Lézeres hegesztés fő folyamatparaméterek

1) Lézerteljesítmény. Van egy lézerenergia -sűrűség küszöb a lézerhegesztésben, amely alatt az olvadék mélysége sekély, és miután ezt az értéket elérik vagy túllépik, az olvadék mélysége jelentősen növekszik. Csak akkor, ha a munkadarab lézerteljesítmény sűrűsége meghaladja a küszöböt (anyagfüggő), plazma jön létre, amely jelzi a mély fúziós hegesztés stabilizálását. Ha a lézerteljesítmény ezen küszöb alatt van, akkor a munkadarab csak felületi olvadáson megy keresztül, azaz a hegesztés stabil hőátadási típusban folyik. Ha a lézerteljesítmény sűrűsége a kis lyukak képződésének kritikus állapotához közel áll, a mély fúziós hegesztés és a vezetés hegesztése váltakozva, és instabil hegesztési folyamatokká válnak, ami nagy ingadozásokat eredményez az olvadékmélységben. A lézeres mély fúziós hegesztés során a lézerteljesítmény vezérli mind a penetráció mélységét, mind a hegesztési sebességet, amint az az 1. ábrán látható. Az olvadék hegesztési mélysége közvetlenül kapcsolódik a sugár teljesítményének sűrűségéhez, és a beeső sugár teljesítményének és a gerenda fókuszpontjának függvénye. Általában a lézersugár egy bizonyos átmérőjére az olvadék mélysége növekszik, amikor a sugár teljesítménye növekszik.

2) A gerenda fókuszpontja. A sugárfoltméret a lézerhegesztés egyik legfontosabb változója, mivel meghatározza az energia sűrűségét. A mérés azonban kihívást jelent a nagy teljesítményű lézerek számára, bár sok közvetett mérési technika már rendelkezésre áll.

A gerenda fókuszos diffrakciós határértékének méretét a fénydiffrakció elméletéből lehet kiszámítani, de a tényleges folt nagyobb, mint a számított érték, a fókuszáló lencse -rendellenességek jelenléte miatt. A legegyszerűbb valós mérési módszer az izotermikus profil módszer, amelynek célja a fókuszfolt és a perforáció átmérője mérése, miután egy polipropilénlemezt vastag papírral behatoltak és behatoltak. Ezt a módszert gyakorlással kell mérni, elsajátítva a lézerteljesítmény méretét és a sugárzás idejét.

3) Az anyag abszorpciós értéke. A lézer anyag általi abszorpciója az anyag néhány fontos tulajdonságától függ, mint például az abszorpciós sebesség, a reflexió, a hővezető képesség, az olvadás hőmérséklete, a párolgási hőmérséklet stb. A legfontosabb az abszorpciós sebesség.

Az anyag abszorpciós sebességét befolyásoló tényezők a lézernyalábra két szempontot tartalmaznak: először is az anyag ellenállása. Az anyag csiszolt felületének abszorpciós sebességének mérése után kiderült, hogy az anyag abszorpciós sebessége arányos az ellenállási együttható négyzetgyökével, amely viszont a hőmérséklettől függ; Másodszor, az anyag felszíni állapota (vagy befejezése) fontosabb hatással van a sugár abszorpciós sebességére, ezáltal jelentős hatással van a hegesztési hatásra.

A CO2 lézer kimeneti hullámhossza általában 10,6 μm, a kerámia, az üveg, a gumi, a műanyag és más nem fémek szobahőmérsékleten történő abszorpciós sebességén nagyon magas, míg a fémhőmérsékleten történő abszorpción nagyon gyenge, amíg az anyag egyszer meg nem olvad vagy akár elpárolog, az abszorpció élesen megnövekedett. A felületi bevonat vagy az oxidfilm -módszer felületének előállítása használata az anyag felszívódásának javítására a sugárba nagyon hatékony.

4) Hegesztési sebesség. A hegesztési sebesség nagy hatással van az olvadék mélységére, növeli a sebességet, hogy az olvadék mélysége sekély, de a sebesség túl alacsony, és az anyag túlzott olvadásához vezet, a munkadarab hegesztve. Ezért egy bizonyos lézerteljesítménynek és egy adott anyag bizonyos vastagságának megfelelő hegesztési sebessége van, és amelyben a megfelelő sebességértéket lehet elérni, ha az olvadás maximális mélysége. A 2. ábra a hegesztési sebesség és az 1018 acél olvadási mélysége közötti összefüggést mutatja be.

5) Védőgáz. A lézeres hegesztési folyamat gyakran inert gázt használ az olvadékmedence védelmére, amikor egyes anyagok hegesztették a felületi oxidációtól függetlenül, majd nem veszik figyelembe a védelmet, de a legtöbb alkalmazáshoz gyakran használják a héliumot, argont, nitrogént és más gázokat, hogy a munkadarab az oxidációból a hegesztési folyamat során.

