ლაზერული შედუღების ძირითადი პროცესის პარამეტრები

1) ლაზერული ძალა. ლაზერული შედუღებისას არსებობს ლაზერული ენერგიის სიმკვრივის ბარიერი, რომლის ქვემოთაც დნობის სიღრმე არაღრმაა და ამ მნიშვნელობის მიღწევის ან გადალახვის შემდეგ, დნობის სიღრმე მნიშვნელოვნად იზრდება. მხოლოდ მაშინ, როდესაც სამუშაო ნაწილზე ლაზერული ენერგიის სიმკვრივე აღემატება ბარიერს (მასალა დამოკიდებული), წარმოიქმნება პლაზმა, რომელიც აღნიშნავს ღრმა შერწყმის შედუღების სტაბილიზაციას. თუ ლაზერული ენერგია ამ ბარიერის ქვემოთა, სამუშაო ადგილი მხოლოდ ზედაპირის დნობას განიცდის, ანუ შედუღება მიმდინარეობს სტაბილური სითბოს გადაცემის ტიპში. როდესაც ლაზერული ენერგიის სიმკვრივე მცირე ხვრელის წარმოქმნის კრიტიკულ მდგომარეობას უახლოვდება, ღრმა შერწყმის შედუღება და გამტარობის შედუღება ალტერნატიულია და ხდება შედუღების არასტაბილური პროცესები, რის შედეგადაც დიდი რყევები ხდება დნობის სიღრმეში. ლაზერის ღრმა შერწყმის შედუღებისას, ლაზერული ენერგია აკონტროლებს როგორც შეღწევადობის სიღრმეს, ასევე შედუღების სიჩქარეს, როგორც ეს მოცემულია ნახაზზე 1. დნობის შედუღების სიღრმე პირდაპირ კავშირშია სხივის სიმძლავრის სიმკვრივესთან და წარმოადგენს ინციდენტის სხივის სიმძლავრისა და სხივის ფოკუსს. ზოგადად, ლაზერული სხივის გარკვეული დიამეტრისთვის, დნობის სიღრმე იზრდება, როგორც სხივის ენერგია იზრდება.

2) სხივის ფოკალური ადგილი. სხივის ლაქის ზომა ლაზერული შედუღების ერთ - ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი ცვლადია, რადგან ის განსაზღვრავს ენერგიის სიმკვრივეს. ამასთან, მისი გაზომვა მაღალი ენერგიის ლაზერების გამოწვევაა, თუმცა მრავალი არაპირდაპირი გაზომვის ტექნიკა უკვე ხელმისაწვდომია.

სხივის ფოკალური დიფრაქციის ზღვრის ლაქის ზომა შეიძლება გამოითვალოს მსუბუქი დიფრაქციის თეორიიდან, მაგრამ ფაქტობრივი ლაქა უფრო დიდია, ვიდრე გამოთვლილი მნიშვნელობა, ფოკუსირების ლინზების გაუქმების არსებობის გამო. რეალური გაზომვის უმარტივესი მეთოდია იზოთერმული პროფილის მეთოდი, რომელიც არის ფოკუსური ლაქისა და პერფორაციის დიამეტრის გაზომვა პოლიპროპილენის ფირფიტა სქელი ქაღალდით. ეს მეთოდი უნდა შეფასდეს პრაქტიკით, დაეუფლოს ლაზერული ენერგიის ზომას და სხივის მოქმედების დრო.

3) მატერიალური შთანთქმის მნიშვნელობა. მასალის მიერ ლაზერის შეწოვა დამოკიდებულია მასალის ზოგიერთ მნიშვნელოვან თვისებაზე, მაგალითად, შთანთქმის სიჩქარე, რეფლექსია, თერმული კონდუქტომეტრი, დნობის ტემპერატურა, აორთქლების ტემპერატურა და ა.შ., ყველაზე მნიშვნელოვანია შთანთქმის სიჩქარე.

