Παράμετροι κύριας διαδικασίας συγκόλλησης με λέιζερ

1) ισχύς λέιζερ. Υπάρχει ένα κατώφλι πυκνότητας ενέργειας λέιζερ στη συγκόλληση με λέιζερ, κάτω από το οποίο το βάθος του τήγματος είναι ρηχή και μόλις επιτευχθεί ή υπερβεί αυτή η τιμή, το βάθος του τήγματος αυξάνεται σημαντικά. Μόνο όταν η πυκνότητα ισχύος του λέιζερ στο τεμάχιο εργασίας υπερβαίνει το κατώφλι (εξαρτώμενο υλικό), δημιουργείται πλάσμα, το οποίο σηματοδοτεί τη σταθεροποίηση της συγκόλλησης βαθιάς σύντηξης. Εάν η ισχύς λέιζερ είναι κάτω από αυτό το όριο, το τεμάχιο εργασίας υφίσταται μόνο την επιφάνεια της επιφάνειας, δηλαδή η συγκόλληση προχωρά σε σταθερό τύπο μεταφοράς θερμότητας. Όταν η πυκνότητα ισχύος λέιζερ βρίσκεται κοντά στην κρίσιμη κατάσταση του σχηματισμού μικρών οπών, η συγκόλληση βαθιάς σύντηξης και η συγκόλληση αγωγιμότητας εναλλάσσονται και γίνονται ασταθείς διαδικασίες συγκόλλησης, με αποτέλεσμα μεγάλες διακυμάνσεις στο βάθος τήγματος. Στη συγκόλληση Deep Fusion με λέιζερ, η ισχύς λέιζερ ελέγχει τόσο το βάθος της διείσδυσης όσο και την ταχύτητα συγκόλλησης, όπως φαίνεται στο σχήμα 1. Το βάθος συγκόλλησης του τήγματος σχετίζεται άμεσα με την πυκνότητα ισχύος δέσμης και είναι συνάρτηση της εστιακής σημασίας δέσμης και της εστιακής σημασίας δέσμης. Γενικά, για μια συγκεκριμένη διάμετρο της δέσμης λέιζερ, το βάθος του τήγματος αυξάνεται καθώς αυξάνεται η ισχύς δέσμης.

2) ΣΤΟΙΧΕΙΟ ΣΤΟΙΧΕΙΟ. Το μέγεθος του σημείου δέσμης είναι μία από τις σημαντικότερες μεταβλητές στη συγκόλληση με λέιζερ, καθώς καθορίζει την πυκνότητα ισχύος. Ωστόσο, η μέτρησή της αποτελεί πρόκληση για λέιζερ υψηλής ισχύος, αν και υπάρχουν ήδη πολλές έμμεσες τεχνικές μέτρησης.

Το μέγεθος του ορίου εστιακής διάθλασης της δέσμης μπορεί να υπολογιστεί από τη θεωρία της περίθλασης φωτός, αλλά το πραγματικό σημείο είναι μεγαλύτερο από την υπολογιζόμενη τιμή λόγω της παρουσίας της εκτροπής φακών εστίασης. Η απλούστερη μέθοδος πραγματικής μέτρησης είναι η μέθοδος ισοθερμικού προφίλ, η οποία είναι για τη μέτρηση της εστιακής διαμέτρου και διάμετρος διάτρησης μετά από καύση και διείσδυση μιας πλάκας πολυπροπυλενίου με παχύ χαρτί. Αυτή η μέθοδος θα πρέπει να μετρείται με την πρακτική, να κυριαρχήσει το μέγεθος της ισχύος του λέιζερ και στον χρόνο της δράσης δέσμης.

3) τιμή 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 κλπ. Ο σημαντικότερος είναι ο ρυθμός απορρόφησης.

Παράγοντες που επηρεάζουν τον ρυθμό απορρόφησης του υλικού στη δέσμη λέιζερ περιλαμβάνουν δύο πτυχές: πρώτον, την αντίσταση του υλικού. Μετά τη μέτρηση του ρυθμού απορρόφησης της γυαλισμένης επιφάνειας του υλικού, διαπιστώνεται ότι ο ρυθμός απορρόφησης του υλικού είναι ανάλογος προς την τετραγωνική ρίζα του συντελεστή αντίστασης, ο οποίος με τη σειρά του ποικίλλει ανάλογα με τη θερμοκρασία. Δεύτερον, η επιφάνεια (ή το φινίρισμα) του υλικού έχει πιο σημαντική επίδραση στον ρυθμό απορρόφησης της δέσμης, έχοντας έτσι σημαντική επίδραση στο αποτέλεσμα συγκόλλησης.