A hélium nem könnyen ionizálódik (az ionizációs energia magas), lehetővé téve a lézer áthaladását és a sugár energiáját, hogy akadálytalanul elérje a munkadarab felületét. Ez a leghatékonyabb árnyékológáz, amelyet a lézeres hegesztéshez használnak, de drágább.

Argon olcsóbb és sűrűbb, tehát jobban védi. Ugyanakkor hajlamos a magas hőmérsékletű fém plazma ionizációra, ami a gerenda egy részének árnyékolását eredményezi a munkadarabhoz, csökkentve a hegesztés hatékony lézerteljesítményét, valamint a hegesztési sebességet és az olvadék mélységét. A hegesztett rész felülete simább az argonvédelemmel, mint a héliumvédelemmel.

A nitrogén a legolcsóbb árnyékológáz, de nem alkalmas bizonyos típusú rozsdamentes acél hegesztéshez, elsősorban a fémkohászati ​​problémák, például az abszorpció miatt, amely néha porozitást eredményez a kör zónájában.

Az árnyékológáz használatának második szerepe a fókuszáló lencsék védelme a fémgőz -szennyeződés és a folyékony olvadt cseppek porlasztása ellen. Ez különösen szükséges a nagy teljesítményű lézerhegesztésnél, ahol az ejecta nagyon erős.

Az árnyékológáz harmadik funkciója az, hogy hatékonyan diszpergálja a nagy teljesítményű lézerhegesztés által termelt plazma árnyékolást. A fémgőz elnyeli a lézernyalábot, és ionizál egy plazma felhőbe, és a fémgőz körüli árnyékoló gáz a hő is ionizálódik. Ha túl sok plazma van jelen, akkor a lézernyalábot bizonyos mértékben elfogyasztja a lézersugár. A plazma jelenléte mint második energia a működő felületen, az olvadék mélységét sekélyebbé és a hegesztési medence felületének szélesebbé teszi. Az elektronkomplexáció sebességét az elektron-ion és a semleges atom háromtestes ütközések számának növelése növeli a plazma elektronsűrűségének csökkentése érdekében. Minél könnyebb a semleges atom, annál magasabb az ütközési frekvencia, annál magasabb az összetett sebesség; Másrészt csak az árnyékológáz magas ionizációs energiája, hogy ne növelje az elektronsűrűséget maga a gáz ionizációja miatt.

Amint az asztallal látható, a plazma felhő mérete a használt védőgáztól függ, a hélium a legkisebb, majd a nitrogén, és a legnagyobb az argon használatakor. Minél nagyobb a plazma mérete, annál sekélyebb az olvadási mélység. Ennek a különbségnek az oka elsősorban a gázmolekulák különböző fokú ionizációjának, valamint a fémgőz diffúziójának különbségének köszönhető, amelyet a védőgázok eltérő sűrűségei okoznak.

A hélium a legkevésbé ionizált és a legkevésbé sűrű, és gyorsan eloszlatja az emelkedő fémgőzt az olvadt fémmedencéből. Ezért a hélium árnyékológázként történő használata maximalizálhatja a plazma elnyomását, ezáltal növelve az olvadék mélységét és javítva a hegesztési sebességet; Könnyű súlya és menekülési képessége miatt nem könnyű porozitást okozni. Természetesen a tényleges hegesztési eredményeink alapján az Argon Gas -val való védelem hatása nem rossz.

A plazmafelhő az olvadék mélységén az alacsony hegesztési sebességű zónában a legnyilvánvalóbb. Amikor a hegesztési sebesség növekszik, annak befolyása gyengül.

Az árnyékológázt a fúvóka nyílásán keresztül egy bizonyos nyomáson dobják ki, hogy elérjék a munkadarab felületét. A fúvóka hidrodinamikai alakja és a kimenet átmérőjének mérete nagyon fontos. Elég nagynak kell lennie ahhoz, hogy a permetezett árnyékológázt a hegesztési felület lefedéséhez meghajtsa, de a lencse hatékony védelme és a fémgőz -szennyeződés vagy a fémrombos károsodás megakadályozása érdekében a fúvóka méretét szintén korlátozni kell. Az áramlási sebességet szintén ellenőrizni kell, különben az árnyékológáz lamináris áramlása turbulenssé válik, és a légkör bekapcsolódik az olvadt medencébe, végül porozitást képez.

