Laserkeevituse põhiprotsessi parameetrid

1) Laseri võimsus. Laserkeevitusel on laseri energiatiheduse lävi, millest allpool on sulamissügavus madal ja kui see väärtus on saavutatud või ületatud, suureneb sulamissügavus oluliselt. Ainult siis, kui laseri võimsustihedus töödeldaval detailil ületab läve (sõltub materjalist), tekib plasma, mis tähistab süvasulatuskeevituse stabiliseerumist. Kui laseri võimsus on alla selle läve, läbib toorik ainult pinnasulamise, st keevitamine toimub stabiilsel soojusülekande tüübil. Kui laseri võimsustihedus on lähedal väikeste aukude moodustumise kriitilisele seisundile, vahelduvad sügavsulatuskeevitus ja juhtivuskeevitus ning muutuvad keevitusprotsessideks ebastabiilseks, mille tulemuseks on sulamissügavuse suured kõikumised. Laseri süvasulatuskeevitusel reguleerib laseri võimsus nii läbitungimissügavust kui ka keevituskiirust, nagu on näidatud joonisel 1. Sulamise keevitussügavus on otseselt seotud kiire võimsustihedusega ning on langeva kiire võimsuse ja kiire fookuspunkti funktsioon. Üldiselt suureneb laserkiire teatud läbimõõdu korral sulamissügavus, kui kiire võimsus suureneb.

2) Kiire fookuspunkt. Kiire punkti suurus on laserkeevitusel üks olulisemaid muutujaid, kuna see määrab võimsustiheduse. Selle mõõtmine on aga väljakutse suure võimsusega laseritele, kuigi paljud kaudsed mõõtmistehnikad on juba saadaval.

Kiire fookusdifraktsiooni piirpunkti suurust saab arvutada valguse difraktsiooni teooria põhjal, kuid tegelik täpp on fokusseeriva läätse aberratsiooni tõttu arvutatud väärtusest suurem. Lihtsaim reaalne mõõtmismeetod on isotermilise profiili meetod, mis seisneb fookuspunkti ja perforatsiooni läbimõõdu mõõtmises pärast polüpropüleenplaadi põletamist ja läbistamist paksu paberiga. Seda meetodit tuleks mõõta praktikas, võttes selgeks laseri võimsuse suuruse ja kiire toimeaja.

3) Materjali neeldumise väärtus. Laseri neeldumine materjali poolt sõltub mõnest olulisest materjali omadusest, nagu neeldumiskiirus, peegeldusvõime, soojusjuhtivus, sulamistemperatuur, aurustumistemperatuur jne. Kõige olulisem neist on neeldumiskiirus.

Materjali laserkiire neeldumiskiirust mõjutavad tegurid hõlmavad kahte aspekti: esiteks materjali eritakistus. Pärast materjali poleeritud pinna neeldumiskiiruse mõõtmist leitakse, et materjali neeldumiskiirus on võrdeline takistusteguri ruutjuurega, mis omakorda muutub sõltuvalt temperatuurist; teiseks on materjali pinnaseisundil (või viimistlusel) olulisem mõju tala neeldumiskiirusele, mõjutades seega oluliselt keevitusefekti.

CO2 laseri väljundlainepikkus on tavaliselt 10,6 μm, keraamika, klaasi, kummi, plasti ja muude mittemetallide neeldumiskiirus toatemperatuuril on väga kõrge, samas kui metallimaterjalide neeldumiskiirus toatemperatuuril on väga halb, kuni materjali sulamiseni või isegi aurustumiseni suurenes selle neeldumine järsult. Pinnakatte või oksiidkile pinna genereerimise meetodi kasutamine materjali tala neeldumise parandamiseks on väga tõhus.

4) keevituskiirus. Keevituskiirusel on suur mõju sulamissügavusele, kiiruse suurendamine muudab sulamissügavuse madalaks, kuid kiirus on liiga väike ja põhjustab materjali liigset sulamist, toorik keevitub läbi. Seetõttu on teatud laseri võimsusel ja konkreetse materjali teatud paksusel sobiv keevituskiiruse vahemik ja mille puhul saab vastava kiiruse väärtuse saada maksimaalse sulamissügavuse korral. Joonisel 2 on toodud seos 1018 terase keevituskiiruse ja sulamissügavuse vahel.

5) Kaitsegaas. Laserkeevitusprotsessis kasutatakse sageli sulamisbasseini kaitsmiseks inertgaasi, kui mõned materjalid keevitatakse olenemata pinna oksüdatsioonist, siis ei arvestata ka kaitsega, kuid enamiku rakenduste jaoks kasutatakse kaitseks sageli heeliumi, argooni, lämmastikku ja muid gaase, et töödeldav detail keevitusprotsessi ajal oksüdeerumise eest.

