Parameter proses utama pengelasan laser

1) Kekuatan laser. Ada ambang kepadatan energi laser dalam pengelasan laser, di bawahnya kedalaman lelehan adalah dangkal, dan setelah nilai ini tercapai atau terlampaui, kedalaman lelehan meningkat secara substansial. Hanya ketika kepadatan daya laser pada benda kerja melebihi ambang batas (tergantung material), plasma dihasilkan, yang menandai stabilisasi pengelasan fusi dalam. Jika daya laser berada di bawah ambang batas ini, benda kerja hanya mengalami peleburan permukaan, yaitu pengelasan berlangsung dalam jenis perpindahan panas yang stabil. Ketika kepadatan daya laser mendekati kondisi kritis pembentukan lubang kecil, pengelasan fusi dalam dan pengelasan konduksi bergantian dan menjadi proses pengelasan yang tidak stabil, yang mengakibatkan fluktuasi besar pada kedalaman lelehan. Dalam pengelasan fusi dalam laser, daya laser mengontrol kedalaman penetrasi dan kecepatan pengelasan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Kedalaman lelehan pengelasan berhubungan langsung dengan kepadatan daya pancaran dan merupakan fungsi dari daya pancaran sinar datang dan titik fokus sinar. Secara umum, untuk diameter sinar laser tertentu, kedalaman lelehan meningkat seiring dengan meningkatnya kekuatan sinar.

2) Titik fokus sinar. Ukuran titik sinar adalah salah satu variabel terpenting dalam pengelasan laser, karena menentukan kepadatan daya. Namun, pengukurannya merupakan tantangan bagi laser berdaya tinggi, meskipun banyak teknik pengukuran tidak langsung telah tersedia.

Ukuran titik batas difraksi fokus sinar dapat dihitung dari teori difraksi cahaya, namun titik sebenarnya lebih besar dari nilai yang dihitung karena adanya aberasi lensa pemfokusan. Metode pengukuran nyata yang paling sederhana adalah metode profil isotermal, yaitu mengukur titik fokus dan diameter perforasi setelah membakar dan menembus pelat polipropilen dengan kertas tebal. Metode ini harus diukur dengan latihan, menguasai besarnya kekuatan laser dan waktu kerja sinar.

3) Nilai serapan bahan. Penyerapan laser oleh material bergantung pada beberapa sifat penting material, seperti laju penyerapan, reflektifitas, konduktivitas termal, suhu leleh, suhu penguapan, dll. Yang paling penting adalah laju penyerapan.

Faktor-faktor yang mempengaruhi laju penyerapan material terhadap sinar laser meliputi dua aspek: pertama, resistivitas material. Setelah mengukur laju penyerapan permukaan material yang dipoles, ditemukan bahwa laju penyerapan material sebanding dengan akar kuadrat dari koefisien resistivitas, yang selanjutnya bervariasi terhadap suhu; kedua, keadaan permukaan (atau lapisan akhir) material mempunyai pengaruh yang lebih penting terhadap laju penyerapan balok, sehingga mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap efek pengelasan.

Panjang gelombang keluaran laser CO2 biasanya 10,6μm, keramik, kaca, karet, plastik dan non-logam lainnya memiliki tingkat penyerapan pada suhu kamar sangat tinggi, sedangkan bahan logam pada suhu kamar penyerapannya sangat buruk, sampai bahan tersebut meleleh atau bahkan menguap, penyerapannya meningkat tajam. Penggunaan metode pelapisan permukaan atau pembuatan permukaan film oksida untuk meningkatkan penyerapan material ke balok sangat efektif.

4) kecepatan pengelasan. Kecepatan pengelasan mempunyai pengaruh yang besar terhadap kedalaman lelehan, peningkatan kecepatan akan membuat kedalaman lelehan menjadi dangkal, namun kecepatan yang terlalu rendah akan menyebabkan peleburan material yang berlebihan, benda kerja akan dilas. Oleh karena itu, kekuatan laser tertentu dan ketebalan tertentu dari bahan tertentu memiliki kisaran kecepatan pengelasan yang sesuai, dan di mana nilai kecepatan yang sesuai dapat diperoleh ketika kedalaman leleh maksimum. Gambar 2 memberikan hubungan antara kecepatan pengelasan dan kedalaman leleh baja 1018.

5) Gas pelindung. Proses pengelasan laser sering menggunakan gas inert untuk melindungi kolam lelehan, ketika beberapa material dilas terlepas dari oksidasi permukaannya, maka juga tidak mempertimbangkan perlindungan, namun untuk sebagian besar aplikasi sering digunakan helium, argon, nitrogen dan gas lainnya untuk perlindungan, sehingga benda kerja dari oksidasi selama proses pengelasan.

