Παράμετροι κύριας διαδικασίας συγκόλλησης με λέιζερ

1) Ισχύς λέιζερ. Υπάρχει ένα κατώφλι ενεργειακής πυκνότητας λέιζερ στη συγκόλληση με λέιζερ, κάτω από το οποίο το βάθος τήγματος είναι μικρό, και μόλις επιτευχθεί ή ξεπεραστεί αυτή η τιμή, το βάθος τήγματος αυξάνεται σημαντικά. Μόνο όταν η πυκνότητα ισχύος λέιζερ στο τεμάχιο εργασίας υπερβαίνει το όριο (εξαρτάται από το υλικό), δημιουργείται πλάσμα, το οποίο σηματοδοτεί τη σταθεροποίηση της συγκόλλησης βαθιάς σύντηξης. Εάν η ισχύς του λέιζερ είναι κάτω από αυτό το όριο, το τεμάχιο εργασίας υφίσταται μόνο επιφανειακή τήξη, δηλαδή η συγκόλληση προχωρά σε σταθερό τύπο μεταφοράς θερμότητας. Όταν η πυκνότητα ισχύος λέιζερ είναι κοντά στην κρίσιμη κατάσταση του σχηματισμού μικρών οπών, η συγκόλληση με βαθιά σύντηξη και η συγκόλληση αγωγιμότητας εναλλάσσονται και γίνονται ασταθείς διαδικασίες συγκόλλησης, με αποτέλεσμα μεγάλες διακυμάνσεις στο βάθος τήξης. Στη συγκόλληση με λέιζερ βαθιάς σύντηξης, η ισχύς λέιζερ ελέγχει τόσο το βάθος διείσδυσης όσο και την ταχύτητα συγκόλλησης, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1. Το βάθος συγκόλλησης του τήγματος σχετίζεται άμεσα με την πυκνότητα ισχύος της δέσμης και είναι συνάρτηση της ισχύος της προσπίπτουσας δέσμης και του εστιακού σημείου της δέσμης. Γενικά, για μια ορισμένη διάμετρο της δέσμης λέιζερ, το βάθος τήξης αυξάνεται καθώς αυξάνεται η ισχύς της δέσμης.

2) Εστιακό σημείο δέσμης. Το μέγεθος κηλίδας δέσμης είναι μια από τις πιο σημαντικές μεταβλητές στη συγκόλληση με λέιζερ, καθώς καθορίζει την πυκνότητα ισχύος. Ωστόσο, η μέτρησή του είναι μια πρόκληση για λέιζερ υψηλής ισχύος, αν και πολλές τεχνικές έμμεσων μετρήσεων είναι ήδη διαθέσιμες.

Το μέγεθος κηλίδας ορίου εστιακής περίθλασης δέσμης μπορεί να υπολογιστεί από τη θεωρία περίθλασης φωτός, αλλά η πραγματική κηλίδα είναι μεγαλύτερη από την υπολογιζόμενη τιμή λόγω της παρουσίας εκτροπής του φακού εστίασης. Η απλούστερη πραγματική μέθοδος μέτρησης είναι η μέθοδος ισοθερμικού προφίλ, η οποία είναι η μέτρηση του εστιακού σημείου και της διαμέτρου διάτρησης μετά την καύση και τη διείσδυση μιας πλάκας πολυπροπυλενίου με χοντρό χαρτί. Αυτή η μέθοδος θα πρέπει να μετράται με εξάσκηση, κατακτώντας το μέγεθος της ισχύος λέιζερ και το χρόνο δράσης της δέσμης.

3) Αξία απορρόφησης υλικού. Η απορρόφηση του λέιζερ από το υλικό εξαρτάται από ορισμένες σημαντικές ιδιότητες του υλικού, όπως ο ρυθμός απορρόφησης, η ανακλαστικότητα, η θερμική αγωγιμότητα, η θερμοκρασία τήξης, η θερμοκρασία εξάτμισης κ.λπ. Η πιο σημαντική είναι ο ρυθμός απορρόφησης.