Το μήκος κύματος εξόδου λέιζερ CO2 είναι συνήθως 10,6 μm, κεραμικά, γυαλί, καουτσούκ, πλαστικό και άλλα μη μέταλλα στον ρυθμό απορρόφησης σε θερμοκρασία δωματίου είναι πολύ υψηλή, ενώ τα μεταλλικά υλικά σε θερμοκρασία δωματίου στην απορρόφηση του είναι πολύ φτωχό, έως ότου το υλικό μόλις λιωθεί ή ακόμα και εξατμισμένος, η απορρόφηση του αυξήθηκε απότομα. Η χρήση της επιφανειακής επικάλυψης ή της παραγωγής επιφανειακής μεθόδου οξειδίου για τη βελτίωση της απορρόφησης του υλικού στη δέσμη είναι πολύ αποτελεσματική.

4) ταχύτητα συγκόλλησης. Η ταχύτητα συγκόλλησης έχει μεγάλη επίδραση στο βάθος του τήγματος, η αύξηση της ταχύτητας θα κάνει το βάθος του τήγματος ρηχών, αλλά η ταχύτητα είναι πολύ χαμηλή και θα οδηγήσει σε υπερβολική τήξη του υλικού, το τεμάχιο εργασίας. Επομένως, μια ορισμένη ισχύς λέιζερ και ένα ορισμένο πάχος ενός συγκεκριμένου υλικού έχει μια κατάλληλη περιοχή ταχύτητας συγκόλλησης και στην οποία μπορεί να επιτευχθεί η αντίστοιχη τιμή ταχύτητας όταν το μέγιστο βάθος τήξης. Το σχήμα 2 δίνει τη σχέση μεταξύ της ταχύτητας συγκόλλησης και του βάθους τήξης 1018 χάλυβα.

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

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

Το Argon είναι φθηνότερο και πιο πυκνό, οπότε προστατεύει καλύτερα. Ωστόσο, είναι επιρρεπές σε ιονισμό μεταλλικού πλάσματος υψηλής θερμοκρασίας, η οποία έχει ως αποτέλεσμα την θωράκιση του τμήματος της δέσμης στο τεμάχιο εργασίας, μειώνοντας την αποτελεσματική ισχύ του λέιζερ για συγκόλληση και επίσης βλάπτοντας την ταχύτητα συγκόλλησης και το βάθος τήξης. Η επιφάνεια του συγκολλημένου τμήματος είναι ομαλότερη με προστασία αργού παρά με προστασία από ήλιο.

Το άζωτο είναι το φθηνότερο αέριο θωράκισης, αλλά δεν είναι κατάλληλο για ορισμένους τύπους συγκόλλησης από ανοξείδωτο χάλυβα, κυρίως λόγω μεταλλουργικών προβλημάτων, όπως η απορρόφηση, που μερικές φορές παράγει πορώδες στη ζώνη LAP.

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

Μια τρίτη λειτουργία του αερίου θωράκισης είναι ότι είναι αποτελεσματική στην διασπορά της θωράκισης πλάσματος που παράγεται από τη συγκόλληση με λέιζερ υψηλής ισχύος. Ο μεταλλικός ατμός απορροφά τη δέσμη λέιζερ και ιονίζεται σε σύννεφο πλάσματος και το αέριο θωράκισης γύρω από τον μεταλλικό ατμό είναι επίσης ιονισμένο από τη θερμότητα. Εάν υπάρχει υπερβολικό 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 ρηχότερος και της επιφάνειας της πισίνας συγκόλλησης ευρύτερη. Ο ρυθμός συμπλοκοποίησης ηλεκτρονίων αυξάνεται αυξάνοντας τον αριθμό των συγκρούσεων τριών σωμάτων ηλεκτρονίων και ουδέτερης ατόμου για τη μείωση της πυκνότητας ηλεκτρονίων στο πλάσμα. Όσο ελαφρύτερο είναι το ουδέτερο άτομο, τόσο υψηλότερη είναι η συχνότητα σύγκρουσης, τόσο υψηλότερος είναι ο σύνθετος ρυθμός. Από την άλλη πλευρά, μόνο η ενέργεια υψηλής ιονισμού του αερίου θωράκισης, έτσι ώστε να μην αυξάνεται η πυκνότητα ηλεκτρονίων λόγω του ιονισμού του ίδιου του αερίου.

