Lasersvejsning vigtigste procesparametre

1) Laserkraft. Der er en laserenergitæthedstærskel ved lasersvejsning, under hvilken smeltedybden er lav, og når denne værdi er nået eller overskredet, øges smeltedybden betydeligt. Kun når lasereffekttætheden på emnet overstiger tærsklen (materialeafhængig), genereres plasma, hvilket markerer stabiliseringen af ​​dyb fusionssvejsning. Hvis lasereffekten er under denne tærskel, gennemgår emnet kun overfladesmeltning, dvs. svejsningen forløber i en stabil varmeoverførselstype. Når lasereffekttætheden er tæt på den kritiske tilstand med dannelse af små huller, veksler dyb smeltesvejsning og ledningssvejsning og bliver ustabile svejseprocesser, hvilket resulterer i store udsving i smeltedybden. Ved laser dyb fusionssvejsning styrer lasereffekten både penetrationsdybden og svejsehastigheden, som vist i figur 1. Svejsedybden af ​​smelten er direkte relateret til stråleeffekttætheden og er en funktion af den indfaldende stråleeffekt og strålebrændpunktet. Generelt, for en vis diameter af laserstrålen, øges smeltedybden, når stråleeffekten øges.

2) Stråle brændpunkt. Strålepunktstørrelsen er en af ​​de vigtigste variabler ved lasersvejsning, da den bestemmer effekttætheden. Dens måling er dog en udfordring for højeffektlasere, selvom mange indirekte måleteknikker allerede er tilgængelige.

Strålens fokale diffraktionsgrænsepunktstørrelse kan beregnes ud fra lysdiffraktionsteori, men den faktiske plet er større end den beregnede værdi på grund af tilstedeværelsen af ​​fokuseringslinseaberration. Den enkleste rigtige målemetode er den isotermiske profilmetode, som går ud på at måle brændpunktet og perforeringsdiameteren efter afbrænding og gennemtrængning af en polypropylenplade med tykt papir. Denne metode bør måles ved at øve sig ved at beherske størrelsen af ​​lasereffekten og tidspunktet for strålevirkningen.

3) Materialeabsorptionsværdi. Materialets absorption af laser afhænger af nogle vigtige egenskaber ved materialet, såsom absorptionshastighed, reflektivitet, termisk ledningsevne, smeltetemperatur, fordampningstemperatur osv. Den vigtigste er absorptionshastigheden.

Faktorer, der påvirker absorptionshastigheden af ​​materialet til laserstrålen, omfatter to aspekter: For det første materialets resistivitet. Efter måling af absorptionshastigheden af ​​den polerede overflade af materialet viser det sig, at materialets absorptionshastighed er proportional med kvadratroden af ​​modstandskoefficienten, som igen varierer med temperaturen; for det andet har materialets overfladetilstand (eller finish) en vigtigere effekt på stråleabsorptionshastigheden og har således en væsentlig effekt på svejseeffekten.

CO2 laser output bølgelængde er normalt 10,6μm, keramik, glas, gummi, plast og andre ikke-metaller på dens absorptionshastighed ved stuetemperatur er meget høj, mens metalmaterialer ved stuetemperatur på dens absorption er meget dårlig, indtil materialet en gang smeltet eller endda fordampet, dets absorption steg kraftigt. Brugen af ​​overfladebelægning eller overfladegenerering af oxidfilmmetode for at forbedre absorptionen af ​​materialet til strålen er meget effektiv.

4) svejsehastighed. Svejsehastighed har en stor indflydelse på dybden af ​​smelte, øge hastigheden vil gøre dybden af ​​smelte lavvandet, men hastigheden er for lav og vil føre til overdreven smeltning af materialet, emnet svejse igennem. Derfor har en vis laserstyrke og en vis tykkelse af et bestemt materiale et passende område af svejsehastighed, og hvor den tilsvarende hastighedsværdi kan opnås, når den maksimale smeltedybde. Figur 2 viser forholdet mellem svejsehastighed og smeltedybde af 1018 stål.

5) Beskyttelsesgas. Lasersvejsning proces ofte bruge inert gas til at beskytte smeltebassinet, når nogle materialer svejset uanset overflade oxidation, så heller ikke overveje beskyttelse, men for de fleste applikationer bruges ofte helium, argon, nitrogen og andre gasser til beskyttelse, således at emnet fra oxidation under svejseprocessen.