Οι παράγοντες που επηρεάζουν τον ρυθμό απορρόφησης του υλικού στην δέσμη λέιζερ περιλαμβάνουν δύο πτυχές: πρώτον, την ειδική αντίσταση του υλικού. Μετά τη μέτρηση του ρυθμού απορρόφησης της στιλβωμένης επιφάνειας του υλικού, διαπιστώθηκε ότι ο ρυθμός απορρόφησης του υλικού είναι ανάλογος με την τετραγωνική ρίζα του συντελεστή ειδικής αντίστασης, ο οποίος με τη σειρά του ποικίλλει ανάλογα με τη θερμοκρασία. Δεύτερον, η επιφανειακή κατάσταση (ή το φινίρισμα) του υλικού έχει πιο σημαντική επίδραση στον ρυθμό απορρόφησης της δοκού, έχοντας έτσι σημαντική επίδραση στο αποτέλεσμα της συγκόλλησης.

Το μήκος κύματος εξόδου λέιζερ CO2 είναι συνήθως 10,6μm, τα κεραμικά, το γυαλί, το καουτσούκ, το πλαστικό και άλλα μη μέταλλα στον ρυθμό απορρόφησής τους σε θερμοκρασία δωματίου είναι πολύ υψηλό, ενώ τα μεταλλικά υλικά σε θερμοκρασία δωματίου στην απορρόφησή τους είναι πολύ φτωχά, μέχρι να λιώσει ή ακόμα και να εξατμιστεί το υλικό, η απορρόφησή του αυξήθηκε απότομα. Η χρήση επιφανειακής επίστρωσης ή μεθόδου παραγωγής επιφανειακής μεμβράνης οξειδίου για τη βελτίωση της απορρόφησης του υλικού στη δοκό είναι πολύ αποτελεσματική.

4) ταχύτητα συγκόλλησης. Η ταχύτητα συγκόλλησης έχει μεγάλο αντίκτυπο στο βάθος του τήγματος, η αύξηση της ταχύτητας θα κάνει το βάθος του τήγματος ρηχό, αλλά η ταχύτητα είναι πολύ χαμηλή και θα οδηγήσει σε υπερβολική τήξη του υλικού, τη συγκόλληση του τεμαχίου εργασίας. Επομένως, μια ορισμένη ισχύς λέιζερ και ένα ορισμένο πάχος ενός συγκεκριμένου υλικού έχει ένα κατάλληλο εύρος ταχύτητας συγκόλλησης και στο οποίο η αντίστοιχη τιμή ταχύτητας μπορεί να ληφθεί όταν το μέγιστο βάθος τήξης. Το σχήμα 2 δίνει τη σχέση μεταξύ της ταχύτητας συγκόλλησης και του βάθους τήξης του χάλυβα 1018.

5) Προστατευτικό αέριο. Η διαδικασία συγκόλλησης με λέιζερ συχνά χρησιμοποιεί αδρανές αέριο για την προστασία της δεξαμενής τήγματος, όταν ορισμένα υλικά συγκολλούνται ανεξάρτητα από την οξείδωση της επιφάνειας, τότε επίσης δεν θεωρούν προστασία, αλλά για τις περισσότερες εφαρμογές χρησιμοποιείται συχνά ήλιο, αργό, άζωτο και άλλα αέρια για προστασία, έτσι ώστε το τεμάχιο εργασίας από την οξείδωση κατά τη διαδικασία συγκόλλησης.

Το ήλιο δεν ιονίζεται εύκολα (η ενέργεια ιονισμού είναι υψηλή), επιτρέποντας στο λέιζερ να περάσει και στην ενέργεια της δέσμης να φτάσει ανεμπόδιστα στην επιφάνεια του τεμαχίου εργασίας. Είναι το πιο αποτελεσματικό προστατευτικό αέριο που χρησιμοποιείται στη συγκόλληση με λέιζερ, αλλά είναι πιο ακριβό.

Το αργό είναι φθηνότερο και πιο πυκνό, επομένως προστατεύει καλύτερα. Ωστόσο, είναι ευαίσθητο σε ιονισμό μετάλλου πλάσματος υψηλής θερμοκρασίας, ο οποίος έχει ως αποτέλεσμα τη θωράκιση μέρους της δέσμης στο τεμάχιο εργασίας, μειώνοντας την αποτελεσματική ισχύ λέιζερ για τη συγκόλληση και επίσης μειώνοντας την ταχύτητα συγκόλλησης και το βάθος του τήγματος. Η επιφάνεια του συγκολλημένου τμήματος είναι πιο λεία με προστασία αργού παρά με προστασία ηλίου.