Helium tidak mudah terionisasi (energi ionisasi tinggi), memungkinkan laser melewatinya dan energi sinar mencapai permukaan benda kerja tanpa hambatan. Ini adalah gas pelindung paling efektif yang digunakan dalam pengelasan laser, namun lebih mahal.

Argon lebih murah dan lebih padat, sehingga memberikan perlindungan lebih baik. Namun, bahan ini rentan terhadap ionisasi plasma logam bersuhu tinggi, yang mengakibatkan sebagian sinar terlindung pada benda kerja, mengurangi daya laser efektif untuk pengelasan, dan juga mengganggu kecepatan pengelasan serta kedalaman lelehan. Permukaan bagian yang dilas lebih halus dengan pelindung argon dibandingkan dengan pelindung helium.

Nitrogen adalah gas pelindung termurah, namun tidak cocok untuk beberapa jenis pengelasan baja tahan karat, terutama karena masalah metalurgi, seperti penyerapan, yang terkadang menghasilkan porositas di zona putaran.

Peran kedua dari penggunaan gas pelindung adalah untuk melindungi lensa fokus dari kontaminasi uap logam dan percikan tetesan cair cair. Hal ini terutama diperlukan dalam pengelasan laser berdaya tinggi, di mana ejecta menjadi sangat kuat.

Fungsi ketiga dari gas pelindung adalah efektif dalam menyebarkan pelindung plasma yang dihasilkan oleh pengelasan laser berkekuatan tinggi. Uap logam menyerap sinar laser dan terionisasi menjadi awan plasma, dan gas pelindung di sekitar uap logam juga terionisasi oleh panas. Jika plasma yang ada terlalu banyak, sinar laser dikonsumsi oleh plasma sampai batas tertentu. Kehadiran plasma sebagai energi kedua pada permukaan kerja membuat kedalaman lelehan menjadi lebih dangkal dan permukaan kolam las menjadi lebih lebar. Laju kompleksasi elektron ditingkatkan dengan meningkatkan jumlah tumbukan tiga benda ion elektron dan atom netral untuk mengurangi kerapatan elektron dalam plasma. Semakin ringan atom netralnya, semakin tinggi frekuensi tumbukannya, semakin tinggi pula laju senyawanya; sebaliknya hanya gas pelindung yang memiliki energi ionisasi yang tinggi, agar tidak meningkatkan kerapatan elektron akibat ionisasi gas itu sendiri.

Seperti dapat dilihat dari tabel, ukuran awan plasma bervariasi tergantung gas pelindung yang digunakan, dengan helium menjadi yang terkecil, diikuti oleh nitrogen, dan yang terbesar jika menggunakan argon. Semakin besar ukuran plasma, semakin dangkal kedalaman lelehnya. Alasan perbedaan ini pertama-tama disebabkan oleh perbedaan derajat ionisasi molekul gas dan juga karena perbedaan difusi uap logam yang disebabkan oleh perbedaan kepadatan gas pelindung.

Helium adalah yang paling sedikit terionisasi dan paling tidak padat, dan dengan cepat menghilangkan uap logam yang naik dari kumpulan logam cair. Oleh karena itu, penggunaan helium sebagai gas pelindung dapat memaksimalkan penekanan plasma, sehingga meningkatkan kedalaman lelehan dan meningkatkan kecepatan pengelasan; tidak mudah menimbulkan porositas karena bobotnya yang ringan dan kemampuannya untuk lepas. Tentu saja dari hasil pengelasan kami sebenarnya, efek proteksi dengan gas argon lumayan.

Awan plasma pada kedalaman lelehan di zona kecepatan pengelasan rendah adalah yang paling jelas. Ketika kecepatan pengelasan meningkat, pengaruhnya akan melemah.

Gas pelindung dikeluarkan melalui bukaan nosel dengan tekanan tertentu hingga mencapai permukaan benda kerja. Bentuk hidrodinamik nosel dan ukuran diameter saluran keluar sangat penting. Itu harus cukup besar untuk menggerakkan gas pelindung yang disemprotkan untuk menutupi permukaan pengelasan, namun untuk melindungi lensa secara efektif dan mencegah kontaminasi uap logam atau kerusakan percikan logam pada lensa, ukuran nosel juga harus dibatasi. Laju aliran juga harus dikontrol, jika tidak, aliran laminar dari gas pelindung menjadi turbulen dan atmosfer menjadi terlibat dalam kolam cair, yang pada akhirnya membentuk porositas.