Όπως φαίνεται από το τραπέζι, το μέγεθος του νέφους πλάσματος ποικίλλει ανάλογα με το προστατευτικό αέριο που χρησιμοποιείται, με το ήλιο να είναι το μικρότερο, ακολουθούμενο από άζωτο και το μεγαλύτερο όταν χρησιμοποιείται το αργόν. Όσο μεγαλύτερο είναι το μέγεθος του πλάσματος, το ρηχότερο το βάθος τήξης. Ο λόγος για αυτή τη διαφορά οφείλεται πρώτα στον διαφορετικό βαθμό ιονισμού των μορίων αερίου και επίσης λόγω της διαφοράς στη διάχυση του μεταλλικού ατμού που προκαλείται από τις διαφορετικές πυκνότητες των προστατευτικών αερίων.

Το ήλιο είναι το λιγότερο ιονισμένο και το λιγότερο πυκνό και διαλύει γρήγορα τον ανερχόμενο μεταλλικό ατμό από την λιωμένη μεταλλική πισίνα. Ως εκ τούτου, η χρήση του ήλιου ως αέριο θωράκισης μπορεί να μεγιστοποιήσει την καταστολή του πλάσματος, αυξάνοντας έτσι το βάθος της τήξης και βελτιώνοντας την ταχύτητα συγκόλλησης. Δεν είναι εύκολο να προκαλέσει πορώδες λόγω του ελαφρού βάρους και της ικανότητάς του να ξεφεύγει. Φυσικά, από τα πραγματικά αποτελέσματα συγκόλλησης, η επίδραση της προστασίας με το αέριο αργού δεν είναι κακό.

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

Το αέριο θωράκισης εκτοξεύεται μέσω του ανοίγματος ακροφυσίου σε μια ορισμένη πίεση για να φτάσει στην επιφάνεια του τεμαχίου. Το υδροδυναμικό σχήμα του ακροφυσίου και το μέγεθος της διαμέτρου της εξόδου είναι πολύ σημαντικά. Πρέπει να είναι αρκετά μεγάλο για να οδηγήσει το ψεκασμένο αέριο θωράκισης για να καλύψει την επιφάνεια συγκόλλησης, αλλά για να προστατεύσει αποτελεσματικά τον φακό και να αποτρέψει τη μόλυνση των μεταλλικών ατμών ή τη βλάβη του μεταλλικού σπασμού 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 αερίου θωράκισης γίνεται ταραχώδη και η ατμόσφαιρα εμπλέκεται στην τετηγμένη πισίνα, σχηματίζοντας τελικά πορώδες.

Προκειμένου να βελτιωθεί η επίδραση προστασίας, επίσης διαθέσιμο πρόσθετο πλευρικό τρόπο φυσίκης, δηλαδή μέσω ενός ακροφυσίου μικρότερης διαμέτρου θα είναι το προστατευτικό αέριο σε μια ορισμένη γωνία απευθείας στην βαθιά τρύπα συγκόλλησης. Το αέριο θωράκισης όχι μόνο καταστέλλει το σύννεφο πλάσματος στην επιφάνεια του τεμαχίου, αλλά και ασκεί επιρροή στο πλάσμα στην οπή και τον σχηματισμό της μικρής οπής, αυξάνοντας περαιτέρω το βάθος της σύντηξης και την απόκτηση βαθύτερης και ευρύτερης ραφής συγκόλλησης από ό, τι είναι επιθυμητή. Ωστόσο, αυτή η μέθοδος απαιτεί ακριβή έλεγχο του μεγέθους και της κατεύθυνσης της ροής του αερίου, διαφορετικά είναι εύκολο να παράγονται αναταραχές και να καταστραφούν η δεξαμενή τήγματος, με αποτέλεσμα τη διαδικασία συγκόλλησης να είναι δύσκολο να σταθεροποιηθεί.

