Laserhitsauksen pääprosessin parametrit

1) Laserteho. Laserhitsauksessa on laserenergian tiheyskynnys, jonka alapuolella sulamissyvyys on matala, ja kun tämä arvo saavutetaan tai ylittyy, sulatteen syvyys kasvaa huomattavasti. Vain silloin, kun laserin tehotiheys työkappaleessa ylittää kynnyksen (riippuvainen materiaalista), syntyy plasmaa, mikä merkitsee syväsulahitsauksen stabiloitumista. Jos laserteho on tämän kynnyksen alapuolella, työkappale sulautuu vain pintaan, eli hitsaus etenee stabiilissa lämmönsiirtotyypissä. Kun laserin tehotiheys on lähellä pienten reikien muodostumisen kriittistä tilaa, syväsulahitsaus ja johtavuushitsaus vuorottelevat ja muuttuvat epävakaiksi hitsausprosesseiksi, mikä johtaa suuriin vaihteluihin sulamissyvyydessä. Lasersyväsulahitsauksessa laserteho ohjaa sekä tunkeutumissyvyyttä että hitsausnopeutta, kuten kuvassa 1. Sulan hitsaussyvyys on suoraan verrannollinen säteen tehotiheyteen ja on tulevan säteen tehon ja säteen polttopisteen funktio. Yleisesti ottaen tietyllä lasersäteen halkaisijalla sulamissyvyys kasvaa säteen tehon kasvaessa.

2) Säteen polttopiste. Säteen pistekoko on yksi tärkeimmistä laserhitsauksen muuttujista, koska se määrää tehotiheyden. Sen mittaus on kuitenkin haaste suuritehoisille lasereille, vaikka monia epäsuoria mittaustekniikoita on jo saatavilla.

Säteen polttodiffraktion rajapisteen koko voidaan laskea valodiffraktioteoriasta, mutta todellinen piste on suurempi kuin laskettu arvo johtuen tarkennuslinssin poikkeamasta. Yksinkertaisin todellinen mittausmenetelmä on isoterminen profiilimenetelmä, jolla mitataan polttopiste ja rei'ityksen halkaisija sen jälkeen, kun polypropeenilevy on poltettu ja läpäissyt paksulla paperilla. Tämä menetelmä tulee mitata harjoittelemalla, hallitsemalla lasertehon koko ja säteen toiminnan aika.

3) Materiaalin absorptioarvo. Laserin absorptio materiaaliin riippuu joistakin tärkeistä materiaalin ominaisuuksista, kuten absorptionopeudesta, heijastavuudesta, lämmönjohtavuudesta, sulamislämpötilasta, haihtumislämpötilasta jne. Tärkein niistä on absorptionopeus.

Materiaalin absorptionopeuteen lasersäteeseen vaikuttavia tekijöitä ovat kaksi näkökohtaa: ensinnäkin materiaalin ominaisvastus. Materiaalin kiillotetun pinnan absorptionopeuden mittaamisen jälkeen havaitaan, että materiaalin absorptionopeus on verrannollinen resistiivisyyskertoimen neliöjuureen, joka vuorostaan ​​vaihtelee lämpötilan mukaan; toiseksi materiaalin pinnan tilalla (tai viimeistelyllä) on suurempi vaikutus palkin absorptionopeuteen, jolloin sillä on merkittävä vaikutus hitsausvaikutukseen.

CO2-laserin lähtöaallonpituus on yleensä 10,6 μm, keramiikan, lasin, kumin, muovin ja muiden ei-metallien absorptionopeus huoneenlämpötilassa on erittäin korkea, kun taas metallimateriaalit huoneenlämpötilassa sen absorptio on erittäin huono, kunnes materiaali sulamisen tai jopa höyrystymisen jälkeen sen absorptio lisääntyi jyrkästi. Pintapinnoitteen tai oksidikalvon pintamuodostusmenetelmän käyttö materiaalin absorption parantamiseksi palkkiin on erittäin tehokasta.

4) hitsausnopeus. Hitsausnopeudella on suuri vaikutus sulan syvyyteen, nopeuden lisääminen tekee sulamissyvyydestä matalaa, mutta nopeus on liian alhainen ja johtaa materiaalin liialliseen sulamiseen, työkappale hitsautuu läpi. Siksi tietyllä laserteholla ja tietyn materiaalin tietyllä paksuudella on sopiva hitsausnopeusalue, ja jossa vastaava nopeusarvo voidaan saada, kun suurin sulamissyvyys. Kuvassa 2 on 1018-teräksen hitsausnopeuden ja sulamissyvyyden välinen suhde.

5) Suojakaasu. Laserhitsausprosessissa käytetään usein inerttiä kaasua sulatealtaan suojaamiseen, kun jotkin materiaalit hitsataan pinnan hapettumisesta riippumatta, ei myöskään oteta huomioon suojaa, mutta useimmissa sovelluksissa käytetään usein suojaamiseen heliumia, argonia, typpeä ja muita kaasuja, jotta työkappale hapettuisi hitsausprosessin aikana.