Το άζωτο είναι το φθηνότερο αέριο θωράκισης, αλλά δεν είναι κατάλληλο για ορισμένους τύπους συγκόλλησης ανοξείδωτου χάλυβα, κυρίως λόγω μεταλλουργικών προβλημάτων, όπως η απορρόφηση, η οποία μερικές φορές δημιουργεί πορώδες στη ζώνη περιτύλιξης.

Ο δεύτερος ρόλος της χρήσης ενός προστατευτικού αερίου είναι η προστασία του φακού εστίασης από μόλυνση μεταλλικών ατμών και εκτόξευση υγρών λιωμένων σταγονιδίων. Αυτό είναι ιδιαίτερα απαραίτητο στη συγκόλληση με λέιζερ υψηλής ισχύος, όπου η εκτίναξη γίνεται πολύ ισχυρή.

Μια τρίτη λειτουργία του προστατευτικού αερίου είναι ότι είναι αποτελεσματικό στη διασπορά της θωράκισης πλάσματος που παράγεται από τη συγκόλληση με λέιζερ υψηλής ισχύος. Ο μεταλλικός ατμός απορροφά τη δέσμη λέιζερ και ιονίζεται σε ένα σύννεφο πλάσματος και το προστατευτικό αέριο γύρω από τον ατμό μετάλλου ιονίζεται επίσης από τη θερμότητα. Εάν υπάρχει πάρα πολύ πλάσμα, η δέσμη λέιζερ καταναλώνεται από το πλάσμα σε κάποιο βαθμό. Η παρουσία του πλάσματος ως δεύτερης ενέργειας στην επιφάνεια εργασίας καθιστά το βάθος του τήγματος μικρότερο και την επιφάνεια της δεξαμενής συγκόλλησης ευρύτερη. Ο ρυθμός συμπλοκοποίησης ηλεκτρονίων αυξάνεται αυξάνοντας τον αριθμό των συγκρούσεων τριών σωμάτων ηλεκτρονίων-ιόντων και ουδέτερου ατόμου για μείωση της πυκνότητας ηλεκτρονίων στο πλάσμα. Όσο πιο ελαφρύ είναι το ουδέτερο άτομο, τόσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα σύγκρουσης, τόσο υψηλότερος είναι ο ρυθμός ένωσης. από την άλλη, μόνο η υψηλή ενέργεια ιοντισμού του προστατευτικού αερίου, ώστε να μην αυξηθεί η πυκνότητα των ηλεκτρονίων λόγω του ιονισμού του ίδιου του αερίου.

Όπως φαίνεται από τον πίνακα, το μέγεθος του νέφους του πλάσματος ποικίλλει ανάλογα με το προστατευτικό αέριο που χρησιμοποιείται, με το ήλιο να είναι το μικρότερο, ακολουθούμενο από το άζωτο και το μεγαλύτερο όταν χρησιμοποιείται αργό. Όσο μεγαλύτερο είναι το μέγεθος του πλάσματος, τόσο μικρότερο είναι το βάθος τήξης. Ο λόγος αυτής της διαφοράς οφείλεται αρχικά στον διαφορετικό βαθμό ιονισμού των μορίων του αερίου και επίσης στη διαφορά στη διάχυση των μεταλλικών ατμών που προκαλείται από τις διαφορετικές πυκνότητες των προστατευτικών αερίων.

Το ήλιο είναι το λιγότερο ιονισμένο και το λιγότερο πυκνό και διώχνει γρήγορα τον ανερχόμενο ατμό μετάλλου από τη δεξαμενή λιωμένου μετάλλου. Επομένως, η χρήση ηλίου ως προστατευτικού αερίου μπορεί να μεγιστοποιήσει την καταστολή του πλάσματος, αυξάνοντας έτσι το βάθος τήξης και βελτιώνοντας την ταχύτητα συγκόλλησης. δεν είναι εύκολο να προκληθεί πορώδες λόγω του μικρού βάρους και της ικανότητάς του να διαφεύγει. Φυσικά, από τα πραγματικά μας αποτελέσματα συγκόλλησης, η επίδραση της προστασίας με αέριο αργό δεν είναι κακή.

Το νέφος πλάσματος στο βάθος του τήγματος στη ζώνη χαμηλής ταχύτητας συγκόλλησης είναι το πιο προφανές. Όταν η ταχύτητα συγκόλλησης αυξάνεται, η επιρροή της θα εξασθενήσει.