ფაქტორები, რომლებიც გავლენას ახდენენ მასალის შთანთქმის სიჩქარეზე ლაზერული სხივზე, მოიცავს ორ ასპექტს: პირველ რიგში, მასალის რეზისტენტობას. მასალის გაპრიალებული ზედაპირის შთანთქმის სიჩქარის გაზომვის შემდეგ, დადგინდა, რომ მასალის შთანთქმის სიჩქარე პროპორციულია რეზისტენტობის კოეფიციენტის კვადრატულ ფესვთან, რაც თავის მხრივ განსხვავდება ტემპერატურით; მეორეც, მასალის ზედაპირული მდგომარეობა (ან დასრულება) უფრო მნიშვნელოვან გავლენას ახდენს სხივის შთანთქმის სიჩქარეზე, რითაც მნიშვნელოვან გავლენას ახდენს შედუღების ეფექტზე.

CO2 ლაზერული გამომავალი ტალღის სიგრძე, როგორც წესი, 10.6μm, კერამიკა, მინის, რეზინის, პლასტიკური და სხვა არა მეტალები მისი შთანთქმის სიჩქარეზე ოთახის ტემპერატურაზე ძალიან მაღალია, ხოლო მის შთანთქმის ოთახის ტემპერატურაზე ლითონის მასალები ძალიან ცუდია, სანამ მას შემდეგ, რაც მას შემდეგ დნება ან თუნდაც აორთქლდება, მისი შეწოვა მკვეთრად გაიზარდა. ზედაპირული საფარის ან ოქსიდის ფილმის მეთოდის ზედაპირული წარმოქმნის გამოყენება სხივის შთანთქმის გასაუმჯობესებლად ძალიან ეფექტურია.

4) შედუღების სიჩქარე. შედუღების სიჩქარე დიდ გავლენას ახდენს დნობის სიღრმეზე, სიჩქარის გაზრდა გახდის ზედაპირის სიღრმეზე, მაგრამ სიჩქარე ძალიან დაბალია და გამოიწვევს მასალის გადაჭარბებულ დნობას, სამუშაო ნაწილის შედუღება. ამრიგად, გარკვეულ ლაზერულ ენერგიას და კონკრეტული მასალის გარკვეულ სისქეს აქვს შედუღების სიჩქარის შესაფერისი დიაპაზონი, და რომელშიც შეიძლება მიიღოთ შესაბამისი სიჩქარის მნიშვნელობა, როდესაც დნობის მაქსიმალური სიღრმეა. სურათი 2 იძლევა ურთიერთობას შედუღების სიჩქარესა და 1018 ფოლადის დნობის სიღრმეს შორის.

5) დამცავი გაზი. ლაზერული შედუღების პროცესი ხშირად იყენებს ინერტული გაზის დასაცავად დნობის აუზს, როდესაც ზოგიერთი მასალა შედუღებულია ზედაპირის დაჟანგვის მიუხედავად, მაშინ ასევე არ განიხილავს დაცვას, მაგრამ უმეტეს პროგრამებში ხშირად გამოიყენება ჰელიუმი, არგონი, აზოტი და სხვა გაზები, ასე რომ, შედუღების პროცესის დროს ჟანგვისგან.

ჰელიუმი მარტივად არ არის იონიზირებული (იონიზაციის ენერგია მაღალია), რაც საშუალებას აძლევს ლაზერს გაიაროს და სხივის ენერგია მიაღწიოს სამუშაო ნაწილის ზედაპირს დაუსაბუთებლად. ეს არის ყველაზე ეფექტური ფარი გაზი, რომელიც გამოიყენება ლაზერული შედუღების დროს, მაგრამ უფრო ძვირია.

არგონი უფრო იაფი და მკვრივია, ამიტომ ის უკეთესად იცავს. ამასთან, იგი მგრძნობიარეა მაღალი ტემპერატურის ლითონის პლაზმური იონიზაციისთვის, რაც იწვევს სხივის ნაწილის დაცვას სამუშაო ნაწილამდე, ამცირებს ლაზერული ეფექტური ენერგიის შედუღების და ასევე შეაფერხებს შედუღების სიჩქარეს და დნობის სიღრმეს. შედუღებული ნაწილის ზედაპირი უფრო რბილია არგონის დაცვით, ვიდრე ჰელიუმის დაცვით.

