Lāzermetināšanas galvenie procesa parametri

1) Lāzera jauda. Lāzermetināšanā ir lāzera enerģijas blīvuma slieksnis, zem kura kausējuma dziļums ir mazs, un, kad šī vērtība tiek sasniegta vai pārsniegta, kausējuma dziļums ievērojami palielinās. Tikai tad, kad lāzera jaudas blīvums uz sagataves pārsniedz slieksni (atkarīgs no materiāla), tiek ģenerēta plazma, kas iezīmē dziļas kausēšanas metināšanas stabilizēšanos. Ja lāzera jauda ir zem šī sliekšņa, sagatavei notiek tikai virsmas kušana, ti, metināšana notiek stabilā siltuma pārneses veidā. Kad lāzera jaudas blīvums ir tuvu mazu caurumu veidošanās kritiskajam stāvoklim, dziļa kausēšanas metināšana un vadīšanas metināšana mainās un kļūst par nestabiliem metināšanas procesiem, kā rezultātā rodas lielas kausējuma dziļuma svārstības. Lāzera dziļās kausēšanas metināšanā lāzera jauda kontrolē gan iespiešanās dziļumu, gan metināšanas ātrumu, kā parādīts 1. attēlā. Kausējuma metināšanas dziļums ir tieši saistīts ar staru kūļa jaudas blīvumu un ir atkarīga no krītošā stara jaudas un stara fokusa punkta. Parasti noteiktam lāzera stara diametram kausējuma dziļums palielinās, palielinoties stara jaudai.

2) Stara fokusa punkts. Stara vietas izmērs ir viens no svarīgākajiem lāzermetināšanas mainīgajiem, jo ​​tas nosaka jaudas blīvumu. Tomēr tā mērīšana ir izaicinājums lieljaudas lāzeriem, lai gan jau ir pieejamas daudzas netiešās mērīšanas metodes.

Stara fokusa difrakcijas robežpunkta izmēru var aprēķināt no gaismas difrakcijas teorijas, bet faktiskais punkts ir lielāks par aprēķināto vērtību fokusēšanas lēcas aberācijas dēļ. Vienkāršākā reālā mērīšanas metode ir izotermiskā profila metode, kas ir fokusa vietas un perforācijas diametra mērīšana pēc sadedzināšanas un caurduršanas polipropilēna plāksnē ar biezu papīru. Šī metode jāmēra praksē, apgūstot lāzera jaudas lielumu un stara darbības laiku.

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

Faktori, kas ietekmē materiāla absorbcijas ātrumu pret lāzera staru, ietver divus aspektus: pirmkārt, materiāla pretestību. 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 lielāka ietekme uz sijas absorbcijas ātrumu, tādējādi būtiski ietekmējot metināšanas efektu.

CO2 lāzera izejas viļņa garums parasti ir 10,6 μm, keramikas, stikla, gumijas, plastmasas un citu nemetālu absorbcijas ātrums istabas temperatūrā ir ļoti augsts, savukārt metālu materiāliem istabas temperatūrā tā absorbcija ir ļoti slikta, līdz materiāls izkusis vai pat iztvaikojis, tā absorbcija strauji palielinājās. Virsmas pārklājuma vai oksīda plēves virsmas veidošanas metodes izmantošana, lai uzlabotu materiāla uzsūkšanos starā, ir ļoti efektīva.

4) metināšanas ātrums. Metināšanas ātrumam ir liela ietekme uz kausējuma dziļumu, palielinot ātrumu, kausējuma dziļums būs sekls, bet ātrums ir pārāk zems un novedīs pie materiāla pārmērīgas kušanas, sagataves metināšana cauri. Tāpēc noteiktai lāzera jaudai un noteiktam materiāla biezumam ir piemērots metināšanas ātruma diapazons un kurā var iegūt atbilstošo ātruma vērtību, kad ir maksimālais kušanas dziļums. 2. attēlā parādīta attiecība starp metināšanas ātrumu un 1018 tērauda kausējuma dziļumu.

5) Aizsarggāze. Lāzermetināšanas procesā kausējuma baseina aizsardzībai bieži tiek izmantota inerta gāze, kad daži materiāli tiek metināti neatkarīgi no virsmas oksidācijas, tad arī netiek ņemta vērā aizsardzība, taču lielākajai daļai lietojumu aizsardzībai bieži tiek izmantots hēlijs, argons, slāpeklis un citas gāzes, lai sagatave metināšanas procesā netiktu oksidēta.

Hēliju nav viegli jonizēt (jonizācijas enerģija ir augsta), ļaujot lāzeram iziet cauri un stara enerģijai netraucēti sasniegt apstrādājamās detaļas virsmu. Tā ir visefektīvākā aizsarggāze, ko izmanto lāzermetināšanā, taču tā ir dārgāka.

Argons ir lētāks un blīvāks, tāpēc tas labāk aizsargā. Tomēr tas ir jutīgs pret augstas temperatūras metāla plazmas jonizāciju, kā rezultātā daļa stara tiek aizsargāta pret apstrādājamo priekšmetu, samazinot efektīvo lāzera jaudu metināšanai, kā arī pasliktinot metināšanas ātrumu un kausējuma dziļumu. Metinātās daļas virsma ir gludāka ar argona aizsardzību nekā ar hēlija aizsardzību.