Helium ei ionisoidu helposti (ionisaatioenergia on korkea), jolloin laser pääsee läpi ja säteen energia pääsee esteettömästi työkappaleen pintaan. Se on tehokkain laserhitsauksessa käytetty suojakaasu, mutta se on kalliimpi.

Argon on halvempaa ja tiheämpää, joten se suojaa paremmin. Se on kuitenkin herkkä korkean lämpötilan metalliplasma-ionisaatiolle, mikä johtaa osan säteen suojaukseen työkappaleeseen, mikä vähentää tehollista lasertehoa hitsauksessa ja heikentää myös hitsausnopeutta ja sulatteen syvyyttä. Hitsatun osan pinta on argonsuojalla sileämpi kuin helium-suojauksella.

Typpi on halvin suojakaasu, mutta se ei sovellu joihinkin ruostumattoman teräksen hitsaustyyppeihin pääasiassa metallurgisten ongelmien, kuten absorption, vuoksi, mikä aiheuttaa joskus huokoisuutta sylinterillä.

Toinen suojakaasun käytön tehtävä on suojata tarkennuslinssiä metallihöyrykontaminaatiolta ja nestemäisten sulajen pisaroiden roiskumiselta. Tämä on erityisen välttämätöntä suuritehoisessa laserhitsauksessa, jossa ulostyönnästä tulee erittäin voimakas.

Kolmas suojakaasun tehtävä on, että se hajottaa tehokkaasti suuren tehon laserhitsauksen tuottaman plasmasuojauksen. Metallihöyry absorboi lasersäteen ja ionisoituu plasmapilveksi, ja myös metallihöyryn ympärillä oleva suojakaasu ionisoituu lämmön vaikutuksesta. Jos plasmaa on liikaa, plasma kuluttaa lasersäteen jossain määrin. Plasman läsnäolo toisena energiana työpinnalla tekee sulamissyvyydestä matalamman ja hitsausaltaan leveämmän. Elektronikompleksoitumisnopeutta lisätään lisäämällä elektroni-ionien ja neutraaliatomin kolmen kappaleen törmäysten määrää plasman elektronitiheyden vähentämiseksi. Mitä kevyempi neutraali atomi, sitä korkeampi törmäystaajuus, sitä suurempi yhdistenopeus; toisaalta vain suojakaasun korkea ionisaatioenergia, jotta elektronitiheys ei kasvaisi itse kaasun ionisaatiosta johtuen.

Kuten taulukosta voidaan nähdä, plasmapilven koko vaihtelee käytetyn suojakaasun mukaan, helium on pienin, sen jälkeen typpi ja suurin käytettäessä argonia. Mitä suurempi plasmakoko, sitä matalampi sulamissyvyys. Syy tähän eroon johtuu ensinnäkin kaasumolekyylien erilaisesta ionisaatioasteesta ja myös suojakaasujen eri tiheydistä johtuvasta erosta metallihöyryn diffuusiossa.

Helium on vähiten ionisoitunut ja vähiten tiheä, ja se hajottaa nopeasti nousevan metallihöyryn sulasta metallista. Siksi heliumin käyttö suojakaasuna voi maksimoida plasman tukahdutuksen, mikä lisää sulamissyvyyttä ja parantaa hitsausnopeutta; huokoisuutta ei ole helppo aiheuttaa sen kevyen painon ja karkaamiskyvyn vuoksi. Varsinaisten hitsaustulostemme perusteella argonkaasulla suojauksen vaikutus ei tietenkään ole huono.

Plasmapilvi sulamissyvyydellä alhaisen hitsausnopeuden alueella on ilmeisin. Kun hitsausnopeus kasvaa, sen vaikutus heikkenee.

Suojakaasu ruiskutetaan suuttimen aukon läpi tietyllä paineella saavuttaakseen työkappaleen pinnan. Suuttimen hydrodynaaminen muoto ja ulostulon halkaisijan koko ovat erittäin tärkeitä. Sen on oltava riittävän suuri ohjaamaan ruiskutettua suojakaasua peittämään hitsauspinnan, mutta linssin tehokkaan suojaamiseksi ja metallihöyryn likaantumisen tai linssin metalliroiskevaurioiden estämiseksi on myös suuttimen kokoa rajoitettava. Virtausnopeutta on myös säädettävä, muuten suojakaasun laminaarinen virtaus muuttuu turbulentiksi ja ilmakehä osallistuu sulaan altaan muodostaen lopulta huokoisuutta.

