A lézeres hegesztés fő folyamatparaméterei

1) Lézer teljesítmény. A lézeres hegesztésnél létezik egy lézerenergia-sűrűségi küszöb, amely alatt az olvadék mélysége sekély, és ha ezt az értéket elérjük vagy túllépjük, az olvadék mélysége jelentősen megnő. Csak akkor keletkezik plazma, ha a munkadarabon a lézer teljesítménysűrűsége meghaladja a küszöbértéket (anyagfüggő), ami a mélyhegesztés stabilizálódását jelzi. Ha a lézerteljesítmény e küszöbérték alatt van, akkor a munkadarab csak felületi olvadáson megy keresztül, azaz a hegesztés stabil hőátadási módban megy végbe. Amikor a lézerteljesítménysűrűség a kis lyukak kialakulásának kritikus körülménye közelében van, a mélyömlesztéses hegesztés és a vezetéses hegesztés váltakozik, és instabil hegesztési folyamatokká válnak, ami nagy ingadozásokat eredményez az olvadékmélységben. A lézeres mélyfúziós hegesztésnél a lézerteljesítmény mind a behatolás mélységét, mind a hegesztési sebességet szabályozza, amint az 1. ábrán látható. Az olvadék hegesztési mélysége közvetlenül összefügg a sugár teljesítménysűrűségével, és a beeső sugárteljesítmény és a sugár fókuszpontjának függvénye. Általánosságban elmondható, hogy a lézersugár egy bizonyos átmérőjénél az olvadás mélysége a sugárteljesítmény növekedésével nő.

2) Nyaláb fókuszpontja. A lézerhegesztésnél a sugárpont mérete az egyik legfontosabb változó, mivel ez határozza meg a teljesítménysűrűséget. Mérése azonban kihívást jelent a nagy teljesítményű lézerek számára, bár számos közvetett mérési technika már elérhető.

A nyaláb fókuszdiffrakciós határfoltmérete a fénydiffrakciós elméletből számítható, de a tényleges folt nagyobb, mint a számított érték a fókuszáló lencse aberrációja miatt. A legegyszerűbb valós mérési módszer az izoterm profilmódszer, amely a fókuszfolt és a perforáció átmérőjének mérését jelenti egy polipropilén lemez vastag papírral való elégetése és áthatolása után. Ezt a módszert gyakorlattal kell mérni, elsajátítva a lézerteljesítmény nagyságát és a sugárhatás idejét.

3) Anyag abszorpciós értéke. A lézer anyag általi abszorpciója az anyag néhány fontos tulajdonságától függ, mint például az abszorpciós sebesség, a visszaverődés, a hővezető képesség, az olvadási hőmérséklet, a párolgási hőmérséklet stb. A legfontosabb az abszorpciós sebesség.

Az anyagnak a lézersugárhoz való abszorpciós sebességét befolyásoló tényezők két szempontot foglalnak magukban: először is az anyag ellenállása. Az anyag polírozott felületének abszorpciós sebességének mérése után azt találtuk, hogy az anyagelnyelési sebesség arányos az ellenállási együttható négyzetgyökével, amely viszont a hőmérséklettel változik; másodszor, az anyag felületi állapota (vagy kidolgozása) fontosabb hatással van a gerenda abszorpciós sebességére, így jelentős hatással van a hegesztési hatásra.

A CO2 lézer kimenő hullámhossza általában 10,6 μm, a kerámiák, üvegek, gumik, műanyagok és egyéb nemfémek szobahőmérsékleten nagyon magas, míg a fémanyagok szobahőmérsékleten nagyon gyenge abszorpciója, amíg az anyag megolvadása vagy elpárolgása után meredeken megnőtt. A felületi bevonat vagy az oxidfilm felületi előállítása módszer alkalmazása az anyag gerendához való abszorpciójának javítására nagyon hatékony.

4) hegesztési sebesség. A hegesztési sebesség nagymértékben befolyásolja az olvadás mélységét, a sebesség növelése miatt az olvadás mélysége sekély lesz, de a sebesség túl alacsony, és az anyag túlzott megolvadásához vezet, a munkadarab áthegeszthető. Ezért egy bizonyos lézerteljesítménynek és egy adott anyag bizonyos vastagságának megfelelő hegesztési sebesség tartománya van, és amelyben a megfelelő sebességérték érhető el, amikor a maximális olvadásmélység. A 2. ábra az 1018-as acél hegesztési sebessége és olvadási mélysége közötti összefüggést mutatja be.

5) Védőgáz. A lézeres hegesztési folyamatok gyakran használnak inert gázt az olvadékmedence védelmére, amikor egyes anyagokat hegesztenek, függetlenül a felületi oxidációtól, akkor szintén nem veszik figyelembe a védelmet, de a legtöbb alkalmazásban gyakran héliumot, argont, nitrogént és más gázokat használnak a védelem érdekében, hogy a munkadarab a hegesztési folyamat során oxidálódjon.

