Saldatura laser Parametri di processo principale

1) Potenza laser. Esiste una soglia di densità di energia laser nella saldatura laser, al di sotto della quale la profondità di fusione è superficiale e una volta che questo valore viene raggiunto o superato, la profondità di fusione aumenta sostanzialmente. Solo quando la densità di potenza laser sul pezzo supera la soglia (dipendente dal materiale), viene generato il plasma, il che segna la stabilizzazione della saldatura di fusione profonda. Se la potenza laser è al di sotto di questa soglia, il pezzo subisce solo una fusione superficiale, ovvero la saldatura procede in un tipo di trasferimento di calore stabile. Quando la densità di potenza laser è vicina alla condizione critica della formazione di piccoli fori, la saldatura di fusione profonda e la saldatura della conduzione si alternano e diventano processi di saldatura instabili, con conseguenti grandi fluttuazioni della profondità di fusione. Nella saldatura a fusione profonda laser, la potenza laser controlla sia la profondità di penetrazione che la velocità di saldatura, come mostrato nella Figura 1. La profondità di saldatura di fusione è direttamente correlata alla densità di potenza del raggio ed è una funzione della potenza del raggio incidente e del punto focale del raggio. In generale, per un certo diametro del raggio laser, la profondità di fusione aumenta all'aumentare della potenza del raggio.

2) Spot focale del raggio. La dimensione del punto del raggio è una delle variabili più importanti nella saldatura laser, in quanto determina la densità di potenza. Tuttavia, la sua misurazione è una sfida per i laser ad alta potenza, sebbene molte tecniche di misurazione indiretta siano già disponibili.

La dimensione del punto di diffrazione focale del raggio può essere calcolata dalla teoria della diffrazione della luce, ma il punto effettivo è maggiore del valore calcolato a causa della presenza di aberrazione delle lenti di messa a fuoco. Il metodo di misurazione reale più semplice è il metodo del profilo isotermico, che è misurare il diametro focale e il diametro della perforazione dopo aver bruciato e penetrato una piastra di polipropilene con carta spessa. Questo metodo dovrebbe essere misurato dalla pratica, padroneggiando le dimensioni della potenza laser e il tempo dell'azione del raggio.

3) Valore di assorbimento del materiale. L'assorbimento del laser da parte del materiale dipende da alcune importanti proprietà del materiale, come tasso di assorbimento, riflettività, conduttività termica, temperatura di fusione, temperatura di evaporazione, ecc. Il più importante è il tasso di assorbimento.

I fattori che influenzano il tasso di assorbimento del materiale al raggio laser includono due aspetti: in primo luogo, la resistività del materiale. Dopo aver misurato il tasso di assorbimento della superficie lucida del materiale, si è riscontrato che il tasso di assorbimento del materiale è proporzionale alla radice quadrata del coefficiente di resistività, che a sua volta varia con la temperatura; In secondo luogo, lo stato superficiale (o la finitura) del materiale ha un effetto più importante sul tasso di assorbimento del raggio, con un effetto significativo sull'effetto di saldatura.

La lunghezza d'onda di uscita laser CO2 è generalmente 10,6 μm, ceramica, vetro, gomma, plastica e altri non metalli sulla sua frequenza di assorbimento a temperatura ambiente è molto elevato, mentre i materiali metallici a temperatura ambiente al suo assorbimento sono molto scarsi, fino a quando il materiale una volta si è sciolto o addirittura vaporizzato, il suo assorbimento è aumentato bruscamente. L'uso del rivestimento superficiale o della generazione di superficie del metodo del film di ossido per migliorare l'assorbimento del materiale al raggio è molto efficace.

4) Velocità di saldatura. La velocità di saldatura ha un grande impatto sulla profondità di fusione, l'aumento della velocità renderà la profondità di fusione poco profonda, ma la velocità è troppo bassa e porterà a una fusione eccessiva del materiale, il pezzo saldato attraverso. Pertanto, una certa potenza laser e un certo spessore di un particolare materiale hanno un intervallo adatto di velocità di saldatura e in cui è possibile ottenere il valore di velocità corrispondente quando la profondità massima di fusione. La Figura 2 fornisce la relazione tra velocità di saldatura e profondità di fusione di 1018 acciaio.

5) Gas protettivo. Il processo di saldatura laser utilizza spesso gas inerte per proteggere la piscina di fusione, quando alcuni materiali saldati indipendentemente dall'ossidazione superficiale, quindi non considerano la protezione, ma per la maggior parte delle applicazioni sono spesso usate elio, argon, azoto e altri gas per la protezione, in modo che il pezzo dall'ossidazione durante il processo di saldatura.

