Lazerinio suvirinimo pagrindiniai proceso parametrai

1) Lazerio galia. Suvirinant lazeriu yra lazerio energijos tankio slenkstis, žemiau kurio lydalo gylis yra negilus, o pasiekus arba viršijus šią vertę, lydalo gylis labai padidėja. Tik tada, kai lazerio galios tankis ant ruošinio viršija slenkstį (priklauso nuo medžiagos), susidaro plazma, kuri žymi giluminio lydinio suvirinimo stabilizavimą. Jei lazerio galia yra mažesnė už šią ribą, ruošinys lydosi tik paviršiuje, ty suvirinimas vyksta stabiliu šilumos perdavimo būdu. Kai lazerio galios tankis yra artimas kritinei mažų skylučių susidarymo sąlygai, giluminis lydomasis suvirinimas ir laidusis suvirinimas keičiasi ir tampa nestabiliais suvirinimo procesais, dėl kurių atsiranda dideli lydalo gylio svyravimai. Atliekant giluminį suvirinimą lazeriu, lazerio galia valdo įsiskverbimo gylį ir suvirinimo greitį, kaip parodyta 1 paveiksle. Lydymosi suvirinimo gylis yra tiesiogiai susijęs su pluošto galios tankiu ir priklauso nuo krentančio pluošto galios bei spindulio židinio taško. Apskritai, esant tam tikram lazerio spindulio skersmeniui, lydymosi gylis didėja didėjant spindulio galiai.

2) Spindulio židinio taškas. Spindulio taško dydis yra vienas iš svarbiausių lazerinio suvirinimo kintamųjų, nes jis lemia galios tankį. Tačiau jo matavimas yra iššūkis didelės galios lazeriams, nors jau yra daug netiesioginių matavimo metodų.

Spindulio židinio difrakcijos ribinis taško dydis gali būti apskaičiuotas pagal šviesos difrakcijos teoriją, tačiau tikroji dėmė yra didesnė už apskaičiuotą vertę dėl fokusavimo lęšio aberacijos. Paprasčiausias realus matavimo metodas yra izoterminio profilio metodas, kurio metu matuojamas židinio taškas ir perforacijos skersmuo sudeginus ir storu popieriumi prasiskverbus į polipropileno plokštę. Šis metodas turėtų būti išmatuotas praktiškai, įsisavinant lazerio galios dydį ir spindulio veikimo laiką.

3) Medžiagos absorbcijos vertė. Medžiagos lazerio sugertis priklauso nuo kai kurių svarbių medžiagos savybių, tokių kaip sugerties greitis, atspindys, šilumos laidumas, lydymosi temperatūra, garavimo temperatūra ir kt. Svarbiausias yra sugerties greitis.

Veiksniai, įtakojantys medžiagos absorbcijos greitį lazerio spindulyje, apima du aspektus: pirma, medžiagos varžą. Išmatavus medžiagos poliruoto paviršiaus sugerties greitį, nustatoma, kad medžiagos sugerties greitis yra proporcingas varžos koeficiento kvadratinei šaknei, kuri savo ruožtu kinta priklausomai nuo temperatūros; antra, medžiagos paviršiaus būklė (arba apdaila) turi svarbesnį poveikį sijos sugerties greičiui, todėl turi didelę įtaką suvirinimo efektui.

CO2 lazerio išėjimo bangos ilgis paprastai yra 10,6 μm, keramikos, stiklo, gumos, plastiko ir kitų nemetalų absorbcijos greitis kambario temperatūroje yra labai didelis, o metalinių medžiagų kambario temperatūroje absorbcija yra labai prasta, kol medžiaga ištirpsta ar net išgaruoja, jos absorbcija smarkiai padidėjo. Paviršiaus dangos arba oksidinės plėvelės paviršiaus generavimo metodo naudojimas, siekiant pagerinti medžiagos sugėrimą į siją, yra labai efektyvus.

4) suvirinimo greitis. Suvirinimo greitis turi didelę įtaką lydymosi gyliui, padidinus greitį, lydalo gylis bus negilus, tačiau greitis yra per mažas ir dėl to medžiaga per daug išsilydys, ruošinys susivirins. Todėl tam tikra lazerio galia ir tam tikras tam tikros medžiagos storis turi tinkamą suvirinimo greičio diapazoną, kuriame galima gauti atitinkamą greičio vertę, kai didžiausias lydymosi gylis. 2 paveiksle parodytas ryšys tarp suvirinimo greičio ir 1018 plieno lydymosi gylio.

5) Apsauginės dujos. Lazerinio suvirinimo procese dažnai naudojamos inertinės dujos, kad apsaugotų lydalo baseiną, kai kai kurios medžiagos suvirinamos, nepaisant paviršiaus oksidacijos, tada taip pat neatsižvelgiama į apsaugą, tačiau daugeliu atvejų apsaugai dažnai naudojamas helis, argonas, azotas ir kitos dujos, kad ruošinys suvirinimo proceso metu nebūtų oksiduojamas.