A hélium nem könnyen ionizálható (az ionizációs energia nagy), így a lézer áthatol és a sugár energiája akadálytalanul eléri a munkadarab felületét. Ez a lézeres hegesztésnél használt leghatékonyabb védőgáz, de drágább.

Az argon olcsóbb és sűrűbb, ezért jobban véd. Azonban érzékeny a magas hőmérsékletű fémplazma ionizációra, ami a sugár egy részének a munkadarabhoz való árnyékolását eredményezi, csökkentve a hegesztési lézer effektív teljesítményét, valamint rontja a hegesztési sebességet és az olvadás mélységét. A hegesztett rész felülete argonvédelemmel simább, mint héliumvédelemmel.

A nitrogén a legolcsóbb védőgáz, de bizonyos típusú rozsdamentes acél hegesztésre nem alkalmas, főként kohászati ​​problémák, például a felszívódás miatt, ami esetenként porozitást okoz a körzónában.

A védőgáz használatának második feladata, hogy megvédje a fókuszáló lencsét a fémgőz szennyeződésétől és a folyékony olvadt cseppek porlasztásától. Ez különösen nagy teljesítményű lézerhegesztésnél szükséges, ahol a kidobás nagyon erős.

A védőgáz harmadik funkciója, hogy hatékonyan oszlatja el a nagy teljesítményű lézerhegesztéssel előállított plazmaárnyékolást. A fémgőz elnyeli a lézersugarat és plazmafelhővé ionizálódik, valamint a fémgőz körüli védőgázt is ionizálja a hő. Ha túl sok plazma van jelen, a lézersugarat bizonyos mértékig a plazma fogyasztja. A plazma, mint második energia jelenléte a munkafelületen sekélyebbé teszi az olvadék mélységét, és szélesebbé teszi a hegesztőmedence felületét. Az elektron-komplexképződés sebességét növeli az elektron-ion és a semleges atom háromtest ütközések számának növelése, hogy csökkentse az elektronsűrűséget a plazmában. Minél könnyebb a semleges atom, annál nagyobb az ütközési gyakoriság, annál nagyobb a vegyület aránya; másrészt csak a védőgáz nagy ionizációs energiája, hogy magának a gáznak az ionizációja miatt ne nőjön az elektronsűrűség.

Amint a táblázatból látható, a plazmafelhő mérete a használt védőgáztól függően változik, a hélium a legkisebb, ezt követi a nitrogén, és a legnagyobb, ha argont használunk. Minél nagyobb a plazma mérete, annál sekélyebb az olvadási mélység. Ennek az eltérésnek az oka egyrészt a gázmolekulák eltérő ionizációs foka, másrészt a fémgőz diffúziójában a védőgázok eltérő sűrűsége által okozott különbség.

A hélium a legkevésbé ionizált és a legkevésbé sűrű, és gyorsan elvezeti a felszálló fémgőzt az olvadt fémmedencéből. Ezért a hélium védőgázként történő használata maximalizálhatja a plazma elnyomását, ezáltal növelve az olvadás mélységét és javítva a hegesztési sebességet; könnyű súlya és szökési képessége miatt nem könnyű porozitást okozni. Természetesen a tényleges hegesztési eredményeink alapján az argongázzal történő védelem hatása nem rossz.

A plazmafelhő az olvadásmélységen az alacsony hegesztési sebességű zónában a legszembetűnőbb. Ha a hegesztési sebesség növekszik, annak hatása gyengül.

A védőgázt a fúvóka nyílásán keresztül egy bizonyos nyomással kifújják, hogy elérje a munkadarab felületét. Nagyon fontos a fúvóka hidrodinamikus formája és a kiömlőnyílás átmérőjének mérete. Elég nagynak kell lennie ahhoz, hogy a kipermetezett védőgázt elfedje a hegesztési felületet, de a lencse hatékony védelme és a fémgőz szennyeződésének vagy a lencse fémfröccsenésétől való károsodásának elkerülése érdekében a fúvóka méretét is korlátozni kell. Az áramlási sebességet is szabályozni kell, különben a védőgáz lamináris áramlása turbulenssé válik, és a légkör részt vesz az olvadékban, végül porozitást hozva létre.

