Laser svejsning Hovedprocesparametre

1) Laserkraft. Der er en laserenergitæthedsgrænse i lasersvejsning, under hvilken dybden af ​​smelte er lav, og når denne værdi er nået eller overskredet, øges dybden af ​​smelte væsentligt. Først når laserkrafttætheden på emnet overstiger tærsklen (materialafhængigt), genereres plasma, der markerer stabiliseringen af ​​dyb fusionsvejsning. Hvis laserkraften er under denne tærskel, gennemgår emnet kun overfladesmeltning, dvs. svejsningen fortsætter i en stabil varmeoverførselstype. Når laserkrafttætheden er nær den kritiske tilstand ved dannelse af små hul, dybe fusionssvejsning og ledningsvejsning alternativ og bliver ustabile svejsningsprocesser, hvilket resulterer i store udsving i smeltedybden. I laser dyb fusionsvejsning styrer laserkraften både dybden af ​​penetration og svejsehastigheden, som vist i figur 1. Svejse dybde af smelte er direkte relateret til strålestyretætheden og er en funktion af den indfaldende stråleffekt og bjælkefokalplads. Generelt, for en bestemt diameter af laserstrålen, øges smeltedybden, når strålekraften øges.

2) Strålefokalplads. Beam spotstørrelse er en af ​​de vigtigste variabler i lasersvejsning, da den bestemmer effekttætheden. Imidlertid er dens måling en udfordring for lasere med høj effekt, selvom mange indirekte måleteknikker allerede er tilgængelige.

Strålefokalediffraktionsbegrænsningsstørrelsen kan beregnes ud fra lysdiffraktionsteori, men det faktiske sted er større end den beregnede værdi på grund af tilstedeværelsen af ​​fokusering af linseafvigelse. Den enkleste reelle målemetode er den isotermiske profilmetode, som er at måle fokalplet og perforeringsdiameter efter forbrænding og gennemtrængning af en polypropylenplade med tykt papir. Denne metode skal måles ved praksis, der mestrer størrelsen på laserkraften og tidspunktet for bjælkehandlingen.

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

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

CO2-laserudgangsbølgelængde er normalt 10,6μm, keramik, glas, gummi, plast og andre ikke-metaler på dens absorptionshastighed ved stuetemperatur er meget høj, mens metalmaterialer ved stuetemperatur på dens absorption er meget dårlig, indtil materialet, der engang er smeltet eller endda fordampet, steg dets absorption skarpt. Brug af overfladebelægning eller overfladegenerering af oxidfilmmetode til forbedring af absorptionen af ​​materialet til bjælken er meget effektiv.

4) Svejsehastighed. Svejsningshastighed har en stor indflydelse på dybden af ​​smelte, øg hastigheden vil gøre dybden af ​​smelte lavt, men hastigheden er for lav og vil føre til overdreven smeltning af materialet, emnet svejses igennem. Derfor har en bestemt laserkraft og en bestemt tykkelse af et bestemt materiale et passende interval af svejsehastighed, og hvor den tilsvarende hastighedsværdi kan opnås, når den maksimale dybde af smelte. Figur 2 giver forholdet mellem svejsehastighed og smeltedybde på 1018 stål.

5) Beskyttelsesgas. Laser svejsningsproces bruger ofte inert gas til at beskytte smeltepuljen, når nogle materialer svejses uanset overfladeoxidation, så overvej også beskyttelse, men til de fleste anvendelser bruges ofte helium, argon, nitrogen og andre gasser til beskyttelse, så arbejdstykket fra oxidation under svejseprocessen.

Helium ioniseres ikke let (ioniseringsenergi er høj), hvilket gør det muligt for laseren at passere, og bjælkeenergien kan nå overfladen af ​​emnet uhindret. Det er den mest effektive afskærmningsgas, der bruges i lasersvejsning, men er dyrere.

