پارامترهای فرآیند اصلی جوشکاری لیزر

1) قدرت لیزر. آستانه چگالی انرژی لیزر در جوشکاری لیزر وجود دارد که در زیر آن عمق ذوب کم عمق است و پس از رسیدن یا فراتر از این مقدار ، عمق ذوب به میزان قابل توجهی افزایش می یابد. فقط هنگامی که چگالی قدرت لیزر در قطعه کار از آستانه (وابسته به مواد) فراتر رود ، پلاسما تولید می شود ، که نشانگر تثبیت جوش فیوژن عمیق است. اگر قدرت لیزر زیر این آستانه باشد ، قطعه کار فقط تحت ذوب سطح قرار می گیرد ، یعنی جوشکاری در یک نوع انتقال حرارت پایدار پیش می رود. هنگامی که چگالی قدرت لیزر نزدیک به شرایط بحرانی تشکیل سوراخ کوچک ، جوشکاری همجوشی عمیق و جوشکاری هدایت جایگزین شده و به فرآیندهای جوشکاری ناپایدار تبدیل می شود و در نتیجه نوسانات زیادی در عمق ذوب ایجاد می شود. در جوشکاری فیوژن عمیق لیزر ، قدرت لیزر هم عمق نفوذ و هم سرعت جوش را کنترل می کند ، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است. عمق جوشکاری ذوب به طور مستقیم با چگالی قدرت پرتو ارتباط دارد و تابعی از قدرت پرتو حادثه و نقطه کانونی پرتو است. به طور کلی ، برای قطر مشخصی از پرتو لیزر ، با افزایش قدرت پرتو ، عمق ذوب افزایش می یابد.

2) نقطه کانونی پرتو. اندازه نقطه پرتو یکی از مهمترین متغیرهای جوشکاری لیزر است ، زیرا چگالی قدرت را تعیین می کند. با این حال ، اندازه گیری آن یک چالش برای لیزرهای با انرژی بالا است ، اگرچه بسیاری از تکنیک های اندازه گیری غیرمستقیم در حال حاضر در دسترس هستند.

اندازه نقطه پراش کانونی پرتو را می توان از نظریه پراش نور محاسبه کرد ، اما نقطه واقعی به دلیل وجود انحراف لنزها از مقدار محاسبه شده بزرگتر است. ساده ترین روش اندازه گیری واقعی ، روش مشخصات ایزوترمال است که اندازه گیری نقطه کانونی و قطر سوراخ بعد از سوزاندن و نفوذ به یک صفحه پلی پروپیلن با کاغذ ضخیم است. این روش باید با تمرین و تسلط بر اندازه قدرت لیزر و زمان عمل پرتو اندازه گیری شود.

3) مقدار جذب مواد. جذب لیزر توسط ماده به برخی از خصوصیات مهم مواد مانند میزان جذب ، بازتاب ، هدایت حرارتی ، دمای ذوب ، دمای تبخیر و غیره بستگی دارد. مهمترین آن میزان جذب است.

عوامل مؤثر بر میزان جذب مواد به پرتو لیزر شامل دو جنبه است: اولا مقاومت ماده. پس از اندازه گیری میزان جذب سطح صیقلی مواد ، مشخص می شود که میزان جذب مواد متناسب با ریشه مربع ضریب مقاومت است که به نوبه خود با دما متفاوت است. ثانیا ، وضعیت سطح (یا پایان) مواد تأثیر مهمی در میزان جذب پرتو دارد ، بنابراین تأثیر قابل توجهی در اثر جوشکاری دارد.

طول موج خروجی لیزر CO2 معمولاً 10.6μm ، سرامیک ، شیشه ، لاستیک ، پلاستیک و سایر متال های موجود در میزان جذب آن در دمای اتاق بسیار زیاد است ، در حالی که مواد فلزی در دمای اتاق با جذب آن بسیار ضعیف است ، تا زمانی که مواد پس از ذوب یا حتی تبخیر شوند ، جذب آن به شدت افزایش می یابد. استفاده از پوشش سطح یا تولید سطح روش فیلم اکسید برای بهبود جذب مواد به پرتو بسیار مؤثر است.

