Glavni parametri procesa laserskog zavarivanja

1) Snaga lasera. Kod laserskog zavarivanja postoji prag gustoće laserske energije, ispod kojeg je dubina taljenja mala, a kada se ta vrijednost dosegne ili premaši, dubina taljenja se značajno povećava. Tek kada gustoća snage lasera na obratku prijeđe prag (ovisno o materijalu), stvara se plazma, koja označava stabilizaciju zavarivanja dubokim taljenjem. Ako je snaga lasera ispod tog praga, obradak se podvrgava samo površinskom taljenju, tj. zavarivanje se odvija u stabilnom obliku prijenosa topline. Kada je gustoća snage lasera blizu kritičnog stanja stvaranja male rupe, zavarivanje dubokim taljenjem i zavarivanje kondukcijom se izmjenjuju i postaju nestabilni procesi zavarivanja, što rezultira velikim fluktuacijama u dubini taljenja. Kod laserskog dubokog zavarivanja taljenjem snaga lasera kontrolira i dubinu prodiranja i brzinu zavarivanja, kao što je prikazano na slici 1. Dubina zavarivanja taline izravno je povezana s gustoćom snage snopa i funkcija je snage upadnog snopa i žarišne točke snopa. Općenito, za određeni promjer laserske zrake, dubina taline se povećava kako se povećava snaga zrake.

2) Žarišna točka snopa. Veličina točke snopa jedna je od najvažnijih varijabli u laserskom zavarivanju jer određuje gustoću snage. Međutim, njegovo mjerenje je izazov za lasere velike snage, iako su mnoge neizravne mjerne tehnike već dostupne.

Veličina granične točke difrakcije žarišta zrake može se izračunati iz teorije difrakcije svjetlosti, ali stvarna točka je veća od izračunate vrijednosti zbog prisutnosti aberacije leće za fokusiranje. Najjednostavnija stvarna metoda mjerenja je metoda izotermalnog profila, koja se sastoji od mjerenja žarišne točke i promjera perforacije nakon spaljivanja i prodiranja polipropilenske ploče s debelim papirom. Ovu metodu treba mjeriti vježbom, svladavanjem veličine snage lasera i vremena djelovanja zrake.

3) Vrijednost apsorpcije materijala. Apsorpcija lasera od strane materijala ovisi o nekim važnim svojstvima materijala, kao što su brzina apsorpcije, refleksija, toplinska vodljivost, temperatura taljenja, temperatura isparavanja itd. Najvažnija je brzina apsorpcije.

Čimbenici koji utječu na brzinu apsorpcije materijala za lasersku zraku uključuju dva aspekta: prvo, otpornost materijala. Nakon mjerenja brzine apsorpcije polirane površine materijala, utvrđeno je da je stopa apsorpcije materijala proporcionalna kvadratnom korijenu koeficijenta otpora, koji zauzvrat varira s temperaturom; drugo, površinsko stanje (ili obrada) materijala ima važniji učinak na stopu apsorpcije zrake, čime ima značajan učinak na učinak zavarivanja.

Izlazna valna duljina CO2 lasera obično je 10,6 μm, brzina apsorpcije keramike, stakla, gume, plastike i drugih nemetala na sobnoj temperaturi vrlo je visoka, dok je apsorpcija metalnih materijala na sobnoj temperaturi vrlo loša, sve dok se materijal ne otopi ili čak ispari, njegova se apsorpcija naglo poveća. Korištenje površinskog premaza ili metode površinskog stvaranja oksidnog filma za poboljšanje apsorpcije materijala na zraku vrlo je učinkovito.

4) brzina zavarivanja. Brzina zavarivanja ima veliki utjecaj na dubinu taljenja, povećanje brzine će učiniti dubinu taljenja plitkim, ali brzina je preniska i dovest će do pretjeranog taljenja materijala, kroz koji se izradak zavariva. Dakle, određena snaga lasera i određena debljina određenog materijala ima odgovarajući raspon brzine zavarivanja, au kojem se odgovarajuća vrijednost brzine može dobiti kada je najveća dubina taljenja. Slika 2 prikazuje odnos između brzine zavarivanja i dubine taljenja čelika 1018.

5) Zaštitni plin. U procesu laserskog zavarivanja često se koristi inertni plin za zaštitu bazena taline, kada se neki materijali zavaruju bez obzira na površinsku oksidaciju, tada se također ne uzima u obzir zaštita, ali za većinu primjena često se koriste helij, argon, dušik i drugi plinovi za zaštitu, tako da izradak od oksidacije tijekom procesa zavarivanja.