Argon er billigere og mere tæt, så det beskytter bedre. Imidlertid er det modtageligt for metalplasma -ionisering med høj temperatur, hvilket resulterer i afskærmning af en del af strålen til emnet, hvilket reducerer den effektive laserkraft til svejsning og også forringer svejsningshastigheden og dybden af ​​smelten. Overfladen af ​​den svejste del er glattere med argonbeskyttelse end med heliumbeskyttelse.

Kvælstof er den billigste afskærmningsgas, men det er ikke egnet til nogle typer af rustfrit stål svejsning, hovedsageligt på grund af metallurgiske problemer, såsom absorption, der undertiden producerer porøsitet i skødzonen.

Den anden rolle ved at bruge en afskærmningsgas er at beskytte fokuseringslinsen mod metaldampforurening og sputtering af flydende smeltede dråber. Dette er især nødvendigt i svejsning med høj effekt, hvor ejecta bliver meget magtfulde.

En tredje funktion af afskærmningsgassen er, at den er effektiv til at sprede plasmaafskærmningen produceret af højeffektlaser svejsning. Metaldampen absorberer laserstrålen og ioniseres i en plasmaky, og afskærmningsgassen omkring metaldampen ioniseres også af varmen. Hvis der er for meget plasma til stede, forbruges laserstrålen af ​​plasmaet til en vis grad. Tilstedeværelsen af ​​plasma som en anden energi på arbejdsoverfladen gør dybden af ​​smelte lavere og svejsede pooloverfladen bredere. Hastigheden af ​​elektronkompleksation øges ved at øge antallet af elektron-ion og neutral-atom-tre-kropskollisioner for at reducere elektrondensiteten i plasmaet. Jo lettere det neutrale atom, jo ​​højere er kollisionsfrekvensen, jo højere er forbindelseshastigheden; På den anden side er det kun den høje ioniseringsenergi af afskærmningsgassen, for ikke at øge elektrondensiteten på grund af ioniseringen af ​​selve gassen.

Som det kan ses af tabellen, varierer plasmaskyens størrelse med den anvendte beskyttende gas, hvor helium er den mindste, efterfulgt af nitrogen, og den største, når argon bruges. Jo større plasmastørrelse er, jo lavere smelterdybden. 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 densiteter af de beskyttende gasser.

Helium er den mindst ioniserede og den mindst tætte, og den fordriver hurtigt den stigende metaldamp fra den smeltede metalpool. Derfor kan brugen af ​​helium som en afskærmningsgas maksimere undertrykkelsen af ​​plasma og derved øge dybden af ​​smelte og forbedre svejsningshastigheden; Det er ikke let at forårsage porøsitet på grund af dets lette vægt og evne til at flygte. Fra vores faktiske svejseresultater er naturligvis effekten af ​​beskyttelse med argongas ikke dårlig.

Plasmaky på dybden af ​​smelte i den lave svejsehastighedszone er den mest indlysende. Når svejsehastigheden øges, vil dens indflydelse blive svækket.

Afskærmningsgassen skubbes ud gennem dysens åbning ved et bestemt tryk for at nå emnet. Den hydrodynamiske form af dysen og størrelsen på udløbets diameter er meget vigtig. Det skal være stort nok til at drive den sprøjtede afskærmningsgas til at dække svejseoverfladen, men for effektivt at beskytte objektivet og forhindre kontaminering af metaldamp eller metalsprøjtskader på linsen, skal dysestørrelsen også være begrænset. Strømningshastigheden skal også kontrolleres, ellers bliver den laminære strøm af afskærmningsgas turbulent, og atmosfæren bliver involveret i den smeltede pool, hvilket til sidst danner porøsitet.

For at forbedre beskyttelseseffekten, også tilgængelig yderligere lateral blæser, det vil sige gennem en dyse i mindre diameter, vil den beskyttende gas til en bestemt vinkel direkte ind i det dybe smeltede svejsningshul. Afskærmningsgassen undertrykker ikke kun plasmakyen på overfladen af ​​emnet, men udøver også en indflydelse på plasmaet i hullet og dannelsen af ​​det lille hul, hvilket yderligere øger dybden af ​​fusion og opnåelse af en dybere og bredere svejsesøm end det er ønskeligt. Imidlertid kræver denne metode præcis kontrol af gasstrømningsstørrelse og retning, ellers er det let at producere turbulens og beskadige smeltepuljen, hvilket resulterer i svejseprocessen er vanskelig at stabilisere.