6) Φακός εστιακού μήκους. Η συγκόλληση χρησιμοποιείται συνήθως για να εστιάσει τον τρόπο με τον οποίο η σύγκλιση με λέιζερ, η γενική επιλογή του εστιακού μήκους του φακού 63 ~ 254mm (2,5 '~ 10 '). Το εστιασμένο μέγεθος σημείων είναι ανάλογο με το εστιακό μήκος, όσο μικρότερο είναι το εστιακό μήκος, τόσο μικρότερο είναι το σημείο. Αλλά το εστιακό μήκος επηρεάζει επίσης το εστιακό βάθος, δηλαδή το εστιακό βάθος αυξάνεται ταυτόχρονα με το εστιακό μήκος, έτσι ώστε το μικρό εστιακό μήκος να 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 μεγάλη. Λόγω της επιρροής της σφαίρας που παράγεται κατά τη διάρκεια της διαδικασίας συγκόλλησης και της λειτουργίας λέιζερ, η πραγματική συγκόλληση χρησιμοποιώντας το συντομότερο βάθος εστίασης περισσότερο εστιακό μήκος 126mm (5 ').

Όταν η ισχύς λέιζερ υπερβαίνει τα 2kW, ειδικά για τη δέσμη λέιζερ 10,6 μm CO2, λόγω της χρήσης ειδικών οπτικών υλικών για να σχηματίσει το οπτικό σύστημα, προκειμένου να αποφευχθεί ο κίνδυνος οπτικής βλάβης στον εστιασμένο φακό, συχνά επιλέγουν τη μέθοδο εστίασης αντανάκλασης, γενικά χρησιμοποιώντας γυαλισμένο καθρέφτη χαλκού για τον ανακλαστήρα. Λόγω της αποτελεσματικής ψύξης, συχνά συνιστάται για εστίαση με δέσμη λέιζερ υψηλής ισχύος.

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

8) θέση δέσμης λέιζερ. Όταν η συγκόλληση με λέιζερ διαφορετικά υλικά, η θέση δέσμης λέιζερ ελέγχει την τελική ποιότητα της συγκόλλησης, ειδικά στην περίπτωση των αρθρώσεων άκρων που είναι πιο ευαίσθητες σε αυτό από τις αρθρώσεις. Για παράδειγμα, όταν τα σκληρυμένα χαλύβδινα γρανάζια συγκολλούνται σε ήπια τύμπανα χάλυβα, ο σωστός έλεγχος της θέσης δέσμης λέιζερ θα διευκολύνει την παραγωγή συγκόλλησης με ένα συστατικό χαμηλού άνθρακα, το οποίο έχει καλύτερη αντοχή σε ρωγμές. Σε ορισμένες εφαρμογές, η γεωμετρία του τεμαχίου που πρέπει να συγκολληθεί απαιτεί την εκτροπή της δέσμης λέιζερ από μια γωνία. Όταν η γωνία κάμψης μεταξύ του άξονα δέσμης και του επιπέδου της άρθρωσης βρίσκεται εντός 100 μοίρες, η απορρόφηση της ενέργειας λέιζερ από το τεμάχιο εργασίας δεν θα επηρεαστεί.

9) Σημείο εκκίνησης και τελικού σημείου συγκόλλησης της σταδιακής αύξησης της ισχύος λέιζερ, σταδιακή πτώση του ελέγχου. Συγκόλληση Deep Fusion Laser, ανεξάρτητα από το βάθος της συγκόλλησης, το φαινόμενο των μικρών οπών πάντα υπάρχει. Όταν τερματιστεί η διαδικασία συγκόλλησης και ο διακόπτης τροφοδοσίας είναι απενεργοποιημένος, ένας κρατήρας θα εμφανιστεί 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.

Προκειμένου να αποφευχθούν τα παραπάνω φαινόμενα, τα σημεία εκκίνησης και διακοπής ισχύος μπορούν να προγραμματιστούν έτσι ώστε οι χρόνοι εκκίνησης και διακοπής ισχύος να γίνουν ρυθμιζόμενοι, δηλαδή η ισχύς εκκίνησης αυξάνεται από το μηδέν στην καθορισμένη τιμή ισχύος σε σύντομο χρονικό διάστημα και ο χρόνος συγκόλλησης ρυθμίζεται και τελικά η ισχύς μειώνεται σταδιακά από την καθορισμένη ισχύ στη μηδενική τιμή όταν η συγκόλληση τερματίζεται.