Helij se ne ionizira lako (energija ionizacije je velika), što omogućuje prolaz lasera i energiju snopa da neometano dopre do površine obratka. To je najučinkovitiji zaštitni plin koji se koristi u laserskom zavarivanju, ali je skuplji.

Argon je jeftiniji i gušći, pa bolje štiti. Međutim, podložan je visokotemperaturnoj ionizaciji metalne plazme, što rezultira zaštitom dijela zrake za radni komad, smanjujući učinkovitu snagu lasera za zavarivanje i također smanjujući brzinu zavarivanja i dubinu taljenja. Površina zavarenog dijela je glatkija s argonskom zaštitom nego s helijskom zaštitom.

Dušik je najjeftiniji zaštitni plin, ali nije prikladan za neke vrste zavarivanja nehrđajućeg čelika, uglavnom zbog metalurških problema, kao što je apsorpcija, koja ponekad stvara poroznost u zoni preklopa.

Druga uloga korištenja zaštitnog plina je zaštita leće za fokusiranje od kontaminacije metalnim parama i prskanja tekućih rastaljenih kapljica. Ovo je posebno potrebno kod laserskog zavarivanja velike snage, gdje izbacivanje postaje vrlo snažno.

Treća funkcija zaštitnog plina je da je učinkovit u raspršivanju plazma zaštite proizvedene laserskim zavarivanjem velike snage. Metalna para apsorbira lasersku zraku i ionizira se u oblak plazme, a zaštitni plin oko metalne pare također se ionizira toplinom. Ako je prisutno previše plazme, plazma u određenoj mjeri troši lasersku zraku. Prisutnost plazme kao druge energije na radnoj površini čini dubinu taline manjom, a površinu bazena za zavarivanje širim. Brzina stvaranja kompleksa elektrona povećava se povećanjem broja sudara tri tijela elektron-ion i neutralni atom kako bi se smanjila gustoća elektrona u plazmi. Što je neutralni atom lakši, to je veća frekvencija sudara, to je veća brzina spoja; s druge strane, samo visoka energija ionizacije zaštitnog plina, kako se ne bi povećala gustoća elektrona zbog ionizacije samog plina.

Kao što se može vidjeti iz tablice, veličina oblaka plazme varira ovisno o korištenom zaštitnom plinu, pri čemu je helij najmanji, zatim dušik, a najveći kada se koristi argon. Što je veća veličina plazme, to je manja dubina taljenja. Razlog za ovu razliku je prvenstveno zbog različitog stupnja ionizacije molekula plina, a također i zbog razlike u difuziji metalne pare uzrokovane različitim gustoćama zaštitnih plinova.

Helij je najmanje ioniziran i najmanje gustoće te brzo raspršuje metalnu paru koja se diže iz bazena rastaljenog metala. Stoga, uporaba helija kao zaštitnog plina može maksimizirati potiskivanje plazme, čime se povećava dubina taljenja i poboljšava brzina zavarivanja; nije lako izazvati poroznost zbog svoje male težine i sposobnosti da pobjegne. Naravno, prema našim stvarnim rezultatima zavarivanja, učinak zaštite plinom argonom nije loš.

Oblak plazme na dubini taline u zoni niske brzine zavarivanja je najočitiji. Kada se brzina zavarivanja poveća, njegov utjecaj će biti oslabljen.

Zaštitni plin se izbacuje kroz otvor mlaznice pod određenim tlakom kako bi došao do površine obratka. Vrlo je važan hidrodinamički oblik mlaznice i veličina promjera izlaza. Mora biti dovoljno velik da raspršeni zaštitni plin pokrije površinu za zavarivanje, ali kako bi se učinkovito zaštitila leća i spriječila kontaminacija metalnim parama ili oštećenje leće prskanjem metala, veličina mlaznice također treba biti ograničena. Brzina protoka također treba biti kontrolirana, inače laminarni tok zaštitnog plina postaje turbulentan i atmosfera postaje uključena u rastaljeni bazen, na kraju stvarajući poroznost.