Το προστατευτικό αέριο εκτοξεύεται μέσω του ανοίγματος του ακροφυσίου σε μια ορισμένη πίεση για να φτάσει στην επιφάνεια του τεμαχίου εργασίας. Το υδροδυναμικό σχήμα του ακροφυσίου και το μέγεθος της διαμέτρου της εξόδου είναι πολύ σημαντικά. Πρέπει να είναι αρκετά μεγάλο ώστε να οδηγεί το ψεκαζόμενο προστατευτικό αέριο για να καλύψει την επιφάνεια συγκόλλησης, αλλά για να προστατεύεται αποτελεσματικά ο φακός και να αποφευχθεί η μόλυνση με μεταλλικούς ατμούς ή η ζημιά από πιτσίλισμα μετάλλου στον φακό, το μέγεθος του ακροφυσίου θα πρέπει επίσης να είναι περιορισμένο. Ο ρυθμός ροής θα πρέπει επίσης να ελέγχεται, διαφορετικά η στρωτή ροή του προστατευτικού αερίου γίνεται τυρβώδης και η ατμόσφαιρα εμπλέκεται στη λιωμένη λίμνη, σχηματίζοντας τελικά πορώδες.

Προκειμένου να βελτιωθεί το αποτέλεσμα προστασίας, διατίθεται επίσης πρόσθετος πλευρικός τρόπος εμφύσησης, δηλαδή, μέσω ενός ακροφυσίου μικρότερης διαμέτρου θα βρίσκεται το προστατευτικό αέριο σε μια ορισμένη γωνία απευθείας στη βαθιά λειωμένη οπή συγκόλλησης. Το προστατευτικό αέριο όχι μόνο καταστέλλει το σύννεφο πλάσματος στην επιφάνεια του τεμαχίου εργασίας, αλλά επίσης ασκεί επίδραση στο πλάσμα στην οπή και στο σχηματισμό της μικρής οπής, αυξάνοντας περαιτέρω το βάθος της σύντηξης και αποκτώντας μια βαθύτερη και ευρύτερη ραφή συγκόλλησης από την επιθυμητή. Ωστόσο, αυτή η μέθοδος απαιτεί ακριβή έλεγχο του μεγέθους και της κατεύθυνσης της ροής του αερίου, διαφορετικά είναι εύκολο να δημιουργηθούν αναταράξεις και να καταστραφεί η δεξαμενή τήγματος, με αποτέλεσμα η διαδικασία συγκόλλησης να είναι δύσκολο να σταθεροποιηθεί.

6) Εστιακή απόσταση φακού. Η συγκόλληση χρησιμοποιείται συνήθως για την εστίαση στον τρόπο σύγκλισης του λέιζερ, η γενική επιλογή των 63 ~ 254 mm (2,5 '~ 10') εστιακού μήκους του φακού. Το μέγεθος του εστιασμένου σημείου είναι ανάλογο με την εστιακή απόσταση, όσο μικρότερη είναι η εστιακή απόσταση, τόσο μικρότερο είναι το σημείο. Αλλά η εστιακή απόσταση επηρεάζει επίσης το εστιακό βάθος, δηλαδή το εστιακό βάθος αυξάνεται ταυτόχρονα με την εστιακή απόσταση, επομένως η μικρή εστιακή απόσταση μπορεί να βελτιώσει την πυκνότητα ισχύος, αλλά λόγω του μικρού εστιακού βάθους, η απόσταση μεταξύ του φακού και του τεμαχίου εργασίας πρέπει να διατηρείται με ακρίβεια και το βάθος τήξης δεν είναι μεγάλο. Λόγω της επίδρασης του πιτσιλίσματος που δημιουργείται κατά τη διαδικασία συγκόλλησης και τη λειτουργία λέιζερ, η πραγματική συγκόλληση χρησιμοποιώντας το μικρότερο βάθος εστίασης μεγαλύτερη εστιακή απόσταση 126mm (5'). απαιτείται για την επίτευξη ενός εφέ μικρής οπής βαθιάς τήξης.

