Mga parameter ng pangunahing proseso ng laser welding

1) Lakas ng laser. Mayroong isang laser energy density threshold sa laser welding, kung saan mababaw ang lalim ng pagkatunaw, at kapag naabot o nalampasan na ang halagang ito, ang lalim ng pagkatunaw ay tumataas nang malaki. Tanging kapag ang laser power density sa workpiece ay lumampas sa threshold (material dependent), ang plasma ay nabuo, na nagmamarka ng stabilization ng deep fusion welding. Kung ang kapangyarihan ng laser ay mas mababa sa threshold na ito, ang workpiece ay sumasailalim lamang sa pagtunaw sa ibabaw, ibig sabihin, ang welding ay nagpapatuloy sa isang matatag na uri ng paglipat ng init. Kapag ang density ng laser power ay malapit sa kritikal na kondisyon ng pagbuo ng maliit na butas, ang malalim na fusion welding at conduction welding ay kahaliling at nagiging hindi matatag na mga proseso ng welding, na nagreresulta sa malalaking pagbabago sa lalim ng pagkatunaw. Sa laser deep fusion welding, kinokontrol ng laser power ang lalim ng penetration at ang welding speed, tulad ng ipinapakita sa Figure 1. Ang welding depth ng melt ay direktang nauugnay sa beam power density at isang function ng incident beam power at beam focal spot. Sa pangkalahatan, para sa isang partikular na diameter ng laser beam, tumataas ang lalim ng pagkatunaw habang tumataas ang kapangyarihan ng beam.

2) Beam focal spot. Ang laki ng beam spot ay isa sa pinakamahalagang variable sa laser welding, dahil tinutukoy nito ang power density. Gayunpaman, ang pagsukat nito ay isang hamon para sa mga high power laser, bagama't maraming hindi direktang pamamaraan ng pagsukat ang magagamit na.

Ang beam focal diffraction limit na laki ng spot ay maaaring kalkulahin mula sa light diffraction theory, ngunit ang aktwal na spot ay mas malaki kaysa sa kinakalkula na halaga dahil sa pagkakaroon ng focusing lens aberration. Ang pinakasimpleng tunay na paraan ng pagsukat ay ang paraan ng isothermal profile, na kung saan ay upang sukatin ang focal spot at diameter ng pagbubutas pagkatapos masunog at tumagos sa isang polypropylene plate na may makapal na papel. Ang pamamaraang ito ay dapat masukat sa pamamagitan ng pagsasanay, mastering ang laki ng laser power at ang oras ng pagkilos ng beam.

3) Halaga ng pagsipsip ng materyal. Ang pagsipsip ng laser ng materyal ay nakasalalay sa ilang mahahalagang katangian ng materyal, tulad ng rate ng pagsipsip, reflectivity, thermal conductivity, temperatura ng pagkatunaw, temperatura ng pagsingaw, atbp. Ang pinakamahalaga ay ang rate ng pagsipsip.

Ang mga salik na nakakaapekto sa rate ng pagsipsip ng materyal sa laser beam ay kinabibilangan ng dalawang aspeto: una, ang resistivity ng materyal. Matapos sukatin ang rate ng pagsipsip ng pinakintab na ibabaw ng materyal, natagpuan na ang rate ng pagsipsip ng materyal ay proporsyonal sa square root ng resistivity coefficient, na nag-iiba naman sa temperatura; pangalawa, ang estado ng ibabaw (o pagtatapos) ng materyal ay may mas mahalagang epekto sa rate ng pagsipsip ng beam, kaya nagkakaroon ng makabuluhang epekto sa epekto ng hinang.

CO2 laser output wavelength ay karaniwang 10.6μm, keramika, salamin, goma, plastik at iba pang mga non-metal sa rate ng pagsipsip nito sa temperatura ng silid ay napakataas, habang ang mga metal na materyales sa temperatura ng kuwarto sa pagsipsip nito ay napakahirap, hanggang sa ang materyal sa sandaling matunaw o kahit na singaw, ang pagsipsip nito ay tumaas nang husto. Ang paggamit ng surface coating o surface generation ng oxide film method upang mapabuti ang pagsipsip ng materyal sa beam ay napaka-epektibo.

