Lāzera metināšanas pamatprocesa parametri

1) lāzera jauda. Lāzera metināšanā ir lāzera enerģijas blīvuma slieksnis, zem kura kausējuma dziļums ir sekls, un, kad šī vērtība tiek sasniegta vai pārsniegta, kausējuma dziļums ievērojami palielinās. Tikai tad, kad sagataves lāzera jaudas blīvums pārsniedz slieksni (atkarīgs no materiāliem), tiek ģenerēta plazma, kas iezīmē dziļas saplūšanas metināšanas stabilizāciju. Ja lāzera jauda ir zem šī sliekšņa, sagatavei notiek tikai virsmas kausēšana, ti, metināšana notiek stabilā siltuma pārneses tipā. Kad lāzera jaudas blīvums ir tuvu maza caurumu veidošanās kritiskajam stāvoklim, dziļas saplūšanas metināšanas un vadīšanas metināšanas pārmaiņus un kļūst par nestabiliem metināšanas procesiem, kā rezultātā kausējuma dziļumā rodas lielas svārstības. Lāzera dziļas saplūšanas metināšanas laikā lāzera jauda kontrolē gan iespiešanās dziļumu, gan metināšanas ātrumu, kā parādīts 1. attēlā. Kausēšanas metināšanas dziļums ir tieši saistīts ar staru kūļa jaudas blīvumu un ir krītošā staru kūļa un staru fokusa plankuma funkcija. Parasti noteikta lāzera staru diametra diametrā palielinās kausējuma dziļums, palielinoties staru kūļa jaudai.

2) staru fokusa plankums. Sijas plankuma lielums ir viens no vissvarīgākajiem lāzera metināšanas mainīgajiem, jo ​​tas nosaka jaudas blīvumu. Tomēr tā mērīšana ir izaicinājums augstas enerģijas lāzeriem, lai gan daudzas netiešas mērīšanas metodes jau ir pieejamas.

Staru fokālās difrakcijas robežas plankuma lielumu var aprēķināt no gaismas difrakcijas teorijas, bet faktiskā vieta ir lielāka par aprēķināto vērtību fokusētā objektīva aberācijas klātbūtnes dēļ. Vienkāršākā reālā mērīšanas metode ir izotermiskā profila metode, kas ir fokusa plankuma un perforācijas diametra mērīšana pēc polipropilēna plāksnes sadedzināšanas un iespiešanās ar biezu papīru. Šī metode jānovērtē pēc prakses, apgūstot lāzera jaudas lielumu un staru darbības laiku.

3) Materiāla absorbcijas vērtība. Lāzera absorbcija ar materiālu ir atkarīga no dažām svarīgām materiāla īpašībām, piemēram, absorbcijas ātruma, atstarošanās, siltuma vadītspējas, kušanas temperatūras, iztvaikošanas temperatūras utt. Vissvarīgākais ir absorbcijas ātrums.

Faktori, kas ietekmē materiāla absorbcijas ātrumu lāzera staram, ir divi aspekti: pirmkārt, materiāla pretestība. Pēc materiāla pulētās virsmas absorbcijas ātruma mērīšanas tiek konstatēts, ka materiāla absorbcijas ātrums ir proporcionāls pretestības koeficienta kvadrātsaknei, kas savukārt mainās atkarībā no temperatūras; Otrkārt, materiāla virsmas stāvoklim (vai apdarei) ir svarīgāka ietekme uz staru kūļa absorbcijas ātrumu, tādējādi ievērojami ietekmējot metināšanas efektu.

CO2 lāzera izejas viļņa garums parasti ir 10,6 μm, keramika, stikls, gumija, plastmasa un citi nemetāli uz tā absorbcijas ātruma istabas temperatūrā ir ļoti augsts, savukārt metāla materiāli istabas temperatūrā uz tā absorbcijas ir ļoti slikti, līdz materiāls savulaik izkausēts vai pat iztvaicēts, tā absorbcija strauji palielinājās. Ļoti efektīva ir virsmas pārklājuma izmantošana vai oksīda plēves metodes ģenerēšana virsmā, lai uzlabotu materiāla absorbciju uz staru kūli.

4) Metināšanas ātrums. Metināšanas ātrumam ir liela ietekme uz kausējuma dziļumu, palielinās, ka ātrums padarīs kausējuma dziļumu sekla, bet ātrums ir pārāk zems un izraisīs pārmērīgu materiāla kausēšanu, sagatavojoties. Tāpēc noteiktai lāzera jaudai un noteiktam konkrēta materiāla biezumam ir piemērots metināšanas ātruma diapazons un kurā atbilstošo ātruma vērtību var iegūt, kad maksimālais kausējuma dziļums. 2. attēlā parādīta saistība starp metināšanas ātrumu un 1018 tērauda kausēšanas dziļumu.

5) Aizsardzības gāze. Lāzera metināšanas process bieži izmanto inertu gāzi, lai aizsargātu kausējuma baseinu, kad daži materiāli ir metināti neatkarīgi no virsmas oksidācijas, tad arī neuzskata aizsardzību, bet lielāko daļu lietojumu bieži izmanto hēliju, argonu, slāpekli un citas gāzes aizsardzībai, lai sagatave no oksidācijas metināšanas procesā.