Untuk meningkatkan efek perlindungan, tersedia juga cara hembusan lateral tambahan, yaitu melalui nosel berdiameter lebih kecil akan menjadi gas pelindung hingga sudut tertentu langsung ke dalam lubang las cair yang dalam. Gas pelindung tidak hanya menekan awan plasma pada permukaan benda kerja, tetapi juga memberikan pengaruh pada plasma di dalam lubang dan pembentukan lubang kecil, yang selanjutnya meningkatkan kedalaman fusi dan memperoleh lapisan las yang lebih dalam dan lebar dari yang diinginkan. Namun, metode ini memerlukan kontrol yang tepat terhadap ukuran dan arah aliran gas, jika tidak maka akan mudah menghasilkan turbulensi dan merusak kumpulan lelehan, sehingga proses pengelasan sulit untuk distabilkan.

6) Panjang fokus lensa. Pengelasan biasanya digunakan untuk memfokuskan cara konvergensi laser, pilihan umum panjang fokus lensa adalah 63 ~ 254mm (2,5 '~ 10'). Ukuran titik fokus sebanding dengan panjang fokus, semakin pendek panjang fokus, semakin kecil titik tersebut. Namun panjang fokus juga mempengaruhi kedalaman fokus, yaitu kedalaman fokus bertambah bersamaan dengan panjang fokus, sehingga panjang fokus yang pendek dapat meningkatkan kerapatan daya, namun karena kedalaman fokus yang kecil, jarak antara lensa dan benda kerja harus dijaga secara akurat, dan kedalaman lelehnya tidak besar. Karena pengaruh percikan yang dihasilkan selama proses pengelasan dan mode laser, pengelasan sebenarnya menggunakan kedalaman fokus terpendek lebih panjang fokus 126mm (5'). Bila jahitannya besar atau jahitan las perlu ditingkatkan dengan meningkatkan ukuran titik, lensa dengan panjang fokus 254mm (10') dapat dipilih, dalam hal ini daya keluaran laser yang lebih tinggi (kepadatan daya) diperlukan untuk mencapai efek lubang kecil lelehan dalam.

Ketika daya laser melebihi 2kW, terutama untuk sinar laser CO2 10,6μm, karena penggunaan bahan optik khusus untuk membentuk sistem optik, untuk menghindari risiko kerusakan optik pada lensa pemfokusan, sering kali memilih metode pemfokusan refleksi, umumnya menggunakan cermin tembaga yang dipoles untuk reflektor. Karena pendinginannya yang efektif, sering kali direkomendasikan untuk pemfokusan sinar laser berdaya tinggi.

7) posisi titik fokus. Pengelasan, untuk mempertahankan kepadatan daya yang cukup, posisi titik fokus sangat penting. Perubahan posisi titik fokus relatif terhadap permukaan benda kerja secara langsung mempengaruhi lebar dan kedalaman las. Gambar 3 menunjukkan pengaruh posisi titik fokus terhadap kedalaman leleh dan lebar jahitan baja 1018. Dalam sebagian besar aplikasi pengelasan laser, titik fokus biasanya diposisikan kira-kira 1/4 dari kedalaman lelehan yang diinginkan di bawah permukaan benda kerja.

8) Posisi sinar laser. Ketika laser mengelas material yang berbeda, posisi sinar laser mengontrol kualitas akhir las, terutama pada kasus sambungan butt yang lebih sensitif terhadap hal ini dibandingkan sambungan pangkuan. Misalnya, ketika roda gigi baja yang diperkeras dilas ke drum baja ringan, kontrol yang tepat terhadap posisi sinar laser akan memudahkan produksi las dengan komponen karbon rendah, yang memiliki ketahanan retak lebih baik. Dalam beberapa aplikasi, geometri benda kerja yang akan dilas memerlukan sinar laser yang dibelokkan dengan suatu sudut. Jika sudut defleksi antara sumbu sinar dan bidang sambungan berada dalam 100 derajat, penyerapan energi laser oleh benda kerja tidak akan terpengaruh.

9) Pengelasan titik awal dan akhir daya laser meningkat secara bertahap, kontrol penurunan bertahap. Pengelasan fusi dalam laser, terlepas dari kedalaman las, fenomena lubang kecil selalu ada. Ketika proses pengelasan dihentikan dan saklar daya dimatikan, maka akan muncul lubang di ujung las. Selain itu, ketika lapisan las laser menutupi lasan asli, akan terjadi penyerapan sinar laser yang berlebihan sehingga mengakibatkan panas berlebih atau porositas pada lasan.

Untuk mencegah fenomena di atas, titik mulai dan berhenti daya dapat diprogram sehingga waktu mulai dan berhenti daya dapat disesuaikan, yaitu daya awal ditingkatkan secara elektronik dari nol ke nilai daya yang ditetapkan dalam waktu singkat dan waktu pengelasan disesuaikan, dan akhirnya daya dikurangi secara bertahap dari daya yang disetel ke nilai nol ketika pengelasan dihentikan.