4) bilis ng hinang. Ang bilis ng hinang ay may malaking epekto sa lalim ng pagkatunaw, ang pagtaas ng bilis ay gagawing mababaw ang lalim ng matunaw, ngunit ang bilis ay masyadong mababa at hahantong sa labis na pagkatunaw ng materyal, ang workpiece ay hinangin. Samakatuwid, ang isang tiyak na kapangyarihan ng laser at isang tiyak na kapal ng isang partikular na materyal ay may angkop na hanay ng bilis ng hinang, at kung saan ang katumbas na halaga ng bilis ay maaaring makuha kapag ang maximum na lalim ng matunaw. Ang Figure 2 ay nagbibigay ng kaugnayan sa pagitan ng bilis ng hinang at lalim ng pagkatunaw ng 1018 na bakal.

5) Proteksiyong gas. Ang proseso ng laser welding ay kadalasang gumagamit ng inert gas upang maprotektahan ang natutunaw na pool, kapag ang ilang mga materyales ay hinangin anuman ang oksihenasyon sa ibabaw, pagkatapos ay hindi rin isaalang-alang ang proteksyon, ngunit para sa karamihan ng mga aplikasyon ay madalas na ginagamit ang helium, argon, nitrogen at iba pang mga gas para sa proteksyon, upang ang workpiece mula sa oksihenasyon sa panahon ng proseso ng hinang.

Ang helium ay hindi madaling na-ionize (mataas ang enerhiya ng ionization), na nagpapahintulot sa laser na dumaan at ang enerhiya ng beam na maabot ang ibabaw ng workpiece nang walang harang. Ito ang pinaka-epektibong shielding gas na ginagamit sa laser welding, ngunit mas mahal.

Ang argon ay mas mura at mas siksik, kaya mas pinoprotektahan nito. Gayunpaman, ito ay madaling kapitan sa mataas na temperatura ng metal plasma ionization, na nagreresulta sa pagprotekta sa bahagi ng beam sa workpiece, na binabawasan ang epektibong laser power para sa welding at nakakapinsala din sa bilis ng welding at lalim ng pagkatunaw. Ang ibabaw ng welded na bahagi ay mas makinis na may proteksyon ng argon kaysa sa proteksyon ng helium.

Ang nitrogen ay ang cheapest shielding gas, ngunit ito ay hindi angkop para sa ilang mga uri ng hindi kinakalawang na asero hinang, higit sa lahat dahil sa mga problema sa metalurhiko, tulad ng pagsipsip, na kung minsan ay gumagawa ng porosity sa lap zone.

Ang pangalawang papel ng paggamit ng shielding gas ay upang protektahan ang focusing lens mula sa metal vapor contamination at sputtering ng liquid molten droplets. Ito ay kinakailangan lalo na sa high power laser welding, kung saan ang ejecta ay nagiging napakalakas.

Ang ikatlong function ng shielding gas ay ang pagiging epektibo nito sa pagpapakalat ng plasma shielding na ginawa ng high-power laser welding. Ang singaw ng metal ay sumisipsip ng laser beam at nag-ionize sa isang plasma cloud, at ang shielding gas sa paligid ng metal na singaw ay na-ionize din ng init. Kung masyadong maraming plasma ang naroroon, ang laser beam ay natupok ng plasma sa ilang lawak. Ang pagkakaroon ng plasma bilang pangalawang enerhiya sa gumaganang ibabaw ay ginagawang mas mababaw ang lalim ng pagkatunaw at mas malawak ang ibabaw ng weld pool. Ang rate ng electron complexation ay nadagdagan sa pamamagitan ng pagtaas ng bilang ng electron-ion at neutral-atom three-body collisions upang mabawasan ang electron density sa plasma. Ang mas magaan ang neutral atom, mas mataas ang dalas ng banggaan, mas mataas ang compound rate; sa kabilang banda, tanging ang mataas na enerhiya ng ionization ng shielding gas, upang hindi madagdagan ang density ng elektron dahil sa ionization ng gas mismo.