Helis nėra lengvai jonizuojamas (jonizacijos energija yra didelė), todėl lazeris gali prasiskverbti pro jį ir spindulio energija netrukdomai pasiekia ruošinio paviršių. Tai efektyviausios apsauginės dujos, naudojamos suvirinant lazeriu, tačiau yra brangesnės.

Argonas yra pigesnis ir tankesnis, todėl geriau apsaugo. Tačiau jis yra jautrus aukštos temperatūros metalo plazmos jonizacijai, dėl kurios dalis pluošto ekranuojama prie ruošinio, sumažėja efektyvi lazerio galia suvirinant, taip pat pablogėja suvirinimo greitis ir lydalo gylis. Suvirintos dalies paviršius su argono apsauga yra lygesnis nei naudojant helio apsaugą.

Azotas yra pigiausios apsauginės dujos, tačiau kai kurių tipų nerūdijančiojo plieno suvirinimui jis netinka, daugiausia dėl metalurginių problemų, tokių kaip absorbcija, dėl kurios kartais susidaro poringumas juosmens zonoje.

Antrasis apsauginių dujų naudojimo tikslas yra apsaugoti fokusavimo lęšį nuo metalo garų užteršimo ir skystų išlydytų lašelių purškimo. Tai ypač reikalinga didelės galios lazerinio suvirinimo metu, kai išmetimas tampa labai galingas.

Trečioji apsauginių dujų funkcija yra ta, kad jos efektyviai išsklaido plazminį ekranavimą, susidariusį suvirinant didelės galios lazeriu. Metalo garai sugeria lazerio spindulį ir jonizuojasi į plazmos debesį, o aplink metalo garus esančios apsauginės dujos taip pat jonizuojasi karščio. Jei yra per daug plazmos, lazerio spindulį tam tikru mastu sunaudoja plazma. Dėl plazmos, kaip antrosios energijos ant darbinio paviršiaus, lydalo gylis yra mažesnis, o suvirinimo baseino paviršius platesnis. Elektronų kompleksavimo greitis padidinamas didinant elektronų jonų ir neutralių atomų trijų kūnų susidūrimų skaičių, siekiant sumažinti elektronų tankį plazmoje. Kuo šviesesnis neutralus atomas, tuo didesnis susidūrimo dažnis, tuo didesnis junginio greitis; kita vertus, tik didelė apsauginių dujų jonizacijos energija, kad nepadidėtų elektronų tankis dėl pačių dujų jonizacijos.

Kaip matyti iš lentelės, plazmos debesies dydis skiriasi priklausomai nuo naudojamų apsauginių dujų: helis yra mažiausias, po jo seka azotas ir didžiausias, kai naudojamas argonas. Kuo didesnis plazmos dydis, tuo mažesnis lydymosi gylis. Šio skirtumo priežastis visų pirma yra dėl skirtingo dujų molekulių jonizacijos laipsnio, taip pat dėl ​​metalo garų difuzijos skirtumo, kurį sukelia skirtingas apsauginių dujų tankis.

Helis yra mažiausiai jonizuotas ir mažiausiai tankus, greitai išsklaido kylančius metalo garus iš išlydyto metalo telkinio. Todėl helio kaip apsauginių dujų naudojimas gali maksimaliai slopinti plazmą, taip padidindamas lydymosi gylį ir pagerindamas suvirinimo greitį; nėra lengva sukelti poringumą dėl mažo svorio ir galimybės ištrūkti. Žinoma, iš mūsų faktinių suvirinimo rezultatų, apsaugos su argono dujomis poveikis nėra blogas.

Plazmos debesys lydymosi gylyje mažo suvirinimo greičio zonoje yra ryškiausias. Padidėjus suvirinimo greičiui, jo įtaka susilpnėja.

Apsauginės dujos tam tikru slėgiu išleidžiamos per purkštuko angą, kad pasiektų ruošinio paviršių. Labai svarbi yra antgalio hidrodinaminė forma ir išleidimo angos skersmens dydis. Jis turi būti pakankamai didelis, kad išpurškiamos apsauginės dujos uždengtų suvirinimo paviršių, tačiau norint veiksmingai apsaugoti lęšį ir išvengti metalo garų užteršimo ar metalo purslų pažeidimo, purkštuko dydis taip pat turėtų būti apribotas. Srauto greitis taip pat turėtų būti kontroliuojamas, nes priešingu atveju laminarinis apsauginių dujų srautas tampa turbulentinis ir atmosfera įsitraukia į išlydytą baseiną ir galiausiai susidaro poringumas.