4) سرعت جوشکاری. سرعت جوش تأثیر زیادی در عمق ذوب دارد ، افزایش سرعت باعث می شود عمق ذوب کم عمق باشد ، اما سرعت خیلی کم است و منجر به ذوب بیش از حد مواد می شود ، قطعه کار از طریق آن جوش می یابد. بنابراین ، یک قدرت لیزر خاص و ضخامت مشخصی از یک ماده خاص دارای دامنه مناسبی از سرعت جوشکاری است و در آن می توان مقدار سرعت مربوطه را هنگام حداکثر عمق ذوب بدست آورد. شکل 2 رابطه بین سرعت جوش و عمق ذوب از فولاد 1018 را نشان می دهد.

5) گاز محافظ. فرآیند جوشکاری لیزر غالباً از گاز بی اثر برای محافظت از استخر ذوب استفاده می کند ، هنگامی که برخی از مواد بدون در نظر گرفتن اکسیداسیون سطح جوش داده می شوند ، در این صورت محافظت نیز در نظر نمی گیرند ، اما برای بیشتر کاربردها اغلب از هلیوم ، آرگون ، نیتروژن و سایر گازها برای محافظت استفاده می شود ، به طوری که قطعه کار در طی فرآیند جوشکاری.

هلیوم به راحتی یونیزه نمی شود (انرژی یونیزاسیون زیاد است) ، به لیزر اجازه می دهد تا از آن عبور کند و انرژی پرتو برای رسیدن به سطح کار بی نظیر باشد. این مؤثرترین گاز محافظ است که در جوشکاری لیزر استفاده می شود ، اما گران تر است.

آرگون ارزان تر و متراکم تر است ، بنابراین از بهتر محافظت می کند. با این حال ، مستعد ابتلا به یونیزاسیون پلاسما با درجه حرارت بالا است ، که منجر به محافظت از بخشی از پرتو به قطعه کار می شود ، باعث کاهش قدرت لیزر مؤثر برای جوشکاری و همچنین اختلال در سرعت جوشکاری و عمق ذوب می شود. سطح قسمت جوش داده شده با محافظت از آرگون صاف تر از محافظت از هلیوم است.

نیتروژن ارزانترین گاز محافظ است ، اما برای برخی از انواع جوشکاری فولاد ضد زنگ مناسب نیست ، عمدتاً به دلیل مشکلات متالورژی مانند جذب ، که گاهی اوقات تخلخل را در منطقه دامان ایجاد می کند.

نقش دوم استفاده از گاز محافظ ، محافظت از لنزهای متمرکز در برابر آلودگی بخار فلزی و لکه دار شدن قطرات مذاب مایع است. این امر به ویژه در جوشکاری لیزر با قدرت بالا ، جایی که اژکتا بسیار قدرتمند می شود ، ضروری است.

عملکرد سوم گاز محافظ این است که در پراکندگی محافظ پلاسما تولید شده توسط جوشکاری لیزر با قدرت بالا مؤثر است. بخار فلزی پرتو لیزر را جذب می کند و به یک ابر پلاسما می رسد و گاز محافظ در اطراف بخار فلزی نیز توسط گرما یونیزه می شود. اگر بیش از حد پلاسما وجود داشته باشد ، پرتو لیزر تا حدی توسط پلاسما مصرف می شود. وجود پلاسما به عنوان انرژی دوم در سطح کار ، عمق ذوب کم عمق و سطح استخر جوش را گسترده تر می کند. میزان مجتمع الکترونی با افزایش تعداد برخوردهای سه جانبه و خنثی-اتم سه بدن برای کاهش چگالی الکترون در پلاسما افزایش می یابد. هرچه اتم خنثی سبک تر باشد ، فرکانس برخورد بیشتر می شود ، میزان ترکیب بیشتر می شود. از طرف دیگر ، فقط انرژی یونیزاسیون بالای گاز محافظ ، به طوری که به دلیل یونیزاسیون خود گاز ، تراکم الکترون را افزایش ندهد.

