcí výkonu dopadajícího paprsku a ohniska paprsku. Obecně platí, že pro určitý průměr laserového paprsku se hloubka taveniny zvyšuje se zvyšujícím se výkonem paprsku.

2) Ohnisko paprsku. Velikost bodu paprsku je jednou z nejdůležitějších proměnných při laserovém svařování, protože určuje hustotu výkonu. Jeho měření je však pro vysokovýkonné lasery výzvou, i když je již k dispozici mnoho technik nepřímého měření.

Mezní velikost bodu ohniskové difrakce paprsku lze vypočítat z teorie ohybu světla, ale skutečný bod je větší než vypočítaná hodnota kvůli přítomnosti aberace zaostřovací čočky. Nejjednodušší skutečnou metodou měření je metoda izotermického profilu, která spočívá v měření ohniska a průměru perforace po vypálení a proražení polypropylenové desky se silným papírem. Tato metoda by měla být změřena praxí, zvládnutím velikosti výkonu laseru a doby působení paprsku.

3) Hodnota absorpce materiálu. Absorpce laseru materiálem závisí na některých důležitých vlastnostech materiálu, jako je rychlost absorpce, odrazivost, tepelná vodivost, teplota tání, teplota vypařování atd. Nejdůležitější je rychlost absorpce.

Faktory ovlivňující rychlost absorpce materiálu laserovým paprskem zahrnují dva aspekty: za prvé měrný odpor materiálu. Po změření rychlosti absorpce leštěného povrchu materiálu bylo zjištěno, že rychlost absorpce materiálu je úměrná druhé odmocnině koeficientu měrného odporu, který se zase mění s teplotou; za druhé, povrchový stav (nebo konečná úprava) materiálu má důležitější vliv na míru absorpce paprsku, čímž má významný vliv na účinek svařování.

Výstupní vlnová délka CO2 laseru je obvykle 10,6 μm, keramika, sklo, pryž, plast a další nekovy na jeho absorpční rychlosti při pokojové teplotě je velmi vysoká, zatímco kovové materiály při pokojové teplotě na jeho absorpci je velmi špatná, dokud se materiál jednou roztaví nebo dokonce vypaří, jeho absorpce prudce vzrostla. Velmi účinné je použití povrchového potahování nebo povrchového generování metody oxidového filmu ke zlepšení absorpce materiálu paprskem.

4) rychlost svařování. Rychlost svařování má velký vliv na hloubku taveniny, zvýšení rychlosti způsobí, že hloubka taveniny bude mělká, ale rychlost je příliš nízká a povede k nadměrnému roztavení materiálu, obrobek se provaří. Proto určitý výkon laseru a určitá tloušťka konkrétního materiálu má vhodný rozsah rychlosti svařování a ve kterém lze získat odpovídající hodnotu rychlosti při maximální hloubce natavení. Obrázek 2 ukazuje vztah mezi rychlostí svařování a hloubkou roztavení oceli 1018.

5) Ochranný plyn. Proces laserového svařování často používá k ochraně tavné lázně inertní plyn, kdy se některé materiály svařují bez ohledu na povrchovou oxidaci, pak také neuvažujeme s ochranou, ale pro většinu aplikací se často používá helium, argon, dusík a další plyny pro ochranu, takže obrobek před oxidací během procesu svařování.

Helium není snadno ionizovatelné (ionizační energie je vysoká), což umožňuje průchod laseru a energii paprsku, aby se nerušeně dostala na povrch obrobku. Je to nejúčinnější ochranný plyn používaný při laserovém svařování, ale je dražší.

Argon je levnější a hustší, takže lépe chrání. Je však náchylný k vysokoteplotní ionizaci kovové plazmy, která má za následek odstínění části paprsku k obrobku, snížení efektivního výkonu laseru pro svařování a také zhoršení rychlosti svařování a hloubky tavení. Povrch svařovaného dílu je hladší s argonovou ochranou než s heliovou ochranou.