Kako bi se poboljšao učinak zaštite, također je dostupan dodatni bočni način puhanja, odnosno kroz mlaznicu manjeg promjera će zaštitni plin biti doveden pod određenim kutom izravno u duboku rupu rastaljenog zavara. Zaštitni plin ne samo da potiskuje oblak plazme na površini obratka, već također djeluje na plazmu u otvoru i formiranje male rupe, dodatno povećavajući dubinu taljenja i dobivajući dublji i širi zavareni šav nego što je poželjno. Međutim, ova metoda zahtijeva preciznu kontrolu veličine i smjera protoka plina, inače je lako proizvesti turbulenciju i oštetiti bazen taline, što rezultira teškim stabiliziranjem procesa zavarivanja.

6) Žarišna duljina objektiva. Zavarivanje se obično koristi za fokusiranje načina laserske konvergencije, opći izbor od 63 ~ 254 mm (2,5 '~ 10') žarišne duljine leće. Veličina fokusne točke proporcionalna je žarišnoj duljini, što je žarišna duljina kraća, to je mrlja manja. Ali žarišna duljina također utječe na žarišnu dubinu, to jest, žarišna dubina se povećava istovremeno sa žarišnom duljinom, tako da kratka žarišna duljina može poboljšati gustoću snage, ali zbog male žarišne dubine, udaljenost između leće i obratka mora se točno održavati, a dubina taljenja nije velika. Zbog utjecaja prskanja koje nastaje tijekom procesa zavarivanja i laserskog načina rada, stvarno zavarivanje koristi najkraću dubinu fokusa veću žarišnu duljinu od 126 mm (5'). Kada je šav velik ili se zavareni šav treba povećati povećanjem veličine točke, može se odabrati leća sa žarišnom duljinom od 254 mm (10'), u kojem slučaju je potrebna veća laserska izlazna snaga (gustoća snage) za postizanje dubokog taljenja efekt male rupe.

Kada snaga lasera prelazi 2kW, posebno za lasersku zraku CO2 od 10,6 μm, zbog upotrebe posebnih optičkih materijala za formiranje optičkog sustava, kako bi se izbjegao rizik od optičkog oštećenja leće za fokusiranje, često se odabire metoda fokusiranja refleksije, općenito korištenjem poliranog bakrenog zrcala za reflektor. Zbog učinkovitog hlađenja često se preporučuje za fokusiranje laserske zrake velike snage.

7) položaj žarišne točke. Zavarivanje, kako bi se održala dovoljna gustoća snage, položaj žarišne točke je kritičan. Promjene u položaju žarišne točke u odnosu na površinu obratka izravno utječu na širinu i dubinu zavara. Slika 3 prikazuje učinak položaja žarišne točke na dubinu taljenja i širinu šava čelika 1018. U većini primjena laserskog zavarivanja, žarišna točka obično se nalazi približno 1/4 željene dubine taline ispod površine obratka.

8) Položaj laserske zrake. Kod laserskog zavarivanja različitih materijala, položaj laserske zrake kontrolira konačnu kvalitetu zavara, posebno kod sučeonih spojeva koji su na to osjetljiviji od preklopnih spojeva. Na primjer, kada se zupčanici od kaljenog čelika zavaruju na bubnjeve od mekog čelika, odgovarajuća kontrola položaja laserske zrake olakšat će proizvodnju zavara s pretežno niskom udjelom ugljika, koji ima bolju otpornost na pukotine. U nekim primjenama, geometrija izratka koji se zavaruje zahtijeva da se laserska zraka skrene pod određenim kutom. Kada je kut otklona između osi grede i ravnine spoja unutar 100 stupnjeva, neće utjecati na apsorpciju laserske energije od strane izratka.

9) Početna i krajnja točka zavarivanja postupnog porasta snage lasera, kontrole postupnog opadanja. Lasersko zavarivanje dubokim taljenjem, bez obzira na dubinu zavara, fenomen malih rupa uvijek postoji. Kada se postupak zavarivanja prekine i prekidač napajanja isključi, na kraju zavara pojavit će se krater. Osim toga, kada sloj laserskog zavarivanja prekriva originalni zavar, doći će do prekomjerne apsorpcije laserske zrake, što će rezultirati pregrijavanjem ili poroznošću zavara.

Kako bi se spriječili gore navedeni fenomeni, točke pokretanja i zaustavljanja snage mogu se programirati tako da vrijeme početka i zaustavljanja snage postane podesivo, tj. početna snaga se elektronički povećava od nule do zadane vrijednosti snage u kratkom vremenskom razdoblju i podešava se vrijeme zavarivanja, a na kraju se snaga postupno smanjuje od zadane snage do nulte vrijednosti kada se zavarivanje završi.