აზოტი ყველაზე იაფი ფარის გაზია, მაგრამ ის არ არის შესაფერისი უჟანგავი ფოლადის შედუღებისთვის, ძირითადად, მეტალურგიული პრობლემების გამო, მაგალითად, შთანთქმის გამო, რომელიც ზოგჯერ წარმოქმნის ფორიანობას ლაპის ზონაში.

ფარის გაზის გამოყენების მეორე როლი არის ფოკუსირებული ობიექტივის დაცვა ლითონის ორთქლის დაბინძურებისა და თხევადი მდნარი წვეთების გაფუჭებისგან. ეს განსაკუთრებით აუცილებელია მაღალი სიმძლავრის ლაზერული შედუღების დროს, სადაც ejecta ხდება ძალიან ძლიერი.

ფარის გაზის მესამე ფუნქციაა ის, რომ იგი ეფექტურია მაღალი სიმძლავრის ლაზერული შედუღებით წარმოქმნილი პლაზმური ფარის დაშლა. ლითონის ორთქლი შთანთქავს ლაზერის სხივი და იონიზდება პლაზმური ღრუბელში, ხოლო ლითონის ორთქლის გარშემო ფარიანი გაზი ასევე იონიზირებულია სითბოს მიერ. თუ ძალიან ბევრი პლაზმურია, ლაზერული სხივი გარკვეულწილად მოიხმარს პლაზმას. პლაზმის, როგორც მეორე ენერგიის არსებობა სამუშაო ზედაპირზე, უფრო ფართოვდება დნობის ზედაპირის სიღრმე და შედუღების აუზის ზედაპირი. ელექტრონული კომპლექსის სიჩქარე იზრდება ელექტრონულ-იონური და ნეიტრალური ატომის სამსაფეხურიანი შეჯახების რაოდენობის გაზრდით, პლაზმაში ელექტრონის სიმკვრივის შესამცირებლად. რაც უფრო მსუბუქია ნეიტრალური ატომ, მით უფრო მაღალია შეჯახების სიხშირე, მით უფრო მაღალია ნაერთის სიჩქარე; მეორეს მხრივ, მხოლოდ ფარის გაზის მაღალი იონიზაციის ენერგია, ისე რომ არ გაზარდოს ელექტრონის სიმკვრივე თავად გაზის იონიზაციის გამო.

როგორც ცხრილიდან ჩანს, პლაზმური ღრუბლის ზომა განსხვავდება გამოყენებული დამცავი გაზით, ჰელიუმი ყველაზე პატარაა, რასაც მოჰყვება აზოტი, ხოლო ყველაზე დიდი, როდესაც არგონი გამოიყენება. რაც უფრო დიდია პლაზმური ზომა, ზედაპირული დნობის სიღრმე. ამ განსხვავების მიზეზი პირველ რიგში გამოწვეულია გაზის მოლეკულების იონიზაციის სხვადასხვა ხარისხით და აგრეთვე ლითონის ორთქლის დიფუზიის განსხვავებით, რომელიც გამოწვეულია დამცავი გაზების სხვადასხვა სიმკვრივით.

ჰელიუმი ყველაზე ნაკლებად იონიზებული და ყველაზე ნაკლებად მკვრივი, და ის სწრაფად ავრცელებს ამომავალი ლითონის ორთქლს მდნარი ლითონის აუზიდან. ამრიგად, ჰელიუმის, როგორც ფარის გაზის გამოყენებამ შეიძლება მაქსიმალურად გაზარდოს პლაზმის ჩახშობა, რითაც იზრდება დნობის სიღრმე და შედუღების სიჩქარის გაუმჯობესება; მისი მსუბუქი წონის და გაქცევის უნარის გამო ადვილი არ არის. რა თქმა უნდა, ჩვენი ფაქტობრივი შედუღების შედეგებიდან, არგონის გაზით დაცვის ეფექტი ცუდი არ არის.

პლაზმური ღრუბელი დნობის სიღრმეზე დაბალი შედუღების სიჩქარის ზონაში ყველაზე აშკარაა. როდესაც შედუღების სიჩქარე იზრდება, მისი გავლენა დასუსტდება.