Tulad ng makikita mula sa talahanayan, ang laki ng ulap ng plasma ay nag-iiba sa ginamit na proteksiyon na gas, na ang helium ang pinakamaliit, sinusundan ng nitrogen, at ang pinakamalaki kapag argon ang ginamit. Kung mas malaki ang sukat ng plasma, mas mababaw ang lalim ng pagkatunaw. Ang dahilan para sa pagkakaiba na ito ay una dahil sa iba't ibang antas ng ionization ng mga molekula ng gas at dahil din sa pagkakaiba sa pagsasabog ng singaw ng metal na dulot ng iba't ibang densidad ng mga proteksiyon na gas.

Ang helium ay ang pinakamaliit na ionized at ang pinakakaunting siksik, at mabilis nitong tinatanggal ang tumataas na singaw ng metal mula sa tinunaw na metal pool. Samakatuwid, ang paggamit ng helium bilang isang shielding gas ay maaaring mapakinabangan ang pagsugpo sa plasma, at sa gayon ay madaragdagan ang lalim ng pagkatunaw at pagpapabuti ng bilis ng hinang; hindi madaling magdulot ng porosity dahil sa magaan nitong timbang at kakayahang makatakas. Siyempre, mula sa aming aktwal na mga resulta ng hinang, ang epekto ng proteksyon sa argon gas ay hindi masama.

Plasma ulap sa lalim ng matunaw sa mababang hinang bilis zone ay ang pinaka-halata. Kapag tumaas ang bilis ng hinang, hihina ang impluwensya nito.

Ang shielding gas ay inilalabas sa pamamagitan ng pagbubukas ng nozzle sa isang tiyak na presyon upang maabot ang ibabaw ng workpiece. Ang hydrodynamic na hugis ng nozzle at ang laki ng diameter ng outlet ay napakahalaga. Ito ay dapat na sapat na malaki upang himukin ang sprayed shielding gas upang masakop ang welding surface, ngunit upang epektibong maprotektahan ang lens at maiwasan ang metal vapor contamination o metal spatter damage sa lens, ang laki ng nozzle ay dapat ding limitado. Ang daloy ng rate ay dapat ding kontrolin, kung hindi man ang laminar na daloy ng shielding gas ay nagiging magulong at ang atmospera ay magiging kasangkot sa molten pool, sa kalaunan ay bumubuo ng porosity.

Upang mapabuti ang epekto ng proteksyon, magagamit din ang karagdagang pag-ilid na paraan ng pamumulaklak, iyon ay, sa pamamagitan ng isang mas maliit na diameter nguso ng gripo ay ang proteksiyon na gas sa isang tiyak na anggulo nang direkta sa malalim na tinunaw na butas ng weld. Ang shielding gas ay hindi lamang pinipigilan ang plasma cloud sa ibabaw ng workpiece, ngunit nagdudulot din ng impluwensya sa plasma sa butas at ang pagbuo ng maliit na butas, na higit na nagpapataas ng lalim ng pagsasanib at nakakakuha ng mas malalim at mas malawak na weld seam kaysa sa kanais-nais. Gayunpaman, ang pamamaraang ito ay nangangailangan ng tumpak na kontrol ng laki at direksyon ng daloy ng gas, kung hindi man ay madaling makagawa ng kaguluhan at makapinsala sa matunaw na pool, na nagreresulta sa proseso ng hinang ay mahirap i-stabilize.