Dusík je nejlevnější ochranný plyn, ale není vhodný pro některé typy svařování nerezové oceli, zejména kvůli metalurgickým problémům, jako je absorpce, která někdy vytváří poréznost v oblasti překrytí.

Druhou úlohou použití ochranného plynu je chránit zaostřovací čočku před kontaminací kovovými parami a rozprašováním kapek roztavené kapaliny. To je zvláště nutné při vysokovýkonném laserovém svařování, kde se vyhazování stává velmi silným.

Třetí funkcí ochranného plynu je to, že je účinný při rozptylování plazmového stínění vytvořeného vysokovýkonným laserovým svařováním. Kovová pára absorbuje laserový paprsek a ionizuje do plazmového oblaku a ochranný plyn kolem kovových par je také ionizován teplem. Pokud je přítomno příliš mnoho plazmatu, laserový paprsek je do určité míry spotřebován plazmatem. Přítomnost plazmatu jako druhé energie na pracovním povrchu činí hloubku taveniny mělčí a povrch svarové lázně širší. Rychlost tvorby komplexů elektronů se zvyšuje zvýšením počtu srážek tří těles mezi elektrony a ionty a neutrálním atomem, aby se snížila hustota elektronů v plazmatu. Čím lehčí je neutrální atom, tím vyšší je srážková frekvence, tím vyšší je rychlost složení; na druhou stranu pouze vysoká ionizační energie ochranného plynu, aby nedošlo ke zvýšení elektronové hustoty vlivem ionizace samotného plynu.

Jak je vidět z tabulky, velikost plazmového oblaku se mění podle použitého ochranného plynu, přičemž nejmenší je helium, následuje dusík a největší je při použití argonu. Čím větší je velikost plazmatu, tím menší je hloubka tavení. Důvodem tohoto rozdílu je jednak rozdílný stupeň ionizace molekul plynu a také rozdíl v difúzi kovových par způsobený rozdílnými hustotami ochranných plynů.

Helium je nejméně ionizované a nejméně husté a rychle rozptyluje stoupající kovové páry z roztaveného kovu. Proto použití helia jako ochranného plynu může maximalizovat potlačení plazmatu, a tím zvýšit hloubku taveniny a zlepšit rychlost svařování; není snadné způsobit pórovitost kvůli jeho nízké hmotnosti a schopnosti unikat. Samozřejmě z našich skutečných výsledků svařování není účinek ochrany plynem argon špatný.

Nejzřetelnější je plazmový oblak na hloubce taveniny v zóně nízké rychlosti svařování. Když se rychlost svařování zvýší, jeho vliv bude oslaben.

Ochranný plyn je vystřikován otvorem trysky pod určitým tlakem, aby se dostal na povrch obrobku. Velmi důležitý je hydrodynamický tvar trysky a velikost průměru výstupu. Musí být dostatečně velká, aby poháněla rozstřikovaný ochranný plyn tak, aby pokryl svařovací povrch, ale aby byla čočka účinně chráněna a aby se zabránilo kontaminaci čočky kovovými párami nebo poškození čočky rozstřikem kovů, měla by být také omezena velikost trysky. Průtok by měl být také řízen, jinak se laminární proud ochranného plynu stane turbulentním a atmosféra se zapojí do roztavené lázně, případně vytvoří poréznost.

Pro zlepšení ochranného účinku je k dispozici také přídavná boční ofukovací cesta, to znamená, že přes trysku s menším průměrem bude ochranný plyn pod určitým úhlem přímo do hlubokého otvoru pro roztavený svar. Ochranný plyn nejen potlačuje plazmový oblak na povrchu obrobku, ale také ovlivňuje plazma v otvoru a vytváření malého otvoru, dále zvyšuje hloubku tavení a získává hlubší a širší svar, než je žádoucí. Tato metoda však vyžaduje přesné řízení velikosti a směru proudění plynu, jinak je snadné vytvářet turbulence a poškodit lázeň taveniny, což má za následek, že se svařovací proces obtížně stabilizuje.