Helium ioniseres ikke let (ioniseringsenergien er høj), hvilket tillader laseren at passere igennem, og stråleenergien kan nå overfladen af ​​emnet uhindret. Det er den mest effektive beskyttelsesgas, der bruges til lasersvejsning, men er dyrere.

Argon er billigere og mere tæt, så det beskytter bedre. Det er dog modtageligt for højtemperatur-metalplasmaionisering, hvilket resulterer i at en del af strålen afskærmes til emnet, hvilket reducerer den effektive lasereffekt til svejsning og også forringer svejsehastigheden og smeltedybden. Overfladen af ​​den svejste del er glattere med argonbeskyttelse end med heliumbeskyttelse.

Nitrogen er den billigste beskyttelsesgas, men den er ikke egnet til nogle typer rustfri stålsvejsning, hovedsageligt på grund af metallurgiske problemer, såsom absorption, som nogle gange giver porøsitet i skødzonen.

Den anden rolle ved at bruge en beskyttelsesgas er at beskytte fokuslinsen mod forurening af metaldamp og sputtering af flydende smeltede dråber. Dette er især nødvendigt ved lasersvejsning med høj effekt, hvor udkastet bliver meget kraftigt.

En tredje funktion af beskyttelsesgassen er, at den er effektiv til at sprede plasmaafskærmningen frembragt ved lasersvejsning med høj effekt. Metaldampen absorberer laserstrålen og ioniserer til en plasmasky, og beskyttelsesgassen omkring metaldampen ioniseres også af varmen. Hvis der er for meget plasma til stede, forbruges laserstrålen til en vis grad af plasmaet. Tilstedeværelsen af ​​plasma som en anden energi på arbejdsfladen gør smeltedybden mindre og svejsebassinets overflade bredere. Hastigheden af ​​elektronkompleksdannelse øges ved at øge antallet af elektron-ion og neutral-atom tre-legeme kollisioner for at reducere elektrontætheden i plasmaet. Jo lettere det neutrale atom er, jo højere kollisionsfrekvens, jo højere er sammensætningshastigheden; på den anden side kun den høje ioniseringsenergi af beskyttelsesgassen, for ikke at øge elektrontætheden på grund af selve gassens ionisering.

Som det kan ses af tabellen, varierer plasmaskyens størrelse med den anvendte beskyttelsesgas, hvor helium er den mindste, efterfulgt af nitrogen, og den største, når der anvendes argon. Jo større plasmastørrelsen er, jo lavere er smeltedybden. Årsagen til denne forskel skyldes for det første den forskellige grad af ionisering af gasmolekylerne og også på grund af forskellen i diffusionen af ​​metaldampen forårsaget af de forskellige tætheder af beskyttelsesgasserne.

Helium er det mindst ioniserede og det mindst tætte, og det fjerner hurtigt den opstigende metaldamp fra det smeltede metalbassin. Derfor kan brugen af ​​helium som en beskyttelsesgas maksimere undertrykkelsen af ​​plasma og derved øge smeltedybden og forbedre svejsehastigheden; det er ikke let at forårsage porøsitet på grund af dets lette vægt og evne til at undslippe. Ud fra vores faktiske svejseresultater er effekten af ​​beskyttelse med argongas naturligvis ikke dårlig.

Plasmasky på smeltedybden i zonen med lav svejsehastighed er den mest oplagte. Når svejsehastigheden stiger, vil dens indflydelse blive svækket.

Beskyttelsesgassen udstødes gennem dyseåbningen ved et bestemt tryk for at nå arbejdsemnets overflade. Dysens hydrodynamiske form og størrelsen på udløbets diameter er meget vigtige. Den skal være stor nok til at drive den sprøjtede beskyttelsesgas til at dække svejseoverfladen, men for effektivt at beskytte linsen og forhindre metaldampforurening eller metalsprøjtskader på linsen, bør dysestørrelsen også begrænses. Strømningshastigheden bør også kontrolleres, ellers bliver den laminære strøm af beskyttelsesgas turbulent, og atmosfæren bliver involveret i den smeltede pool, hvilket til sidst danner porøsitet.