6) Focal length ng lens. Welding ay karaniwang ginagamit upang ituon ang paraan ng laser convergence, ang pangkalahatang pagpili ng 63 ~ 254mm (2.5 '~ 10') focal length ng lens. Ang laki ng nakatutok na lugar ay proporsyonal sa haba ng focal, mas maikli ang haba ng focal, mas maliit ang lugar. Ngunit ang focal length ay nakakaapekto rin sa focal depth, iyon ay, ang focal depth ay tumataas nang sabay-sabay sa focal length, kaya ang maikling focal length ay maaaring mapabuti ang power density, ngunit dahil sa maliit na focal depth, ang distansya sa pagitan ng lens at ang workpiece ay dapat na tumpak na mapanatili, at ang lalim ng pagkatunaw ay hindi malaki. Dahil sa impluwensya ng spatter na nabuo sa panahon ng proseso ng welding at sa laser mode, ang aktwal na welding gamit ang pinakamaikling depth ng focus ay mas focal length na 126mm (5'). Kapag malaki ang seam o kailangang dagdagan ang weld seam sa pamamagitan ng pagpapalaki ng spot size, ang lens na may focal length na 254mm (10') ay maaaring mapili, kung saan kinakailangan ang isang mas mataas na densidad ng laser, kung saan kinakailangan ang isang mas mataas na densidad ng laser. epekto.

Kapag ang lakas ng laser ay lumampas sa 2kW, lalo na para sa 10.6μm CO2 laser beam, dahil sa paggamit ng mga espesyal na optical na materyales upang mabuo ang optical system, upang maiwasan ang panganib ng optical damage sa focusing lens, madalas na piliin ang reflection focusing method, sa pangkalahatan ay gumagamit ng pinakintab na tansong salamin para sa reflector. Dahil sa epektibong paglamig, madalas itong inirerekomenda para sa high power laser beam focusing.

7) posisyon ng focal point. Ang welding, upang mapanatili ang sapat na density ng kapangyarihan, ang posisyon ng focal point ay kritikal. Ang mga pagbabago sa posisyon ng focal point na nauugnay sa ibabaw ng workpiece ay direktang nakakaapekto sa lapad at lalim ng weld. Ipinapakita ng Figure 3 ang epekto ng focal point position sa lalim ng melt at seam width ng 1018 steel. Sa karamihan ng mga aplikasyon ng laser welding, ang focal point ay karaniwang nakaposisyon sa humigit-kumulang 1/4 ng nais na lalim ng pagkatunaw sa ibaba ng ibabaw ng workpiece.

8) Posisyon ng laser beam. Kapag hinang ng laser ang iba't ibang materyales, kinokontrol ng posisyon ng laser beam ang panghuling kalidad ng hinang, lalo na sa kaso ng mga butt joint na mas sensitibo dito kaysa sa lap joints. Halimbawa, kapag ang mga hardened steel gears ay hinangin sa mild steel drums, ang wastong kontrol sa posisyon ng laser beam ay magpapadali sa paggawa ng isang weld na may halos mababang bahagi ng carbon, na may mas mahusay na crack resistance. Sa ilang mga aplikasyon, ang geometry ng workpiece na hinangin ay nangangailangan ng laser beam na mapalihis ng isang anggulo. Kapag ang anggulo ng pagpapalihis sa pagitan ng axis ng beam at ng magkasanib na eroplano ay nasa loob ng 100 degrees, ang pagsipsip ng enerhiya ng laser ng workpiece ay hindi maaapektuhan.

9) Welding simula at dulo punto ng laser kapangyarihan unti-unting pagtaas, unti-unting pagtanggi kontrol. Laser deep fusion welding, anuman ang lalim ng weld, ang phenomenon ng maliliit na butas ay laging umiiral. Kapag natapos na ang proseso ng welding at naka-off ang power switch, may lalabas na crater sa dulo ng weld. Bilang karagdagan, kapag ang laser welding layer ay sumasakop sa orihinal na hinang, magkakaroon ng labis na pagsipsip ng laser beam, na magreresulta sa sobrang init o porosity ng hinang.

Upang maiwasan ang mga phenomena sa itaas, ang mga power start at stop point ay maaaring i-program upang ang mga oras ng pagsisimula at paghinto ng kuryente ay maging adjustable, ibig sabihin, ang panimulang kapangyarihan ay elektronikong tumaas mula sa zero hanggang sa itinakdang halaga ng kuryente sa isang maikling panahon at ang oras ng hinang ay nababagay, at sa wakas ang kapangyarihan ay unti-unting nababawasan mula sa itinakdang kapangyarihan hanggang sa zero na halaga kapag ang welding ay natapos na.