Laserhitsaus Pääprosessin parametrit

1) Laservoima. Laserhitsauksessa on laserenergiatiheyskynnys, jonka alapuolella sulan syvyys on matala, ja kun tämä arvo saavutetaan tai ylitetään, sulan syvyys kasvaa huomattavasti. Vain kun työkappaleen laservoimatiheys ylittää kynnyksen (materiaalista riippuvainen), generoidaan plasma, mikä merkitsee syvän fuusiohitsauksen stabilointia. Jos laservoima on tämän kynnyksen alapuolella, työkappale tapahtuu vain pinnan sulamisen, ts. Hitsaus etenee vakaassa lämmönsiirtotyypissä. Kun laservoiman tiheys on lähellä pienen reiän muodostumisen kriittistä tilaa, syvän fuusiohitsaus- ja johtamissuhitsausvaihtoehtoa ja niistä tulee epävakaat hitsausprosessit, mikä johtaa suuriin sulatussyvyyteen. Laser Deep Fusion -hitsauksessa laservoimaa säätelee sekä tunkeutumisen syvyyttä että hitsausnopeutta, kuten kuvassa 1 esitetään. Sulan hitsaussyvyys liittyy suoraan säteen tehon tiheyteen ja on tulevan säteen tehon ja säteen keskipiste. Yleensä lasersäteen tietylle halkaisijalle sulan syvyys kasvaa säteen tehon kasvaessa.

2) Palkkien keskipiste. Palkkipisteen koko on yksi laserhitsauksen tärkeimmistä muuttujista, koska se määrittelee tehotiheyden. Sen mittaus on kuitenkin haaste korkeatehoisille lasereille, vaikka monia epäsuoria mittaustekniikoita on jo saatavana.

Säteen fokusdiffraktiorajapisteen koko voidaan laskea kevyestä diffraktioteoriasta, mutta todellinen piste on suurempi kuin laskettu arvo, joka johtuu tarkennuslinssien poikkeavuudesta. Yksinkertaisin todellinen mittausmenetelmä on isoterminen profiilimenetelmä, joka on mitata polttoaineen ja perforointimalkaisijan polypropeenilevyn polttamisen ja tunkeutumisen jälkeen paksulla paperilla. Tämä menetelmä tulisi mitata käytännöllä, hallitsemalla laservoiman koon ja säteen toiminnan ajan.

3) materiaalin imeytymisarvo. Laserin imeytyminen materiaalilla riippuu materiaalin tärkeistä ominaisuuksista, kuten absorptioaste, heijastavuus, lämmönjohtavuus, sulamislämpötila, haihdutuslämpötila jne. Tärkein on absorptioaste.

Materiaalin absorptiotaajuuteen vaikuttavia tekijöitä lasersäteen kanssa ovat kaksi näkökohtaa: ensinnäkin materiaalin resistiivisyys. Materiaalin kiillotetun pinnan absorptioasteen mittaamisen jälkeen havaitaan, että materiaalin imeytymisnopeus on verrannollinen resistiivisyyskertoimen neliöjuureen, joka puolestaan ​​vaihtelee lämpötilan mukaan; Toiseksi materiaalin pintatilalla (tai viimeistelyllä) on tärkeämpi vaikutus säteen imeytymisnopeuteen, joten sillä on merkittävä vaikutus hitsausvaikutukseen.

CO2-laseruloulun aallonpituus on yleensä 10,6 μm, keramiikka, lasi, kumi, muovi ja muut ei-metallit sen imeytymisnopeudella huoneenlämpötilassa on erittäin korkea, kun taas huoneenlämpötilassa oleva metallimateriaalit sen absorptiossa on erittäin huono, kunnes materiaali sulatettu tai jopa höyrystynyt, sen imeytyminen kasvoi voimakkaasti. Oksidikalvomenetelmän pintapäällysteen tai pinnan muodostumisen käyttö materiaalin imeytymisen parantamiseksi palkkiin on erittäin tehokasta.

4) Hitsausnopeus. Hitsausnopeudella on suuri vaikutus sulan syvyyteen, nopeuden lisääminen tekee sulan matalan syvyyden, mutta nopeus on liian alhainen ja johtaa materiaalin liialliseen sulamiseen, työkappaleen hitsaukseen. Siksi tietyllä laservoimalla ja tietyn materiaalin tietyllä paksuudella on sopiva hitsausnopeus, ja jossa vastaava nopeusarvo voidaan saada, kun sulan suurin syvyys. Kuvio 2 antaa hitsausnopeuden ja sulamissyvyyden välisen suhteen 1018 terästä.

5) Suojakaasu. Laserhitsausprosessi käyttää usein inerttiä kaasua sulavarannon suojaamiseen, kun jotkut materiaalit hitsattiin pinnan hapettumisesta riippumatta, eivät myöskään harkitse suojausta, mutta useimmissa sovelluksissa käytetään usein heliumia, argonia, typpeä ja muita kaasuja suojaamiseksi, jotta työkappale hapetukselta hitsausprosessin aikana.