Heelium ei ole kergesti ioniseeritav (ionisatsioonienergia on kõrge), võimaldades laseril läbida ja kiire energia jõuda töödeldava detaili pinnale takistamatult. See on kõige tõhusam laserkeevitamisel kasutatav kaitsegaas, kuid see on kallim.

Argoon on odavam ja tihedam, seega kaitseb paremini. Kuid see on vastuvõtlik kõrge temperatuuriga metallide plasmaionisatsioonile, mille tulemusel varjestab osa kiirest töödeldava detaili suhtes, vähendades keevitamise efektiivset laseri võimsust ning halvendades ka keevituskiirust ja sulamissügavust. Keevitatud detaili pind on argoonikaitsega siledam kui heeliumikaitsega.

Lämmastik on odavaim kaitsegaas, kuid see ei sobi teatud tüüpi roostevaba terase keevitamiseks, seda peamiselt metallurgiliste probleemide tõttu, näiteks neeldumise tõttu, mis mõnikord tekitab ringis poorsust.

Kaitsegaasi kasutamise teine ​​ülesanne on kaitsta fookusläätse metalliaurude saastumise ja vedelate sulapiiskade pihustamise eest. See on eriti vajalik suure võimsusega laserkeevitusel, kus väljutus muutub väga võimsaks.

Kaitsegaasi kolmas funktsioon on see, et see hajutab tõhusalt suure võimsusega laserkeevitusega tekitatud plasmavarjestuse. Metalli aur neelab laserkiire ja ioniseerub plasmapilveks ning soojuse toimel ioniseerub ka metalliauru ümbritsev kaitsegaas. Kui plasmat on liiga palju, kulub laserkiir mingil määral plasmale. Plasma kui teise energia olemasolu tööpinnal muudab sulamissügavuse madalamaks ja keevisvanni pinna laiemaks. Elektronide kompleksi moodustumise kiirust suurendatakse, suurendades elektronioonide ja neutraalaatomi kolme keha kokkupõrgete arvu, et vähendada elektronide tihedust plasmas. Mida kergem on neutraalne aatom, seda suurem on kokkupõrke sagedus, seda suurem on ühendi määr; teisest küljest ainult kaitsegaasi kõrge ionisatsioonienergia, et mitte suurendada elektrontihedust gaasi enda ionisatsiooni tõttu.

Nagu tabelist näha, varieerub plasmapilve suurus olenevalt kasutatavast kaitsegaasist, kusjuures väikseim on heelium, järgneb lämmastik ja argooni kasutamisel suurim. Mida suurem on plasma suurus, seda madalam on sulamissügavus. Selle erinevuse põhjuseks on esiteks gaasimolekulide erinev ionisatsiooniaste ja ka kaitsegaaside erinevast tihedusest tingitud metalliauru difusiooni erinevus.

Heelium on kõige vähem ioniseeritud ja kõige vähem tihe ning see hajutab kiiresti sulametallibasseinist tõusva metalliauru. Seetõttu võib heeliumi kasutamine kaitsegaasina maksimeerida plasma mahasurumist, suurendades seeläbi sulamissügavust ja parandades keevituskiirust; selle kerge kaalu ja väljapääsu tõttu pole poorsust kerge tekitada. Meie tegelike keevitustulemuste põhjal pole argoongaasiga kaitsmise mõju muidugi halb.

Plasmapilv sulamissügavusel madala keevituskiiruse tsoonis on kõige ilmsem. Kui keevituskiirus suureneb, nõrgeneb selle mõju.

Kaitsegaas väljutatakse läbi düüsi ava teatud rõhul, et jõuda tooriku pinnale. Düüsi hüdrodünaamiline kuju ja väljalaskeava läbimõõdu suurus on väga olulised. See peab olema piisavalt suur, et juhtida pihustatud kaitsegaasi, et katta keevituspind, kuid läätse tõhusaks kaitsmiseks ja metalliaurude saastumise või metallipritsmete kahjustuste vältimiseks tuleks piirata ka düüsi suurust. Samuti tuleks reguleerida voolukiirust, vastasel juhul muutub kaitsegaasi laminaarne vool turbulentseks ja atmosfäär osaleb sulabasseinis, moodustades lõpuks poorsuse.