6) Ohnisková vzdálenost objektivu. Svařování se obvykle používá k zaostření způsobem laserové konvergence, obecná volba ohniskové vzdálenosti 63 ~ 254 mm (2,5 '~ 10') čočky. Velikost zaostřeného bodu je úměrná ohniskové vzdálenosti, čím kratší ohnisková vzdálenost, tím menší bod. Ohnisková vzdálenost však také ovlivňuje hloubku ohniska, to znamená, že hloubka ohniska se zvyšuje současně s ohniskovou vzdáleností, takže krátká ohnisková vzdálenost může zlepšit hustotu výkonu, ale kvůli malé hloubce ohniska musí být vzdálenost mezi čočkou a obrobkem přesně udržována a hloubka tání není velká. Vlivem rozstřiku generovaného během procesu svařování a režimu laseru je skutečné svařování s použitím nejkratší hloubky ostrosti více ohnisková vzdálenost 126 mm (5'). Když je šev velký nebo je potřeba svar zvětšit zvětšením velikosti bodu, lze zvolit čočku s ohniskovou vzdáleností 254 mm (10'), v takovém případě je vyžadován vyšší výkon laseru k dosažení hustoty taveniny.

Když výkon laseru překročí 2 kW, zejména u 10,6μm CO2 laserového paprsku, kvůli použití speciálních optických materiálů k vytvoření optického systému, aby se zabránilo riziku optického poškození zaostřovací čočky, často volte metodu zaostření odrazem, obvykle pomocí leštěného měděného zrcadla pro reflektor. Vzhledem k účinnému chlazení je často doporučován pro vysoce výkonné ostření laserového paprsku.

7) poloha ohniska. Svařování, aby byla zachována dostatečná hustota výkonu, je kritická poloha ohniska. Změny polohy ohniska vzhledem k povrchu obrobku přímo ovlivňují šířku a hloubku svaru. Obrázek 3 ukazuje vliv polohy ohniska na hloubku tavení a šířku švu oceli 1018. Obr. Ve většině aplikací laserového svařování je ohnisko typicky umístěno přibližně 1/4 požadované hloubky taveniny pod povrchem obrobku.

8) Pozice laserového paprsku. Při laserovém svařování různých materiálů poloha laserového paprsku řídí konečnou kvalitu svaru, zejména v případě tupých spojů, které jsou na to citlivější než spoje přeplátované. Například, když jsou ozubená kola z tvrzené oceli přivařena k bubnům z měkké oceli, správná kontrola polohy laserového paprsku usnadní výrobu svaru s převážně nízkouhlíkovou složkou, která má lepší odolnost proti praskání. V některých aplikacích geometrie svařovaného obrobku vyžaduje, aby byl laserový paprsek vychýlen o určitý úhel. Když je úhel vychýlení mezi osou paprsku a rovinou spoje v rozmezí 100 stupňů, nebude absorpce laserové energie obrobkem ovlivněna.

9) Počáteční a koncový bod svařování postupný nárůst výkonu laseru, řízení postupného poklesu. Laserové hluboké tavné svařování, bez ohledu na hloubku svaru, fenomén malých otvorů vždy existuje. Když je proces svařování ukončen a vypínač je vypnutý, objeví se na konci svaru kráter. Navíc, když vrstva laserového svařování pokryje původní svar, dojde k nadměrné absorpci laserového paprsku, což má za následek přehřátí nebo poréznost svaru.

Aby se předešlo výše uvedeným jevům, lze body startu a zastavení výkonu naprogramovat tak, že časy startu a zastavení jsou nastavitelné, tj. startovací výkon se v krátké době elektronicky zvýší z nuly na nastavenou hodnotu výkonu a upraví se doba svařování a nakonec se výkon postupně snižuje z nastaveného výkonu na nulovou hodnotu, když je svařování ukončeno.