ფარიანი გაზი ამოღებულია nozzle– ის გახსნის გზით, გარკვეული წნევის დროს, რათა მიაღწიოს სამუშაო ნაწილის ზედაპირს. საქშენის ჰიდროდინამიკური ფორმა და გასასვლელი დიამეტრის ზომა ძალიან მნიშვნელოვანია. ეს უნდა იყოს საკმარისად დიდი, რომ გააფართოვოს ფარი გაზის გასაფორმებლად, შედუღების ზედაპირის დასაფარად, მაგრამ იმისათვის, რომ ეფექტურად დაიცვან ობიექტივი და თავიდან აიცილოთ ლითონის ორთქლის დაბინძურება ან ლითონის სპატერის დაზიანება ობიექტივზე, nozzle ზომა ასევე უნდა იყოს შეზღუდული. ნაკადის სიჩქარე ასევე უნდა იყოს კონტროლირებადი, წინააღმდეგ შემთხვევაში, ფარის გაზის ლამინარული ნაკადი ხდება მღელვარე და ატმოსფერო ჩართულია მდნარ აუზში, საბოლოოდ ქმნის ფორიანობას.

დაცვის ეფექტის გასაუმჯობესებლად, ასევე შესაძლებელია დამატებითი გვერდითი აფეთქების გზა, ანუ მცირე დიამეტრის საქშენებით იქნება გარკვეული კუთხის დამცავი გაზი პირდაპირ ღრმა მდნარი შედუღების ხვრელში. ფარის გაზი არა მხოლოდ თრგუნავს პლაზმურ ღრუბელს სამუშაო ნაწილის ზედაპირზე, არამედ ახდენს გავლენას პლაზმაში ხვრელში და მცირე ხვრელის წარმოქმნაზე, კიდევ უფრო იზრდება შერწყმის სიღრმე და უფრო ღრმა და ფართო შედუღების ფერის მოპოვება, ვიდრე სასურველია. ამასთან, ეს მეთოდი მოითხოვს გაზის ნაკადის ზომისა და მიმართულების ზუსტი კონტროლს, წინააღმდეგ შემთხვევაში ადვილია ტურბულენტობის წარმოება და დნობის აუზის დაზიანება, რის შედეგადაც შედუღების პროცესის სტაბილიზაცია რთულია.

6) ლინზების ფოკალური სიგრძე. შედუღება, როგორც წესი, გამოიყენება ლაზერული კონვერგენციის, ზოგადი არჩევანი 63 ~ 254 მმ (2.5 '~ 10 ') ლინზების ფოკალური სიგრძე. ფოკუსირებული ლაქის ზომა პროპორციულია ფოკალური სიგრძისა, მით უფრო მოკლეა ფოკალური სიგრძე, მით უფრო მცირეა ლაქა. მაგრამ ფოკალური სიგრძე ასევე გავლენას ახდენს ფოკალური სიღრმეზე, ანუ ფოკალური სიღრმე ერთდროულად იზრდება ფოკალური სიგრძით, ასე რომ, მოკლე ფოკუსის სიგრძე შეიძლება გააუმჯობესოს ენერგიის სიმკვრივე, მაგრამ მცირე ფოკალური სიღრმის გამო, ლინზებსა და სამუშაო ნაწილს შორის მანძილი ზუსტად უნდა იყოს შენარჩუნებული, ხოლო დნობის სიღრმე არ არის დიდი. შედუღების პროცესში და ლაზერული რეჟიმის დროს წარმოქმნილი სპატერის გავლენის გამო, ფოკუსის უმოკლეს სიღრმეზე ფოკუსური სიგრძის უფრო ფოკუსური სიგრძის გამოყენებით 126 მმ (5 '). ღრმა დნება მცირე ხვრელის ეფექტი.