Hēlijs nav viegli jonizēts (jonizācijas enerģija ir augsta), ļaujot lāzeram iziet cauri, un staru enerģija netraucēti sasniedz sagataves virsmu. Tā ir visefektīvākā ekranizējošā gāze, ko izmanto lāzera metināšanā, bet ir dārgāka.

Argons ir lētāks un blīvs, tāpēc tas labāk aizsargā. Tomēr tas ir jutīgs pret metāla jonizāciju ar augstu temperatūru plazmas jonizācijai, kā rezultātā daļa tiek pasargāta uz sagatavi, samazinot metināšanas efektīvo lāzera jaudu un arī samazinot metināšanas ātrumu un kausējuma dziļumu. Metinātās daļas virsma ir vienmērīgāka ar argonu aizsardzību nekā ar hēlija aizsardzību.

Slāpeklis ir lētākā ekrandzinošā gāze, taču tas nav piemērots dažiem nerūsējošā tērauda metināšanas veidiem, galvenokārt metalurģisku problēmu dēļ, piemēram, absorbcijai, kas dažreiz klēpja zonā rada porainību.

Otra loma, kas saistīta ar ekranēšanas gāzes izmantošanu, ir fokusēšanas objektīva aizsardzība no metāla tvaiku piesārņojuma un šķidru izkausētu pilienu izsmidzināšanas. Tas ir īpaši nepieciešams augstas jaudas lāzera metināšanā, kur izgrūti kļūst ļoti spēcīgi.

Trešā ekranēšanas gāzes funkcija ir tā, ka tā ir efektīva, lai izkliedētu plazmas ekranējumu, ko ražo lieljaudas lāzera metināšana. Metāla tvaiki absorbē lāzera staru un jonizē plazmas mākonī, un ekranējošo gāzi ap metāla tvaikiem jonizē arī karstums. Ja ir pārāk daudz plazmas, lāzera staru kūli zināmā mērā patērē plazma. Plazmas klātbūtne kā otrā enerģija uz darba virsmas padara kausējuma dziļumu seklāku un metināto baseina virsmu platāku. Elektronu kompleksa ātrums tiek palielināts, palielinot elektronu jonu skaitu un neitrālu atomu trīs ķermeņa sadursmes, lai samazinātu elektronu blīvumu plazmā. Jo šķiltavas neitrālais atoms, jo augstāks ir sadursmes biežums, jo lielāks ir salikuma ātrums; No otras puses, tikai augstā ekranēšanas gāzes jonizācijas enerģija, lai nepalielinātu elektronu blīvumu pašas gāzes jonizācijas dēļ.

Kā redzams no tabulas, plazmas mākoņa lielums mainās atkarībā no izmantotās aizsardzības gāzes, jo hēlijs ir mazākais, kam seko slāpeklis, un lielākais, kad tiek izmantots argons. Jo lielāks ir plazmas izmērs, jo seklāks kušanas dziļums. Šīs atšķirības iemesls vispirms ir saistīts ar atšķirīgu gāzes molekulu jonizācijas pakāpi un arī atšķirības metāla tvaiku difūzijas atšķirībā, ko izraisa dažādu aizsargājošo gāzu blīvums.

Hēlijs ir vismazāk jonizēts un vismazāk blīvs, un tas ātri izkropļo augošos metāla tvaikus no izkusušā metāla baseina. Tāpēc hēlija kā ekranējošas gāzes izmantošana var maksimāli palielināt plazmas nomākumu, tādējādi palielinot kausējuma dziļumu un uzlabojot metināšanas ātrumu; Nav viegli izraisīt porainību, jo tā ir viegla svara un spējas aizbēgt. Protams, no mūsu faktiskajiem metināšanas rezultātiem aizsardzības ar argona gāzi ietekme nav slikta.

Acīmredzamākais ir plazmas mākonis uz kausēšanas dziļuma zemā metināšanas ātruma zonā. Kad metināšanas ātrums palielinās, tā ietekme tiks novājināta.

Ekranējošā gāze tiek izmesta caur sprauslas atveri ar noteiktu spiedienu, lai sasniegtu sagataves virsmu. Ļoti svarīgi ir sprauslas hidrodinamiskā forma un izejas diametra lielums. Tam jābūt pietiekami lielam, lai vadītu izsmidzinātu ekrandzināšanas gāzi, lai pārklātu metināšanas virsmu, bet, lai efektīvi aizsargātu objektīvu un novērstu metāla tvaika piesārņojumu vai metāla izšļakstīšanas bojājumus objektīvam, arī sprauslas izmēram jābūt ierobežotam. Būtu jākontrolē arī plūsmas ātrums, pretējā gadījumā ekranējošās gāzes laminārā plūsma kļūst turbulenta un atmosfēra iesaistās izkausētajā baseinā, galu galā veidojot porainību.