L'elio non è facilmente ionizzato (l'energia di ionizzazione è alta), consentendo al laser di passare attraverso e l'energia del raggio per raggiungere la superficie del pezzo senza ostacoli. È il gas di schermatura più efficace utilizzato nella saldatura laser, ma è più costoso.

L'argon è più economico e più denso, quindi protegge meglio. Tuttavia, è suscettibile alla ionizzazione del plasma metallico ad alta temperatura, che si traduce in una parte di protezione del raggio al pezzo, riducendo l'effettiva potenza laser per la saldatura e anche compromettendo la velocità di saldatura e la profondità della fusione. La superficie della parte saldata è più liscia di protezione dell'argon che con protezione dell'elio.

L'azoto è il gas di schermatura più economico, ma non è adatto per alcuni tipi di saldatura in acciaio inossidabile, principalmente a causa di problemi metallurgici, come l'assorbimento, che a volte produce porosità nella zona del giro.

Il secondo ruolo dell'uso di un gas di schermatura è proteggere la lente di messa a fuoco dalla contaminazione da vapore metallico e lo sputtering di goccioline fusa liquide. Ciò è particolarmente necessario nella saldatura laser ad alta potenza, in cui l'ejecta diventa molto potente.

Una terza funzione del gas di schermatura è che è efficace nel disperdere la schermatura del plasma prodotta dalla saldatura laser ad alta potenza. Il vapore metallico assorbe il raggio laser e ionizza in una nuvola di plasma e anche il gas di schermatura attorno al vapore metallico è ionizzato dal calore. Se è presente troppo plasma, il raggio laser viene consumato dal plasma in una certa misura. La presenza del plasma come una seconda energia sulla superficie di lavoro rende più ampia la profondità di fusione e la superficie della piscina di saldatura. Il tasso di complessazione degli elettroni viene aumentato aumentando il numero di collisioni a tre corpi di atomo di elettroni e neutro per ridurre la densità elettronica nel plasma. Più leggero è l'atomo neutro, maggiore è la frequenza di collisione, maggiore è la velocità del composto; D'altra parte, solo l'elevata energia di ionizzazione del gas di schermatura, in modo da non aumentare la densità elettronica a causa della ionizzazione del gas stesso.

Come si può vedere dal tavolo, la dimensione del plasma della nuvola varia con il gas protettivo utilizzato, con l'elio il più piccolo, seguito da azoto e il più grande quando viene utilizzato l'argon. Maggiore è la dimensione del plasma, più superficiale è la profondità di fusione. La ragione di questa differenza è in primo luogo dovuta al diverso grado di ionizzazione delle molecole di gas e anche a causa della differenza nella diffusione del vapore metallico causato dalle diverse densità dei gas protettivi.

L'elio è il meno ionizzato e il meno denso e dissipa rapidamente il vapore in metallo in aumento dalla piscina in metallo fuso. Pertanto, l'uso dell'elio come gas di protezione può massimizzare la soppressione del plasma, aumentando così la profondità della fusione e migliorando la velocità di saldatura; Non è facile causare porosità a causa del suo peso leggero e della capacità di fuggire. Naturalmente, dai nostri risultati di saldatura effettivi, l'effetto della protezione con il gas argon non è male.

La nuvola al plasma sulla profondità di fusione nella zona di velocità di saldatura a bassa saldatura è la più ovvia. Quando la velocità di saldatura aumenta, la sua influenza sarà indebolita.

Il gas di schermatura viene espulso attraverso l'apertura dell'ugello a una certa pressione per raggiungere la superficie del pezzo. La forma idrodinamica dell'ugello e le dimensioni del diametro dell'outlet sono molto importanti. Deve essere abbastanza grande da guidare il gas di schermatura spruzzato per coprire la superficie di saldatura, ma al fine di proteggere efficacemente l'obiettivo e prevenire la contaminazione del vapore metallico o i danni degli schizzi in metallo alla lente, la dimensione dell'ugello dovrebbe essere limitata. Anche la portata dovrebbe essere controllata, altrimenti il ​​flusso laminare del gas di schermatura diventa turbolento e l'atmosfera viene coinvolta nel pool fuso, formando infine porosità.