همانطور که از جدول مشاهده می شود ، اندازه ابر پلاسما با گاز محافظ مورد استفاده متفاوت است ، در حالی که هلیوم کوچکترین ، به دنبال آن نیتروژن است و بیشترین استفاده از آرگون است. هرچه اندازه پلاسما بزرگتر باشد ، عمق ذوب کم عمق است. دلیل این تفاوت در مرحله اول به دلیل درجه متفاوت یونیزاسیون مولکول های گاز و همچنین به دلیل تفاوت در انتشار بخار فلزی ناشی از تراکم های مختلف گازهای محافظ است.

هلیوم کمترین یونیزه و کمترین متراکم است و به سرعت بخار فلزی در حال افزایش را از استخر فلزی مذاب برطرف می کند. بنابراین ، استفاده از هلیوم به عنوان گاز محافظ می تواند سرکوب پلاسما را به حداکثر برساند و از این طریق عمق ذوب و بهبود سرعت جوش را افزایش دهد. به دلیل وزن سبک و توانایی فرار ، امکان تخلخل آسان نیست. البته ، از نتایج جوشکاری واقعی ما ، تأثیر محافظت از گاز آرگون بد نیست.

ابر پلاسما در عمق ذوب در منطقه سرعت جوشکاری کم مشهود است. با افزایش سرعت جوش ، تأثیر آن تضعیف می شود.

گاز محافظ از طریق باز کردن نازل با فشار خاصی بیرون می رود تا به سطح قطعه کار برسد. شکل هیدرودینامیکی نازل و اندازه قطر خروجی بسیار مهم است. این باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا گاز محافظ اسپری شده را برای پوشاندن سطح جوشکاری هدایت کند ، اما برای محافظت موثر لنز و جلوگیری از آلودگی بخار فلزی یا آسیب پراکندگی فلزی به لنز ، اندازه نازل نیز باید محدود باشد. سرعت جریان نیز باید کنترل شود ، در غیر این صورت جریان چند لایه گاز محافظ آشفته می شود و جو در استخر مذاب درگیر می شود و در نهایت تخلخل ایجاد می شود.

به منظور بهبود اثر حفاظت ، همچنین روش دمیدن جانبی اضافی نیز در دسترس است ، یعنی از طریق نازل قطر کوچکتر ، گاز محافظ به زاویه خاصی مستقیماً به داخل سوراخ جوش مذاب عمیق خواهد بود. گاز محافظ نه تنها ابر پلاسما را روی سطح قطعه کار سرکوب می کند ، بلکه تأثیر بر پلاسما موجود در سوراخ و تشکیل سوراخ کوچک نیز می گذارد و بیشتر عمق همجوشی را افزایش می دهد و یک درز جوش عمیق تر و گسترده تر از مطلوب تر می کند. با این حال ، این روش نیاز به کنترل دقیق اندازه و جهت جریان گاز دارد ، در غیر این صورت به راحتی می توان تلاطم را ایجاد کرد و به استخر ذوب آسیب رساند ، و در نتیجه تثبیت فرآیند جوشکاری دشوار است.

6) طول کانونی لنز. از جوشکاری معمولاً برای تمرکز نحوه همگرایی لیزر ، انتخاب کلی 63 ~ 254 میلی متر (2.5 ' 10 ') فاصله کانونی لنز استفاده می شود. اندازه نقطه متمرکز متناسب با فاصله کانونی است ، هرچه فاصله کانونی کوتاه تر باشد ، نقطه کوچکتر است. اما فاصله کانونی نیز بر عمق کانونی تأثیر می گذارد ، یعنی عمق کانونی به طور همزمان با فاصله کانونی افزایش می یابد ، بنابراین فاصله کانونی کوتاه می تواند چگالی قدرت را بهبود بخشد ، اما به دلیل عمق کانونی کوچک ، فاصله بین لنز و قطعه کار باید با دقت حفظ شود و عمق ذوب بزرگ نیست. با توجه به تأثیر پراکنده تولید شده در طی فرآیند جوشکاری و حالت لیزر ، جوشکاری واقعی با استفاده از کوتاهترین عمق تمرکز بیشتر طول کانونی 126 میلی متر (5 '). هنگامی که درز بزرگ است یا نیاز به افزایش اندازه لکه دارد ، یک لنز با طول کانونی 254 میلی متر (10 ') می تواند قدرت لیزر بالاتر باشد ، در این صورت یک مورد یک لیزر بالاتر می تواند یک لیزر بالاتر باشد. اثر