6) Objektivets brændvidde. Svejsning bruges normalt til at fokusere, hvordan laserkonvergensen, det generelle valg af 63 ~ 254 mm (2,5 '~ 10 ') brændvidde af linsen. Fokuseret spotstørrelse er proportional med brændvidden, jo kortere er brændvidden, jo mindre er stedet. Men brændvidden påvirker også brændvidde, det vil sige, at brændsdybden øges samtidig med brændvidden, så den korte brændvidde kan forbedre effekttætheden, men på grund af den lille fokusdybde skal afstanden mellem linsen og emnet være nøjagtigt opretholdes, og smeltedybden er ikke stor. På grund af påvirkningen af ​​den sprøjt, der blev genereret under svejseprocessen og lasertilstand, er den faktiske svejsning ved hjælp af den korteste dybdeskarphed mere brændvidde 126 mm (5 '). Når sømmen er stor, eller svejsesømmen skal øges ved at øge spotstørrelsen, kan en objektiv med en fokal længde på 254 mm (10 ') vælges, i hvilken sag en højere laser output power (power tæthed) er påkrævet en udgang til opnå Smelt lille huleffekt.

Når laserkraften overstiger 2 kW, især for 10,6 μm CO2 -laserstråle, på grund af brugen af ​​specielle optiske materialer til dannelse af det optiske system, for at undgå risikoen for optisk skade på fokuseringslinsen, vælger ofte reflektionsfokuseringsmetoden generelt ved hjælp af poleret kobberspejl for reflektoren. På grund af den effektive afkøling anbefales det ofte til laserstråle med høj effekt.

7) KOMPEL POINT POSITION. Svejsning, for at opretholde tilstrækkelig effekttæthed, er omdrejningspunktet kritisk. Ændringer i placeringen af ​​omdrejningspunktet i forhold til emnets overflade påvirker direkte svejsebredden og dybden. Figur 3 viser virkningen af ​​fokuspunktsposition på dybden af ​​smelte og sømbredde på 1018 stål. I de fleste lasersvejsningsapplikationer er omdrejningspunktet typisk placeret ca. 1/4 af den ønskede dybde af smelte under arbejdsemneoverfladen.

8) Laserstråleposition. Når laser svejser forskellige materialer, kontrollerer laserstrålepositionen den endelige kvalitet af svejsningen, især i tilfælde af rumpefuger, der er mere følsomme over for dette end skødfuger. For eksempel, når hærdede stål gear svejses til bløde ståltrommer, vil korrekt kontrol af laserstrålepositionen lette produktionen af ​​en svejsning med en overvejende lav kulstofkomponent, hvilket har bedre revnemodstand. I nogle applikationer kræver geometrien af ​​emnet, der skal svejses, laserstrålen afbøjes med en vinkel. Når afbøjningsvinklen mellem bjælkeaksen og det fælles plan er inden for 100 grader, påvirkes absorptionen af ​​laserenergi ved emnet ikke.

9) Svejsestart og slutpunkt for laserkraften gradvis stigning, gradvis nedgangskontrol. Laser dyb fusionsvejsning, uanset svejsens dybde, findes fænomenet med små huller altid. Når svejseprocessen afsluttes, og strømafbryderen er slukket, vises et krater i slutningen af ​​svejsningen. Når laser -svejselaget dækker den originale svejsning, vil der desuden være overdreven absorption af laserstrålen, hvilket resulterer i overophedning eller porøsitet af svejsningen.

For at forhindre ovennævnte fænomener kan effektstart og stoppunkter programmeres, så effektstart og stoptider bliver justerbare, dvs. startkraften øges elektronisk fra nul til den indstillede effektværdi i en kort periode, og svejsetiden justeres, og til sidst reduceres strømmen gradvist fra den indstillede effekt til nulværdien, når svejsningen er afsluttet.