Kaitseefekti parandamiseks on saadaval ka täiendav külgpuhumisviis, st läbi väiksema läbimõõduga otsiku suunatakse kaitsegaas teatud nurga all otse sügavasse sulakeevitusavasse. Kaitsegaas mitte ainult ei summuta plasmapilve tooriku pinnal, vaid avaldab mõju ka avas olevale plasmale ja väikese augu moodustumisele, suurendades veelgi sulamissügavust ning saavutades soovitavast sügavama ja laiema keevisõmbluse. Kuid see meetod nõuab gaasivoolu suuruse ja suuna täpset kontrolli, vastasel juhul on lihtne tekitada turbulentsi ja kahjustada sulamisbasseini, mistõttu on keevitusprotsessi raske stabiliseerida.

6) Objektiivi fookuskaugus. Keevitamist kasutatakse tavaliselt laseri konvergentsi fokuseerimiseks, objektiivi fookuskauguseks on üldiselt 63–254 mm (2,5 '~ 10'). Fookuspunkti suurus on võrdeline fookuskaugusega, mida lühem on fookuskaugus, seda väiksem on koht. Kuid fookuskaugus mõjutab ka fookussügavust, see tähendab, et fookuskaugus suureneb samaaegselt fookuskaugusega, nii et lühike fookuskaugus võib võimsustihedust parandada, kuid väikese fookussügavuse tõttu tuleb objektiivi ja tooriku vahelist kaugust täpselt hoida ning sulamissügavus ei ole suur. Keevitusprotsessi ja laserrežiimi käigus tekkiva pritsme mõju tõttu on tegelik keevitus kõige lühema fookussügavusega suurem fookuskaugusega 126mm (5'). Kui õmblus on suur või keevisõmblust on vaja täpi suurust suurendades suurendada, saab valida 254mm (10') fookuskaugusega objektiivi, mille puhul on vaja suuremat laservõimsust, mille puhul on vaja suuremat sügavusvõimsust. väikese augu efekt.

Kui laseri võimsus ületab 2 kW, eriti 10,6 μm CO2 laserkiire puhul, optilise süsteemi moodustamiseks spetsiaalsete optiliste materjalide kasutamise tõttu, et vältida teravustamisläätse optiliste kahjustuste ohtu, valitakse sageli peegelduse teravustamise meetod, kasutades reflektori jaoks tavaliselt poleeritud vaskpeeglit. Tõhusa jahutuse tõttu soovitatakse seda sageli suure võimsusega laserkiire teravustamiseks.

7) fookuspunkti asend. Keevitamine, piisava võimsustiheduse säilitamiseks, on fookuspunkti asend kriitiline. Fookuspunkti asukoha muutused tooriku pinna suhtes mõjutavad otseselt keevisõmbluse laiust ja sügavust. Joonisel 3 on näidatud fookuspunkti asukoha mõju terase 1018 sulamissügavusele ja õmbluse laiusele. Enamikus laserkeevitusrakendustes paikneb fookuspunkt tavaliselt umbes 1/4 soovitud sulamissügavusest tooriku pinna all.

8) Laserkiire asend. Erinevate materjalide laserkeevitamisel kontrollib laserkiire asend keevisõmbluse lõppkvaliteeti, eriti põkkliidete puhul, mis on selle suhtes tundlikumad kui põikühendused. Näiteks kui karastatud terasest hammasrattad keevitatakse pehmest terasest trumlitele, hõlbustab laserkiire asendi õige juhtimine valdavalt madala süsinikusisaldusega komponendiga keevisõmbluse valmistamist, millel on parem pragunemiskindlus. Mõnes rakenduses nõuab keevitatava tooriku geomeetria laserkiire nurga võrra kõrvalekaldumist. Kui läbipaindenurk kiire telje ja ühendustasandi vahel on 100 kraadi piires, ei mõjuta see laserenergia neeldumist tooriku poolt.

9) Laseri võimsuse järkjärgulise tõusu, järkjärgulise languse juhtimine keevitamise algus- ja lõpp-punktis. Lasersügavsulatuskeevitus, olenemata keevisõmbluse sügavusest, on väikeste aukude nähtus alati olemas. Kui keevitusprotsess on lõpetatud ja toitelüliti välja lülitatud, ilmub keevisõmbluse lõppu kraater. Lisaks, kui laserkeevituskiht katab algse keevisõmbluse, neeldub liiga palju laserkiirt, mille tulemuseks on keevisõmbluse ülekuumenemine või poorsus.

Eelnimetatud nähtuste vältimiseks saab võimsuse käivitus- ja seiskamispunkte programmeerida nii, et võimsuse käivitus- ja seiskamisajad muutuvad reguleeritavaks, st elektriliselt tõstetakse käivitusvõimsust lühikese aja jooksul nullist seatud võimsuse väärtuseni ja reguleeritakse keevitusaega ning lõpuks vähendatakse keevitamise lõpetamisel võimsust järk-järgult seatud võimsuselt nullväärtuseni.