Siekiant pagerinti apsauginį efektą, taip pat galimas papildomas šoninio pūtimo būdas, ty per mažesnio skersmens antgalį tam tikru kampu bus apsauginės dujos tiesiai į giliai išlydytą suvirinimo angą. Apsauginės dujos ne tik slopina plazmos debesį ruošinio paviršiuje, bet ir daro įtaką plazmai skylėje bei mažos skylutės susidarymui, dar labiau padidindamos lydymosi gylį ir gaudamos gilesnę ir platesnę suvirinimo siūlę nei pageidautina. Tačiau šis metodas reikalauja tiksliai kontroliuoti dujų srauto dydį ir kryptį, nes priešingu atveju lengva sukelti turbulenciją ir sugadinti lydalo baseiną, todėl suvirinimo procesą sunku stabilizuoti.

6) Objektyvo židinio nuotolis. Suvirinimas paprastai naudojamas fokusuoti taip, kaip lazerio konvergencija, bendras pasirinkimas 63 ~ 254 mm (2,5 '~ 10') židinio nuotolio objektyvo. Fokusuoto taško dydis yra proporcingas židinio nuotoliui, kuo trumpesnis židinio nuotolis, tuo taškas mažesnis. Tačiau židinio nuotolis taip pat turi įtakos židinio gyliui, tai yra, židinio gylis didėja kartu su židinio nuotoliu, todėl trumpas židinio nuotolis gali pagerinti galios tankį, tačiau dėl mažo židinio gylio reikia tiksliai išlaikyti atstumą tarp objektyvo ir ruošinio, o lydymosi gylis nėra didelis. Dėl suvirinimo proceso metu susidarančių purslų ir lazerio režimo, faktinis suvirinimas naudojant trumpiausią židinio gylį didesnis židinio nuotolis 126 mm (5'). Kai siūlė yra didelė arba suvirinimo siūlę reikia padidinti didinant taško dydį, galima pasirinkti objektyvą, kurio židinio nuotolis yra 254 mm (10'), kuriame reikalinga didesnė lazerio galia mažos skylės efektas.

Kai lazerio galia viršija 2kW, ypač 10,6 μm CO2 lazerio spinduliui, dėl specialių optinių medžiagų naudojimo optinei sistemai formuoti, kad būtų išvengta optinio fokusavimo lęšio pažeidimo pavojaus, dažnai pasirenkamas atspindžio fokusavimo būdas, dažniausiai reflektoriui naudojamas poliruoto vario veidrodis. Dėl efektyvaus aušinimo jis dažnai rekomenduojamas didelės galios lazerio spindulio fokusavimui.

7) židinio taško padėtis. Suvirinant, norint išlaikyti pakankamą galios tankį, židinio taško padėtis yra labai svarbi. Židinio taško padėties pokyčiai ruošinio paviršiaus atžvilgiu tiesiogiai veikia suvirinimo plotį ir gylį. 3 paveiksle parodytas židinio taško padėties poveikis 1018 plieno lydalo gyliui ir siūlės pločiui. Daugumoje lazerinio suvirinimo programų židinio taškas paprastai yra maždaug 1/4 norimo lydalo gylio žemiau ruošinio paviršiaus.

8) Lazerio spindulio padėtis. Lazeriu suvirinant įvairias medžiagas, lazerio spindulio padėtis kontroliuoja galutinę suvirinimo kokybę, ypač kai tai yra sandūrinės jungtys, kurios tam jautresnės nei juosmeninės jungtys. Pavyzdžiui, kai grūdinto plieno krumpliaračiai suvirinami prie švelnaus plieno būgnų, tinkamas lazerio spindulio padėties valdymas palengvins suvirinimo siūlę su daugiausia mažai anglies turinčiu komponentu, kuris turi didesnį atsparumą įtrūkimams. Kai kuriais atvejais suvirinamo ruošinio geometrija reikalauja, kad lazerio spindulys būtų nukreiptas kampu. Kai nuokrypio kampas tarp pluošto ašies ir jungties plokštumos yra 100 laipsnių ribose, ruošinio lazerio energijos sugertis neturės įtakos.

9) Lazerio galios laipsniško didėjimo, laipsniško mažėjimo kontrolė suvirinimo pradžios ir pabaigos taškai. Suvirinimas lazeriu, nepriklausomai nuo suvirinimo gylio, mažų skylių reiškinys visada egzistuoja. Kai suvirinimo procesas baigiamas ir maitinimo jungiklis išjungiamas, suvirinimo pabaigoje atsiras krateris. Be to, kai suvirinimo lazeriu sluoksnis padengia pradinę siūlę, lazerio spindulys bus per daug sugertas, todėl siūlė perkais arba bus poringa.

Siekiant išvengti minėtų reiškinių, galios paleidimo ir sustabdymo taškus galima suprogramuoti taip, kad galios paleidimo ir išjungimo laikas taptų reguliuojamas, ty elektroniniu būdu per trumpą laiką nuo nulio iki nustatytos galios padidinama paleidimo galia ir sureguliuojamas suvirinimo laikas, o galiausiai baigiant suvirinimą galia palaipsniui mažinama nuo nustatytos galios iki nulinės vertės.