A védelmi hatás javítása érdekében további oldalirányú fújás is rendelkezésre áll, azaz egy kisebb átmérőjű fúvóka révén a védőgáz egy bizonyos szögig, közvetlenül a mély olvadt hegesztési lyukba. Az árnyékológáz nemcsak elnyomja a plazmafelhőt a munkadarab felületén, hanem befolyásolja a lyuk plazmáját és a kis lyuk kialakulását, tovább növelve a fúzió mélységét, és mélyebb és szélesebb hegesztési varrást kap, mint amennyire kívánatos. Ez a módszer azonban megköveteli a gázáramlás méretének és irányának pontos ellenőrzését, különben könnyű turbulenciát előállítani és megrongálhatja az olvadékmedencét, ami a hegesztési folyamatot nehéz stabilizálni.

6) Lencse fókusztávolság. A hegesztést általában arra használják, hogy a lézerkonvergencia, a 63 ~ 254 mm (2,5 '~ 10 ') fókuszhosszúságú általános választékot fókuszálják. A fókuszált foltméret arányos a fókusztávolsággal, annál rövidebb a fókusztávolság, annál kisebb a folt. De a fókusztávolság szintén befolyásolja a fókuszmélységet, azaz a fókusztávolság egyidejűleg növekszik a fókusztávolsággal, így a rövid fókusztávolság javíthatja az energia sűrűségét, de a kicsi fókusztermék miatt a lencse és a munkadarab közötti távolságot pontosan meg kell tartani, és az olvadási mélység nem nagy. A hegesztési folyamat és a lézer üzemmód során generált fröccsenés hatása miatt a tényleges hegesztés a legrövidebb fókuszmélység felhasználásával, több fókusztávolság 126 mm (5 '). Ha a varrás nagy, vagy a hegesztési varrást meg kell növelni a foltméret növelésével, a lencsének a 254 mm -es fókuszhosszúságú (10 ') -re kell választani.

Ha a lézerteljesítmény meghaladja a 2kW -t, különösen a 10,6 μm -es CO2 lézernyaláb esetében, mivel speciális optikai anyagokat használ az optikai rendszer kialakításához, hogy elkerülje a fókuszáló lencse optikai károsodásának kockázatát, gyakran válassza ki a reflexió -fókuszálási módszert, általában polírozott réz tükör használatával a reflektorhoz. A tényleges hűtés miatt gyakran ajánlott a nagy teljesítményű lézernyaláb fókuszálásához.

7) Fókuszpont helyzet. A hegesztés a megfelelő teljesítménysűrűség fenntartása érdekében a fókuszpont helyzete kritikus. A fókuszpont helyzetének változása a munkadarab felületéhez viszonyítva közvetlenül befolyásolja a hegesztés szélességét és mélységét. A 3. ábra a fókuszpont helyzetének az olvadék mélységére és a varrás szélességére gyakorolt ​​hatását mutatja. A legtöbb lézeres hegesztési alkalmazásban a fókuszpont általában a kívánt olvadék mélységének kb. 1/4 -et a munkadarab felülete alatt helyezkedik el.

8) A lézernyaláb helyzete. Különböző anyagok lézeres hegesztése esetén a lézernyaláb pozíciója szabályozza a hegesztés végső minőségét, különösen olyan fenekű illesztések esetén, amelyek erre érzékenyebbek, mint az öl -ízületek. Például, amikor az edzett acél fogaskerekeket enyhe acéldobokhoz hegesztik, a lézernyaláb helyzetének megfelelő vezérlése megkönnyíti a hegesztés előállítását egy túlnyomórészt alacsony szén -dioxid -kibocsátású alkatrészben, amelynek jobb repedési ellenállása van. Egyes alkalmazásokban a hegesztendő munkadarab geometriája megköveteli, hogy a lézernyalábot egy szög elhajolja. Ha a sugár tengelye és az ízületi sík közötti eltérési szög 100 fokon belül van, a lézerenergia a munkadarab általi abszorpcióját nem érinti.

9) A lézerteljesítmény hegesztési kezdési és végpontja fokozatos emelkedés, fokozatos hanyatlásszabályozás. A lézeres mély fúziós hegesztés, a hegesztés mélységétől függetlenül, a kis lyukak jelensége mindig létezik. Amikor a hegesztési folyamat megszűnik, és ki van kapcsolva a tápkapcsoló, a kráter megjelenik a hegesztés végén. Ezenkívül, amikor a lézerhegesztő réteg lefedi az eredeti hegesztést, a lézersugár túlzott felszívódása lesz, ami a hegesztés túlmelegedését vagy porozitását eredményezi.

A fenti jelenségek megakadályozása érdekében az energiaindítási és stop pontokat be lehet programozni, hogy az energiaindítási és leállási idő állítható legyen, azaz a kiindulási teljesítményt elektronikusan nulláról növekszik a beállított teljesítményértékre rövid időn belül, és a hegesztési időt beállítják, és végül az energia fokozatosan csökken a beállított teljesítményről a nulla értékre, amikor a hegesztés megszűnik.