Al fine di migliorare l'effetto di protezione, anche disponibile per il soffio laterale aggiuntivo, ovvero attraverso un ugello di diametro più piccolo sarà il gas protettivo a un certo angolo direttamente nel foro di saldatura fusa. Il gas di schermatura non solo sopprime la nuvola di plasma sulla superficie del pezzo, ma esercita anche un'influenza sul plasma nel foro e sulla formazione del piccolo foro, aumentando ulteriormente la profondità della fusione e ottenendo una cucitura di saldatura più profonda e più ampia di quella desiderabile. Tuttavia, questo metodo richiede un controllo preciso della dimensione e della direzione del flusso di gas, altrimenti è facile produrre turbolenza e danneggiare la piscina di fusione, risultando nel processo di saldatura è difficile da stabilizzare.

6) Lunghezza focale dell'obiettivo. La saldatura viene solitamente utilizzata per focalizzare il modo in cui la convergenza laser, la scelta generale di 63 ~ 254 mm (2,5 '~ 10 ') lunghezza focale della lente. La dimensione del punto focalizzato è proporzionale alla lunghezza focale, più corta è la lunghezza focale, minore è il punto. Ma la lunghezza focale influenza anche la profondità focale, cioè la profondità focale aumenta contemporaneamente alla lunghezza focale, quindi la breve lunghezza focale può migliorare la densità di potenza, ma a causa della piccola profondità focale, la distanza tra l'obiettivo e il pezzo deve essere accuratamente mantenuta e la profondità di fusione non è grande. A causa dell'influenza degli schizzi generati durante il processo di saldatura e la modalità laser, la saldatura effettiva che utilizza la più breve profondità di messa a fuoco più lunghezza focale di 126 mm (5 '). Quando la cucitura è grande o la cucitura della saldatura deve essere aumentata aumentando la dimensione del punto in cui si è verificata un'effetto di alimentazione di alimentazione (un'energia di alimentazione più alta).

Quando la potenza laser supera 2kW, in particolare per il raggio laser CO2 da 10,6 μm, a causa dell'uso di materiali ottici speciali per formare il sistema ottico, al fine di evitare il rischio di danni ottici alla lente di messa a fuoco, spesso scelgono il metodo di messa a fuoco di riflessione, in generale usando il specchio di rame lucido per il riflettore. A causa del raffreddamento efficace, è spesso raccomandato per la messa a fuoco del raggio laser ad alta potenza.

7) Posizione del punto focale. La saldatura, al fine di mantenere una densità di potenza sufficiente, la posizione del punto focale è fondamentale. I cambiamenti nella posizione del punto focale rispetto alla superficie del pezzo influenzano direttamente la larghezza e la profondità della saldatura. La Figura 3 mostra l'effetto della posizione del punto focale sulla profondità di fusione e larghezza della cucitura di 1018 acciaio. Nella maggior parte delle applicazioni di saldatura laser, il punto focale è in genere posizionato circa 1/4 della profondità desiderata di fusione sotto la superficie del pezzo.

8) Posizione del raggio laser. Quando la saldatura di diversi materiali diversi, la posizione del raggio laser controlla la qualità finale della saldatura, in particolare nel caso di giunti di testa che sono più sensibili a questo rispetto ai giunti LAP. Ad esempio, quando gli ingranaggi in acciaio induriti vengono saldati a tamburi in acciaio dolce, un adeguato controllo della posizione del raggio laser faciliterà la produzione di una saldatura con un componente prevalentemente a bassa carbonio, che ha una migliore resistenza alle crepe. In alcune applicazioni, la geometria del pezzo da saldare richiede che il raggio laser sia deviato da un angolo. Quando l'angolo di deflessione tra l'asse del fascio e il piano articolare si trova entro 100 gradi, l'assorbimento dell'energia laser da parte del pezzo non sarà influenzato.

9) Inizio della saldatura e punto finale dell'aumento graduale del potere laser, controllo graduale del declino. La saldatura a fusione profonda laser, indipendentemente dalla profondità della saldatura, esiste sempre il fenomeno di piccoli buchi. Quando il processo di saldatura viene terminato e l'interruttore di alimentazione viene spento, un cratere apparirà alla fine della saldatura. Inoltre, quando lo strato di saldatura laser copre la saldatura originale, ci sarà un eccessivo assorbimento del raggio laser, con conseguente surriscaldamento o porosità della saldatura.

Al fine di prevenire i fenomeni di cui sopra, i punti di avvio e di arresto della potenza possono essere programmati in modo che i tempi di avvio e arresto della potenza diventino regolabili, ovvero la potenza di partenza viene aumentata elettronicamente da zero al valore di potenza impostato in un breve periodo di tempo e il tempo di saldatura sia regolato e infine la potenza viene gradualmente ridotta dalla potenza fissa al valore zero quando la consulenza è terminata.