Όταν η ισχύς του λέιζερ υπερβαίνει τα 2 kW, ειδικά για τη δέσμη λέιζερ 10,6μm CO2, λόγω της χρήσης ειδικών οπτικών υλικών για τη διαμόρφωση του οπτικού συστήματος, προκειμένου να αποφευχθεί ο κίνδυνος οπτικής βλάβης στον φακό εστίασης, επιλέγετε συχνά τη μέθοδο εστίασης ανάκλασης, γενικά χρησιμοποιώντας γυαλισμένο χάλκινο κάτοπτρο για τον ανακλαστήρα. Λόγω της αποτελεσματικής ψύξης, συνιστάται συχνά για εστίαση δέσμης λέιζερ υψηλής ισχύος.

7) θέση εστίασης. Η συγκόλληση, προκειμένου να διατηρηθεί επαρκής πυκνότητα ισχύος, η θέση του εστιακού σημείου είναι κρίσιμη. Οι αλλαγές στη θέση του εστιακού σημείου σε σχέση με την επιφάνεια του τεμαχίου εργασίας επηρεάζουν άμεσα το πλάτος και το βάθος της συγκόλλησης. Το σχήμα 3 δείχνει την επίδραση της θέσης του εστιακού σημείου στο βάθος του τήγματος και στο πλάτος της ραφής του χάλυβα 1018. Στις περισσότερες εφαρμογές συγκόλλησης με λέιζερ, το εστιακό σημείο είναι τυπικά τοποθετημένο περίπου στο 1/4 του επιθυμητού βάθους τήγματος κάτω από την επιφάνεια του τεμαχίου εργασίας.

8) Θέση δέσμης λέιζερ. Κατά τη συγκόλληση με λέιζερ διαφορετικών υλικών, η θέση της δέσμης λέιζερ ελέγχει την τελική ποιότητα της συγκόλλησης, ειδικά στην περίπτωση των άκρων αρμών που είναι πιο ευαίσθητες σε αυτό από τις αρθρώσεις περιτύλιξης. Για παράδειγμα, όταν τα γρανάζια από σκληρυμένο χάλυβα συγκολλούνται σε τύμπανα από μαλακό χάλυβα, ο σωστός έλεγχος της θέσης της δέσμης λέιζερ θα διευκολύνει την παραγωγή μιας συγκόλλησης με ένα κυρίως συστατικό χαμηλών εκπομπών άνθρακα, το οποίο έχει καλύτερη αντίσταση στη ρωγμή. Σε ορισμένες εφαρμογές, η γεωμετρία του προς συγκόλληση τεμαχίου απαιτεί την εκτροπή της δέσμης λέιζερ κατά γωνία. Όταν η γωνία εκτροπής μεταξύ του άξονα της δέσμης και του επιπέδου άρθρωσης είναι εντός 100 μοιρών, η απορρόφηση της ενέργειας λέιζερ από το τεμάχιο εργασίας δεν θα επηρεαστεί.

9) Το σημείο έναρξης και λήξης συγκόλλησης της σταδιακής ανόδου ισχύος λέιζερ, σταδιακός έλεγχος πτώσης. Συγκόλληση βαθιάς σύντηξης με λέιζερ, ανεξάρτητα από το βάθος της συγκόλλησης, το φαινόμενο των μικρών οπών υπάρχει πάντα. Όταν η διαδικασία συγκόλλησης τερματιστεί και ο διακόπτης λειτουργίας είναι απενεργοποιημένος, θα εμφανιστεί ένας κρατήρας στο τέλος της συγκόλλησης. Επιπλέον, όταν το στρώμα συγκόλλησης με λέιζερ καλύπτει την αρχική συγκόλληση, θα υπάρξει υπερβολική απορρόφηση της δέσμης λέιζερ, με αποτέλεσμα την υπερθέρμανση ή το πορώδες της συγκόλλησης.

Για την αποφυγή των παραπάνω φαινομένων, τα σημεία έναρξης και διακοπής ισχύος μπορούν να προγραμματιστούν έτσι ώστε οι χρόνοι έναρξης και διακοπής ισχύος να γίνονται ρυθμιζόμενοι, δηλαδή η ισχύς εκκίνησης αυξάνεται ηλεκτρονικά από το μηδέν στην καθορισμένη τιμή ισχύος σε σύντομο χρονικό διάστημα και ο χρόνος συγκόλλησης ρυθμίζεται και τέλος η ισχύς μειώνεται σταδιακά από την καθορισμένη ισχύ στη μηδενική τιμή όταν τερματίζεται η συγκόλληση.