Heliumia ei ole helposti ionisoitua (ionisaatioenergia on korkea), jolloin laser voi kulkea läpi ja säteen energia saavuttaa työkappaleen pinta esteettömäksi. Se on tehokkain suojauskaasu, jota käytetään laserhitsauksessa, mutta on kalliimpaa.

Argon on halvempi ja tiheämpi, joten se suojaa paremmin. Se on kuitenkin alttiita korkean lämpötilan metalliplasmaionisoinnille, mikä johtaa palkin suojaamiseen työkappaleelle, vähentäen hitsausvoimaa tehokasta laservoimaa ja myös hitsausnopeuden ja sulan syvyyden heikentäminen. Hitsatun osan pinta on sujuvampi argonisuojauksella kuin heliumin suojauksella.

Typpi on halvin suojakaasu, mutta se ei sovellu tietyntyyppisiin ruostumattomasta teräksestä valmistettuihin hitsauksiin, lähinnä metallurgisten ongelmien, kuten absorption, johdosta, joka joskus tuottaa huokoisuutta kierrosvyöhykkeellä.

Suojakaasun käytön toinen tehtävä on suojata tarkennuslinssiä metallihöyryn saastumiselta ja nestemäisten sulan pisaroiden ruiskuttamiselta. Tämä on erityisen välttämätöntä suuritehoisessa laserhitsauksessa, jossa ejecta tulee erittäin voimakkaana.

Suojakaasun kolmas funktio on, että se on tehokas dispergointiin suuritehoisella laserhitsauksella tuotetun plasmasuojan. Metallihöyry absorboi lasersäteen ja ionisoituu plasmapilveksi, ja myös metallihöyryn ympärillä oleva suojakaasu ionisoituu myös lämmöllä. Jos plasmaa on liian paljon, plasma kuluttaa lasersädettä jossain määrin. Plasman läsnäolo toisena energiana työpinnalla tekee sulamisen matalamman syvyyden ja hitsausaltaan pinnan leveämmäksi. Elektronikompleksin nopeutta nostetaan lisäämällä elektroni-ionin ja neutraali-atomin kolmen kehon törmäysten lukumäärää plasman elektronitiheyden vähentämiseksi. Mitä kevyempi neutraali atomi, sitä suurempi törmäystaajuus, sitä suurempi yhdisteenopeus; Toisaalta vain suojakaasun korkea ionisaatioenergia, jotta kaasun ionisaation ionisaation vuoksi ei lisätä elektronitiheyttä.

Kuten taulukosta voidaan nähdä, plasmapilven koko vaihtelee käytetyn suojakaasun mukaan, kun helium on pienin, jota seuraa typpi ja suurin, kun argonia käytetään. Mitä suurempi plasman koko, sitä matalampi sulamissyvyys. Syynä tähän eroon johtuu ensinnäkin kaasumolekyylien erilaisesta ionisaatioasteesta ja johtuen myös suojakaasujen eri tiheyksien aiheuttaman metallihöyryn diffuusion eroista.

Helium on vähiten ionisoitu ja vähiten tiheä, ja se hajottaa nopeasti nousevan metallihöyryn sulaan metallialtaalla. Siksi heliumin käyttö suojakaasuna voi maksimoida plasman tukahduttamisen, lisäämällä siten sulamissyvyyttä ja parantamalla hitsausnopeutta; Huokoisuutta ei ole helppo aiheuttaa sen kevyen painon ja kyvyn vuoksi. Tietysti todellisista hitsaustuloksistamme argonikaasun suojauksen vaikutus ei ole huono.

Plasmapilvi sulan syvyydessä matalalla hitsausnopeusvyöhykkeellä on ilmeisin. Kun hitsausnopeus kasvaa, sen vaikutus heikentyy.

Suojakaasu poistetaan suuttimen aukon läpi tietyssä paineessa saavuttaakseen työkappaleen pinnan. Suuttimen hydrodynaaminen muoto ja poistoaukon halkaisijan koko ovat erittäin tärkeitä. Sen on oltava riittävän suuri ohjaamaan ruiskutettua suojakaasua hitsauspinnan peittämiseksi, mutta linssin tehokkaaseen suojaamiseksi ja linssin metallin saastumisen estämiseksi ja metallien roiskevaurioiden estämiseksi suuttimen kokoa tulisi myös rajoittaa. Virtausnopeutta tulisi myös hallita, muuten suojakaasun laminaarivirta muuttuu turbulentiksi ja ilmakehän mukaan sulaan uima -altaaseen muodostaen lopulta huokoisuuden.