Lai uzlabotu aizsardzības efektu, pieejama arī papildu sānu pūšanas ceļš, tas ir, caur mazāku diametra sprauslu būs aizsargājoša gāze līdz noteiktam leņķim tieši dziļi izkausētā metinājuma caurumā. Ekranējošā gāze ne tikai nomāc plazmas mākoni uz sagataves virsmas, bet arī ietekmē caurumu plazmā un mazā cauruma veidošanos, vēl vairāk palielinot saplūšanas dziļumu un iegūstot dziļāku un plašāku metināto šuvi, nekā ir vēlams. Tomēr šai metodei ir nepieciešama precīza gāzes plūsmas lieluma un virziena kontrole, pretējā gadījumā ir viegli radīt turbulenci un sabojāt kausējuma baseinu, kā rezultātā metināšanas procesu ir grūti stabilizēt.

6) Lēcas fokusa attālums. Metināšanu parasti izmanto, lai fokusētu kā lāzera konverģenci, vispārējo izvēli 63 ~ 254 mm (2,5 '~ 10 ') objektīva fokusa attāluma. Fokusēts vietas lielums ir proporcionāls fokusa attālumam, jo ​​īsāks fokusa attālums, jo mazāka ir vieta. Bet fokusa garums ietekmē arī fokusa dziļumu, tas ir, fokusa dziļums vienlaikus palielinās līdz ar fokusa attālumu, tāpēc īsais fokusa attālums var uzlabot jaudas blīvumu, bet mazā fokusa dziļuma dēļ attālums starp objektīvu un sagatavi ir precīzi jāuztur, un kušanas dziļums nav liels. Sakarā ar metināšanas procesa un lāzera režīma radītās izšūšanas ietekmi, faktiskā metināšana, izmantojot īsāko fokusa dziļumu, vairāk fokusa attāluma 126 mm (5 '). Kad šuve ir liela, metināšanas šuvei jāpalielina, palielinot vietas izmēru, lēca ar lielāku fokusa garumu (10 '), lai sasniegtu lielāku caurumu (10 ').

Kad lāzera jauda pārsniedz 2kW, it īpaši 10,6 μm CO2 lāzera staru kūļa dēļ, sakarā ar īpašiem optiskajiem materiāliem izmantošanas optisko sistēmu, lai izvairītos no fokusējošā objektīva optisko bojājumu riska, bieži izvēlas atstarošanas fokusēšanas metodi, parasti izmantojot pulētu spoguļa spoguļa spoguli reflektoram. Efektīvās dzesēšanas dēļ to bieži ieteicams fokusēt ar lielu enerģijas lāzera staru.

7) Fokusa punkta pozīcija. Metināšana, lai saglabātu pietiekamu jaudas blīvumu, fokusa punkta stāvoklis ir kritisks. Fokusa punkta stāvokļa izmaiņas attiecībā pret sagataves virsmas tieši ietekmē metināto platumu un dziļumu. 3. attēlā parādīta fokusa punkta pozīcijas ietekme uz kausējuma dziļumu un 1018 tērauda šuves platumu. Lielākajā daļā lāzera metināšanas lietojumprogrammu fokusa punkts parasti ir novietots aptuveni 1/4 no vēlamā kausējuma dziļuma zem sagataves virsmas.

8) Lāzera staru pozīcija. Kad lāzera metināšana dažādos materiālos, lāzera staru pozīcija kontrolē metināšanas galīgo kvalitāti, it īpaši mucas savienojumu gadījumā, kas ir jutīgāki pret to nekā klēpja savienojumi. Piemēram, kad sacietējušie tērauda pārnesumi tiek metināti līdz vieglām tērauda bungām, pareiza lāzera stara stāvokļa kontrole atvieglos metināšanas veidošanos ar pārsvarā ar zemu oglekļa saturu, kam ir labāka plaisu izturība. Dažos pielietojumos metinātās sagataves ģeometrijai ir nepieciešams lāzera stars novirzīt ar leņķi. Kad novirzes leņķis starp staru ass un locītavas plakni atrodas 100 grādos, lāzera enerģijas absorbcija ar sagatavi netiks ietekmēta.

9) Lāzera jaudas metināšanas sākuma un beigu punkts pakāpeniski pieaugs, pakāpeniska samazināšanās kontrole. Lāzera dziļa saplūšanas metināšana, neatkarīgi no metināšanas dziļuma, vienmēr pastāv mazu caurumu parādība. Kad metināšanas process tiek pārtraukts un strāvas slēdzis ir izslēgts, metināšanas galā parādīsies krāteris. Turklāt, kad lāzera metināšanas slānis aptver sākotnējo metinājumu, lāzera staru kūļa absorbcija būs pārmērīga, kā rezultātā tiks pārkarsta vai metinājuma porainība.

Lai novērstu iepriekšminētās parādības, jaudas sākuma un apturēšanas punktus var ieprogrammēt tā, lai strāvas sākuma sākuma un apstāšanās laiki kļūtu regulējami, ti, sākuma jauda tiek elektroniski palielināta no nulles līdz iestatītajai jaudas vērtībai īsā laika posmā, un metināšanas laiks tiek pielāgots, un visbeidzot jaudu pakāpeniski samazina no iestatītās jaudas līdz nulles vērtībai, kad metināšana tiek pārtraukta.