For at forbedre beskyttelseseffekten, også tilgængelig yderligere lateral blæsevej, det vil sige gennem en dyse med mindre diameter vil den beskyttende gas til en vis vinkel direkte ind i det dybe smeltede svejsehul. Beskyttelsesgassen undertrykker ikke kun plasmaskyen på overfladen af ​​emnet, men udøver også en indflydelse på plasmaet i hullet og dannelsen af ​​det lille hul, hvilket øger smeltedybden yderligere og opnår en dybere og bredere svejsesøm, end det er ønskeligt. Denne metode kræver dog præcis kontrol af gasstrømmens størrelse og retning, ellers er det let at producere turbulens og beskadige smeltebassinet, hvilket resulterer i, at svejseprocessen er svær at stabilisere.

6) Linsens brændvidde. Svejsning bruges normalt til at fokusere den måde, laserkonvergensen, det generelle valg af 63 ~ 254 mm (2,5 '~ 10') brændvidde af linsen. Fokuseret pletstørrelse er proportional med brændvidden, jo kortere brændvidden er, desto mindre er stedet. Men brændvidden påvirker også brændvidden, det vil sige, at brændvidden øges samtidig med brændvidden, så den korte brændvidde kan forbedre effekttætheden, men på grund af den lille brændvidde skal afstanden mellem linsen og emnet holdes nøjagtigt, og smeltedybden er ikke stor. På grund af påvirkningen af sprøjtet, der genereres under svejseprocessen og lasertilstanden, kan den faktiske svejsning med den korteste fokusdybde mere brændvidde 126 mm (5'). Når sømmen er stor, eller svejsesømmen skal øges ved at øge spotstørrelsen, kan en linse med en brændvidde på 254 mm (10') vælges, i hvilket tilfælde der kræves en højere lasereffekt for at opnå en lille smelteeffekt. hul effekt.

Når lasereffekten overstiger 2kW, især for 10,6μm CO2-laserstrålen, på grund af brugen af ​​specielle optiske materialer til at danne det optiske system, for at undgå risikoen for optisk skade på fokuslinsen, skal du ofte vælge refleksionsfokuseringsmetoden, generelt ved at bruge poleret kobberspejl til reflektoren. På grund af den effektive afkøling anbefales det ofte til højeffekt laserstrålefokusering.

7) brændpunktsposition. Svejsning, for at opretholde tilstrækkelig effekttæthed, er fokuspunktets position kritisk. Ændringer i fokuspunktets position i forhold til emnets overflade påvirker direkte svejsebredden og -dybden. Figur 3 viser effekten af ​​brændpunktspositionen på smeltedybden og sømbredden af ​​1018 stål. I de fleste lasersvejseapplikationer er brændpunktet typisk placeret ca. 1/4 af den ønskede smeltedybde under emnets overflade.

8) Laserstråleposition. Ved lasersvejsning af forskellige materialer styrer laserstrålepositionen den endelige kvalitet af svejsningen, især ved stødsamlinger, som er mere følsomme over for dette end overlapningssamlinger. For eksempel, når hærdede stålgear svejses til tromler af blødt stål, vil korrekt kontrol af laserstrålens position lette fremstillingen af ​​en svejsning med en overvejende lavt kulstofindhold, som har bedre modstand mod revner. I nogle applikationer kræver geometrien af ​​det emne, der skal svejses, at laserstrålen afbøjes i en vinkel. Når afbøjningsvinklen mellem stråleaksen og samlingsplanet er inden for 100 grader, vil absorptionen af ​​laserenergi af emnet ikke blive påvirket.

9) Svejsning start- og slutpunkt for lasereffekten gradvis stigning, gradvis nedgang kontrol. Laser dyb fusion svejsning, uanset dybden af ​​svejsningen, fænomenet med små huller eksisterer altid. Når svejseprocessen er afsluttet, og strømafbryderen er slukket, vil der dukke et krater op for enden af ​​svejsningen. Når lasersvejselaget dækker den originale svejsning, vil der desuden være overdreven absorption af laserstrålen, hvilket resulterer i overophedning eller porøsitet af svejsningen.

For at forhindre ovenstående fænomener kan effektstart- og stoppunkterne programmeres, så kraftstart- og stoptiderne bliver justerbare, dvs. starteffekten øges elektronisk fra nul til den indstillede effektværdi på kort tid og svejsetiden justeres, og til sidst reduceres effekten gradvist fra den indstillede effekt til nulværdien, når svejsningen afsluttes.