هنگامی که قدرت لیزر از 2 کیلو وات فراتر می رود ، به ویژه برای پرتو لیزر 10.6μm CO2 ، به دلیل استفاده از مواد نوری ویژه برای تشکیل سیستم نوری ، به منظور جلوگیری از خطر آسیب نوری به لنزهای فوکوس ، اغلب روش تمرکز بازتاب را انتخاب کنید ، به طور کلی با استفاده از آینه مس صیقلی برای بازتابنده. با توجه به خنک کننده مؤثر ، اغلب برای تمرکز پرتو لیزر با قدرت بالا توصیه می شود.

7) موقعیت نقطه کانونی. جوشکاری ، به منظور حفظ چگالی قدرت کافی ، موقعیت نقطه کانونی بسیار مهم است. تغییرات در موقعیت نقطه کانونی نسبت به سطح قطعه کار به طور مستقیم بر عرض و عمق جوش تأثیر می گذارد. شکل 3 تأثیر موقعیت نقطه کانونی را در عمق ذوب و عرض درز از فولاد 1018 نشان می دهد. در بیشتر برنامه های جوشکاری لیزر ، نقطه کانونی به طور معمول تقریباً 1/4 از عمق مورد نظر ذوب در زیر سطح قطعه کار قرار می گیرد.

8) موقعیت پرتو لیزر. هنگام جوشکاری لیزر مواد مختلف ، موقعیت پرتو لیزر کیفیت نهایی جوش را کنترل می کند ، به خصوص در مورد اتصالات باسن که نسبت به مفاصل دامان نسبت به این حساس تر هستند. به عنوان مثال ، هنگامی که چرخ دنده های فولادی سخت شده به طبل های فولادی خفیف جوش داده می شوند ، کنترل مناسب موقعیت پرتو لیزر باعث تولید جوش با یک جزء کربن عمدتاً کم می شود ، که مقاومت در برابر ترک بهتر دارد. در برخی از برنامه ها ، هندسه قطعه کار برای جوشکاری نیاز به پرتو لیزر دارد که توسط یک زاویه از بین برود. هنگامی که زاویه انحراف بین محور پرتو و صفحه مفصل در 100 درجه باشد ، جذب انرژی لیزر توسط قطعه کار تحت تأثیر قرار نمی گیرد.

9) جوشکاری شروع و پایان نقطه افزایش تدریجی قدرت لیزر ، کنترل کاهش تدریجی. جوشکاری فیوژن عمیق لیزر ، صرف نظر از عمق جوش ، پدیده سوراخ های کوچک همیشه وجود دارد. هنگامی که فرآیند جوشکاری خاتمه می یابد و سوئیچ برق خاموش می شود ، دهانه در انتهای جوش ظاهر می شود. علاوه بر این ، هنگامی که لایه جوش لیزر جوش اصلی را پوشانده است ، جذب بیش از حد پرتو لیزر وجود خواهد داشت و در نتیجه گرمای بیش از حد یا تخلخل جوش ایجاد می شود.

به منظور جلوگیری از پدیده های فوق ، می توان نقاط شروع و توقف قدرت را برنامه ریزی کرد تا زمان شروع و توقف قدرت قابل تنظیم باشد ، یعنی قدرت شروع به صورت الکترونیکی از صفر به مقدار قدرت تنظیم شده در یک دوره کوتاه افزایش می یابد و زمان جوشکاری تنظیم می شود و در نهایت هنگامی که جوشکاری خاتمه می یابد ، به تدریج از قدرت تعیین شده به مقدار صفر کاهش می یابد.