A védőhatás javítása érdekében további oldalirányú fúvási mód is rendelkezésre áll, vagyis egy kisebb átmérőjű fúvókán keresztül a védőgáz egy bizonyos szögben közvetlenül a mély, olvadt varratfuratba kerül. A védőgáz nemcsak elnyomja a plazmafelhőt a munkadarab felületén, hanem befolyást gyakorol a furatban lévő plazmára és a kis lyuk kialakulására is, tovább növelve az olvadás mélységét, és a kívánatosnál mélyebb és szélesebb hegesztési varrat keletkezik. Ez a módszer azonban megköveteli a gázáramlás méretének és irányának pontos szabályozását, különben könnyen turbulenciát kelthet, és károsíthatja az olvadékmedencét, így a hegesztési folyamat nehezen stabilizálható.

6) Az objektív gyújtótávolsága. A hegesztést általában a lézeres konvergencia fókuszálására használják, az általános választás a 63 ~ 254 mm-es (2,5 '~ 10') gyújtótávolság a lencse. A fókuszpont mérete arányos a gyújtótávolsággal, minél rövidebb a fókusztávolság, annál kisebb a folt. De a gyújtótávolság is befolyásolja a fókuszmélységet, vagyis a gyújtótávolsággal egyidejűleg növekszik a gyújtótávolság, így a rövid gyújtótávolság javíthatja a teljesítménysűrűséget, de a kis fókuszmélység miatt pontosan be kell tartani a lencse és a munkadarab távolságát, és az olvadási mélység sem nagy. A hegesztési folyamat és a lézer üzemmód során keletkező fröcskölés hatására a tényleges hegesztés a legrövidebb fókuszmélységgel nagyobb gyújtótávolságot 126mm (5'). Ha a varrat nagy, vagy a hegesztési varrat a foltméret növelésével növelendő, akkor 254mm (10') gyújtótávolságú lencse választható, melynél nagyobb lézerteljesítmény szükséges (sűrűbb lézerteljesítmény eléréséhez). kis lyuk hatás.

Ha a lézerteljesítmény meghaladja a 2 kW-ot, különösen a 10,6 μm-es CO2 lézersugár esetében, az optikai rendszer kialakításához speciális optikai anyagok használata miatt, a fókuszáló lencse optikai károsodásának elkerülése érdekében, gyakran választják a reflexiós fókuszálási módszert, általában polírozott réztükröt használnak a reflektorhoz. A hatékony hűtés miatt gyakran ajánlott nagy teljesítményű lézersugaras fókuszáláshoz.

7) fókuszpont helyzete. A hegesztésnél a megfelelő teljesítménysűrűség fenntartása érdekében a fókuszpont helyzete kritikus. A fókuszpont helyzetének változása a munkadarab felületéhez képest közvetlenül befolyásolja a hegesztési szélességet és mélységet. A 3. ábra a fókuszpont helyzetének hatását mutatja az 1018-as acél olvadásmélységére és varratszélességére. A legtöbb lézerhegesztési alkalmazásban a fókuszpont jellemzően a kívánt olvadásmélység körülbelül 1/4-ével a munkadarab felülete alatt helyezkedik el.

8) A lézersugár helyzete. Különböző anyagok lézeres hegesztése során a lézersugár pozíciója szabályozza a varrat végső minőségét, különösen az erre érzékenyebb tompakötések esetében, mint az átlapolt kötések. Például, ha edzett acél fogaskerekeket lágyacél dobokhoz hegesztenek, a lézersugár helyzetének megfelelő szabályozása megkönnyíti a túlnyomóan alacsony széntartalmú komponensű hegesztés előállítását, amely jobb repedésállósággal rendelkezik. Egyes alkalmazásokban a hegesztendő munkadarab geometriája megköveteli, hogy a lézersugarat egy szöggel eltérítsék. Ha a nyaláb tengelye és az illesztési sík közötti elhajlási szög 100 fokon belül van, a lézerenergia munkadarab általi elnyelését nem befolyásolja.

9) A lézerteljesítmény fokozatos emelkedése, fokozatos csökkenése hegesztési kezdő- és végpontja. A lézeres mélyhegesztés, a varrat mélységétől függetlenül, a kis lyukak jelensége mindig fennáll. Amikor a hegesztési folyamat befejeződik, és a főkapcsolót kikapcsolja, egy kráter jelenik meg a varrat végén. Ezen túlmenően, amikor a lézerhegesztő réteg lefedi az eredeti varratot, a lézersugár túlzott elnyelődése következik be, ami a varrat túlmelegedését vagy porozitását eredményezi.

A fenti jelenségek megelőzése érdekében a teljesítmény indítási és leállítási pontjai úgy programozhatók, hogy a teljesítmény indítási és leállítási ideje állítható legyen, azaz az indítóteljesítményt elektronikusan rövid időn belül nulláról a beállított teljesítményértékre növeljük és a hegesztési időt állítjuk be, végül a hegesztés befejezésekor a teljesítményt a beállított teljesítményről a nulla értékre fokozatosan csökkentjük.