როდესაც ლაზერული ენერგია აღემატება 2 კგ, განსაკუთრებით 10.6μm CO2 ლაზერის სხივისთვის, სპეციალური ოპტიკური მასალების გამოყენების გამო, ოპტიკური სისტემის შესაქმნელად, იმისათვის, რომ თავიდან აიცილოთ ფოკუსირების ობიექტივის ოპტიკური დაზიანების რისკი, ხშირად ირჩევენ რეფლექსიის ფოკუსირებულ მეთოდს, ზოგადად, პოლონური სპილენძის სარკის გამოყენებით რეფლექტორისთვის. ეფექტური გაგრილების გამო, ხშირად რეკომენდებულია მაღალი სიმძლავრის ლაზერული სხივის ფოკუსირებისთვის.

7) ფოკუსური წერტილის პოზიცია. შედუღება, ენერგიის საკმარისი სიმკვრივის შესანარჩუნებლად, ფოკუსური წერტილის პოზიცია კრიტიკულია. ფოკალური წერტილის პოზიციის ცვლილებები სამუშაო ნაწილის ზედაპირთან შედარებით პირდაპირ გავლენას ახდენს შედუღების სიგანეზე და სიღრმეზე. სურათი 3 გვიჩვენებს ფოკალური წერტილის პოზიციის გავლენას დნობის და seam სიგანეზე 1018 ფოლადის სიღრმეზე. ლაზერული შედუღების უმეტესობაში, ფოკუსური წერტილი, როგორც წესი, განთავსებულია სამუშაო ნაწილის ზედაპირის ქვემოთ დნობის სასურველი სიღრმის დაახლოებით 1/4.

8) ლაზერული სხივის პოზიცია. ლაზერული შედუღებისას სხვადასხვა მასალები, ლაზერული სხივის პოზიცია აკონტროლებს შედუღების საბოლოო ხარისხს, განსაკუთრებით კონდახის სახსრების შემთხვევაში, რომლებიც უფრო მგრძნობიარეა ამაზე, ვიდრე ლაპის სახსრები. მაგალითად, როდესაც გამაგრებული ფოლადის გადაცემები შედუღებულია რბილი ფოლადის დასარტყამებზე, ლაზერული სხივის პოზიციის სათანადო კონტროლი ხელს შეუწყობს შედუღების წარმოებას უპირატესად დაბალი ნახშირბადის კომპონენტთან, რომელსაც აქვს უკეთესი ბზარის წინააღმდეგობა. ზოგიერთ განაცხადში, შედუღების სამუშაო ნაწილის გეომეტრია მოითხოვს ლაზერული სხივის გადახრას კუთხით. როდესაც სხივის ღერძსა და ერთობლივი თვითმფრინავს შორის გადახრის კუთხე 100 გრადუსშია, სამუშაო ნაწილის მიერ ლაზერული ენერგიის შეწოვა არ იმოქმედებს.

9) შედუღების დაწყება და ბოლო წერტილი ლაზერული ენერგიის თანდათანობითი აწევა, თანდათანობითი ვარდნის კონტროლი. ლაზერული ღრმა შერწყმის შედუღება, მიუხედავად შედუღების სიღრმისა, მცირე ხვრელების ფენომენი ყოველთვის არსებობს. როდესაც შედუღების პროცესი წყდება და ელექტროენერგიის შეცვლა გამორთულია, შედუღების ბოლოს გამოჩნდება კრატერი. გარდა ამისა, როდესაც ლაზერული შედუღების ფენა ფარავს თავდაპირველ შედუღებას, იქნება ლაზერული სხივის გადაჭარბებული შეწოვა, რის შედეგადაც შედუღების გადახურება ან ფორიანობა.

ზემოაღნიშნული ფენომენების თავიდან ასაცილებლად, ელექტროენერგიის დაწყების და გაჩერების წერტილების დაპროგრამება შესაძლებელია ისე, რომ ელექტროენერგიის დაწყება და გაჩერების დრო რეგულირებადი გახდეს, ანუ საწყისი ენერგია ელექტრონულად იზრდება ნულიდან დაყენებული სიმძლავრის მნიშვნელობამდე მოკლე დროში და შედუღების დრო რეგულირდება, და ბოლოს ძალაუფლება თანდათანობით შემცირდება ნაკრების ენერგიიდან ნულოვანი მნიშვნელობით, როდესაც შედუღება შეწყვეტილია.