Suojausvaikutuksen parantamiseksi saatavana on myös ylimääräistä sivuttaista puhallusta, ts. Pienemmän halkaisijan suuttimen läpi on suojakaasu tiettyyn kulmaan suoraan syvään sulaan hitsausreiään. Suojakaasu ei vain tukahduta plasmapilviä työkappaleen pinnalla, vaan se vaikuttaa myös reikän plasmaan ja pienen reiän muodostumiseen, lisäämällä edelleen fuusion syvyyttä ja saadaan syvemmän ja leveämmän hitsaumaman kuin on toivottavaa. Tämä menetelmä vaatii kuitenkin kaasun virtauksen koon ja suunnan tarkan hallinnan, muuten on helppo tuottaa turbulenssia ja vaurioittaa sulapoolia, mikä johtaa hitsausprosessiin on vaikea vakauttaa.

6) Linssin polttoväli. Hitsausta käytetään yleensä tapaan, jolla laserin lähentyminen, linssin polttoväli 63 ~ 254 mm (2,5 '~ 10 ') yleinen valinta. Kohdennettu spot -koko on verrannollinen polttovälin, sitä lyhyempi polttoväli, sitä pienempi piste. Mutta polttoväli vaikuttaa myös polttovälin syvyyteen, toisin sanoen polttovälin syvyys kasvaa samanaikaisesti polttovälin kanssa, joten lyhyt polttoväli voi parantaa tehotiheyttä, mutta pienen polttovälin syvyyden takia linssin ja työkappaleen välinen etäisyys ei ole tarkasti ylläpidettävä, eikä sulamissyvyys ole suuri. Hitsausprosessin ja lasermoodin aikana syntyneen roiskevaikutuksen vaikutuksen vuoksi todellinen hitsaus, joka käyttää lyhimmän tarkemman polttovälin 126 mm (5 '). Kun sauma on suuri tai hitsaumoa on nostettava lisäämällä spot -kokoa, linssi, jolla on polttoväli 254 mm (10'), voidaan valita, missä syvän aukon, joka on vähäisellä, se, että se on suuri, että se on pienempi, joka on suurempi reikä, joka on pienempi, joka on suuri reikä, joka on syventynyt aukkoon (10 '). vaikutus.

Kun laservoima ylittää 2kW, etenkin 10,6 μm CO2 -lasersäteen, johtuen erityisistä optisista materiaaleista optisen järjestelmän muodostamiseen, jotta voidaan välttää tarkennuslinssin optisten vaurioiden riski, valitse usein heijastimen heijastuksen heijastimen heijastimen peili yleensä. Tehokkaan jäähdytyksen vuoksi sitä suositellaan usein suuritehoiseen lasersäteen keskittymiseen.

7) Fokuspisteen sijainti. Hitsaus riittävän voiman tiheyden ylläpitämiseksi keskipisteen sijainti on kriittinen. Polttopisteen asennossa muutokset suhteessa työkappaleen pintaan vaikuttavat suoraan hitsin leveyteen ja syvyyteen. Kuvio 3 esittää polttopisteen asennon vaikutuksen 1018 teräksen sulan syvyyteen ja sauman leveyteen. Useimmissa laserhitsaussovelluksissa polttopiste on tyypillisesti sijoitettu suunnilleen 1/4 halutusta sulatussyvyydestä työkappaleen pinnan alapuolelle.

8) Lasersäteen sijainti. Kun laserhitsaus erilaisia ​​materiaaleja, lasersäteen sijainti säätelee hitsauksen lopullista laatua, etenkin tälle herkempiä takaosan nivelten tapauksessa kuin LAP -nivelet. Esimerkiksi, kun kovetetut teräspyynöt hitsataan mietoihin teräsrumpuihin, lasersäteen asennon oikea hallinta helpottaa hitsauksen tuotantoa, jolla on pääosin vähäinen hiilikomponentti, jolla on parempi halkeamankestävyys. Joissakin sovelluksissa hitsattava työkappaleen geometria vaatii lasersäteen taipumista kulmalla. Kun säteen akselin ja niveltason välinen taipumakulma on 100 astetta, laserenergian absorptio työkappaleen avulla ei vaikuta.

9) Laservoiman asteittaisen nousun hitsaus- ja loppupiste, asteittainen laskun hallinta. Laser syvä fuusiohitsaus hitsauksen syvyydestä riippumatta on aina pienten reikien ilmiö. Kun hitsausprosessi lopetetaan ja virtakytkin sammutetaan, kraatteri ilmestyy hitsin lopussa. Lisäksi, kun laserhitsauskerros peittää alkuperäisen hitsauksen, lasersäteen absorptio on liiallinen, mikä johtaa hitsauksen ylikuumenemiseen tai huokoisuuteen.

Yllä olevien ilmiöiden estämiseksi tehonkäynnistys- ja pysäytyspisteet voidaan ohjelmoida siten, että tehonkäynnistys- ja pysäytysajat muuttuvat säädettäviksi, ts. Aloitusteho kasvaa sähköisesti nollasta asetettuun tehon arvoon lyhyessä ajassa ja hitsausaika säädetään, ja lopulta teho vähenee asetetusta voimasta nollaan, kun hitsaus lopetetaan.