Suojavaikutuksen parantamiseksi saatavilla myös ylimääräinen sivupuhallustapa, eli halkaisijaltaan pienemmän suuttimen kautta suojakaasu kulkee tiettyyn kulmaan suoraan syvään sulaan hitsausreikään. Suojakaasu ei ainoastaan ​​tukahduta plasmapilveä työkappaleen pinnalla, vaan se vaikuttaa myös reiän plasmaan ja pienen reiän muodostumiseen, mikä lisää sulamissyvyyttä entisestään ja saa aikaan syvemmän ja leveämmän hitsisauman kuin on toivottavaa. Tämä menetelmä vaatii kuitenkin tarkan kaasuvirtauksen koon ja suunnan säätelyn, muuten on helppo aiheuttaa turbulenssia ja vaurioittaa sulateallasta, jolloin hitsausprosessia on vaikea stabiloida.

6) Objektiivin polttoväli. Hitsausta käytetään yleensä tarkentamaan tapa laserin konvergenssi, yleinen valinta 63 ~ 254mm (2,5 '~ 10') polttoväli linssin. Tarkennetun pisteen koko on verrannollinen polttoväliin, mitä lyhyempi polttoväli, sitä pienempi piste. Mutta polttoväli vaikuttaa myös polttosyvyyteen, eli polttosyvyys kasvaa samanaikaisesti polttovälin kanssa, joten lyhyt polttoväli voi parantaa tehotiheyttä, mutta pienen polttosyvyyden vuoksi linssin ja työkappaleen välinen etäisyys on säilytettävä tarkasti, eikä sulamissyvyys ole suuri. Hitsausprosessin ja lasertilan aikana syntyvän roiskeen vaikutuksesta varsinainen hitsaus lyhimmällä tarkennussyvyydellä polttoväli on 126 mm (5'). Kun sauma on suuri tai hitsisaumaa on lisättävä pistekokoa suurentamalla, voidaan valita linssi, jonka polttoväli on 254 mm (10'), jossa tarvitaan korkeampi laserteho (syvempi laserteho). pieni reikäefekti.

Kun laserteho ylittää 2 kW, erityisesti 10,6 μm CO2-lasersäteellä, optisen järjestelmän muodostamiseen käytettyjen erityisten optisten materiaalien vuoksi, jotta vältetään tarkennuslinssin optisten vaurioiden riski, valitaan usein heijastuksen tarkennusmenetelmä, yleensä käyttämällä heijastimessa kiillotettua kuparipeiliä. Tehokkaan jäähdytyksen ansiosta sitä suositellaan usein suuritehoiseen lasersäteen tarkennukseen.

7) polttopisteen sijainti. Hitsaus, jotta riittävä tehotiheys säilyy, polttopisteen sijainti on kriittinen. Muutokset polttopisteen asennossa suhteessa työkappaleen pintaan vaikuttavat suoraan hitsin leveyteen ja syvyyteen. Kuva 3 esittää polttopisteen sijainnin vaikutusta 1018-teräksen sulamissyvyyteen ja sauman leveyteen. Useimmissa laserhitsaussovelluksissa polttopiste on tyypillisesti sijoitettu noin 1/4 halutusta sulamissyvyydestä työkappaleen pinnan alle.

8) Lasersäteen asento. Laserhitsattaessa eri materiaaleja lasersäteen asento ohjaa hitsin lopullista laatua, erityisesti päittäisliitoksissa, jotka ovat tälle herkempiä kuin lamelliliitokset. Esimerkiksi kun karkaistuja teräshampaita hitsataan mietoteräsrumpuihin, lasersäteen asennon oikea hallinta helpottaa pääosin vähähiilisen komponentin, jolla on parempi halkeamiskestävyys, tuottamista. Joissakin sovelluksissa hitsattavan työkappaleen geometria edellyttää lasersäteen taivuttamista kulman verran. Kun säteen akselin ja liitostason välinen poikkeutuskulma on 100 astetta, työkappaleen laserenergian absorptio ei vaikuta.

9) Lasertehon asteittaisen nousun, asteittaisen laskun hallinnan hitsauksen alku- ja loppupiste. Laser-syväsulahitsaus, riippumatta hitsin syvyydestä, pienten reikien ilmiö on aina olemassa. Kun hitsausprosessi lopetetaan ja virtakytkimestä katkaistaan ​​virta, hitsin loppuun ilmestyy kraatteri. Lisäksi kun laserhitsauskerros peittää alkuperäisen hitsin, lasersäde imeytyy liikaa, mikä johtaa hitsin ylikuumenemiseen tai huokoisuuteen.

Edellä mainittujen ilmiöiden estämiseksi tehon käynnistys- ja pysäytyspisteet voidaan ohjelmoida niin, että tehon käynnistys- ja pysäytysajat muuttuvat säädettävissä, eli käynnistystehoa nostetaan sähköisesti nollasta asetettuun tehoarvoon lyhyessä ajassa ja hitsausaikaa säädetään ja lopuksi tehoa vähennetään asteittain asetetusta tehosta nolla-arvoon hitsauksen päätyttyä.