Slāpeklis ir lētākā aizsarggāze, taču tā nav piemērota dažiem nerūsējošā tērauda metināšanas veidiem, galvenokārt metalurģisku problēmu dēļ, piemēram, absorbcijas dēļ, kas dažkārt rada porainību klēpja zonā.

Otrais aizsarggāzes izmantošanas uzdevums ir aizsargāt fokusēšanas lēcu no metāla tvaiku piesārņojuma un šķidru izkausētu pilienu izsmidzināšanas. Tas ir īpaši nepieciešams lielas jaudas lāzermetināšanā, kur izmešana kļūst ļoti spēcīga.

Trešā aizsarggāzes funkcija ir tā, ka tā efektīvi izkliedē plazmas ekranējumu, ko rada lieljaudas lāzermetināšana. Metāla tvaiki absorbē lāzera staru un jonizējas plazmas mākonī, un arī aizsarggāze ap metāla tvaikiem tiek jonizēta ar karstumu. Ja ir pārāk daudz plazmas, lāzera staru zināmā mērā patērē plazma. Plazmas kā otrās enerģijas klātbūtne uz darba virsmas padara kausējuma dziļumu mazāku un metināšanas baseina virsmu platāku. Elektronu kompleksa veidošanās ātrums tiek palielināts, palielinot elektronu jonu un neitrālu atomu trīs ķermeņa sadursmju skaitu, lai samazinātu elektronu blīvumu plazmā. Jo vieglāks neitrālais atoms, jo augstāka ir sadursmes biežums, jo augstāks ir savienojuma ātrums; no otras puses, tikai aizsarggāzes augstā jonizācijas enerģija, lai nepalielinātu elektronu blīvumu pašas gāzes jonizācijas dēļ.

Kā redzams tabulā, plazmas mākoņa izmērs mainās atkarībā no izmantotās aizsarggāzes, kur hēlijs ir mazākais, kam seko slāpeklis, un lielākais, ja tiek izmantots argons. Jo lielāks ir plazmas izmērs, jo mazāks kušanas dziļums. Šīs atšķirības iemesls, pirmkārt, ir gāzes molekulu atšķirīgā jonizācijas pakāpe, kā arī metāla tvaiku difūzijas atšķirības, ko izraisa dažādie aizsarggāzu blīvumi.

Hēlijs ir vismazāk jonizēts un vismazāk blīvs, un tas ātri izkliedē augošos metāla tvaikus no izkausētā metāla baseina. Tāpēc hēlija kā aizsarggāzes izmantošana var palielināt plazmas nomākšanu, tādējādi palielinot kausēšanas dziļumu un uzlabojot metināšanas ātrumu; nav viegli radīt porainību tā vieglā svara un spējas aizbēgt dēļ. Protams, no mūsu faktiskajiem metināšanas rezultātiem aizsardzības efekts ar argona gāzi nav slikts.

Plazmas mākonis uz kausējuma dziļuma zema metināšanas ātruma zonā ir visredzamākais. Kad metināšanas ātrums palielinās, tā ietekme tiks vājināta.

Aizsarggāze tiek izvadīta caur sprauslas atveri ar noteiktu spiedienu, lai sasniegtu sagataves virsmu. Ļoti svarīga ir sprauslas hidrodinamiskā forma un izplūdes atveres diametra izmērs. Tam jābūt pietiekami lielam, lai vadītu izsmidzināto aizsarggāzi, lai pārklātu metināšanas virsmu, taču, lai efektīvi aizsargātu lēcu un novērstu metāla tvaiku piesārņojumu vai metāla šļakatu bojājumus lēcā, ir jāierobežo arī sprauslas izmērs. Plūsmas ātrums arī jākontrolē, pretējā gadījumā aizsarggāzes laminārā plūsma kļūst turbulenta un atmosfēra tiek iesaistīta izkusušajā baseinā, galu galā veidojot porainību.

Lai uzlabotu aizsardzības efektu, ir pieejams arī papildu sānu pūšanas veids, tas ir, caur mazāka diametra sprauslu aizsarggāze tiks novadīta noteiktā leņķī tieši dziļi izkausētā metinājuma caurumā. Aizsarggāze ne tikai nomāc plazmas mākoni uz sagataves virsmas, bet arī iedarbojas uz plazmu urbumā un mazā cauruma veidošanos, vēl vairāk palielinot saplūšanas dziļumu un iegūstot dziļāku un platāku metinājuma šuvi, nekā vēlams. Tomēr šī metode prasa precīzu gāzes plūsmas lieluma un virziena kontroli, pretējā gadījumā ir viegli radīt turbulenci un sabojāt kausējuma baseinu, kā rezultātā metināšanas procesu ir grūti stabilizēt.

6) Objektīva fokusa attālums. Metināšanu parasti izmanto, lai fokusētu lāzera konverģenci, objektīva fokusa attālumu parasti izvēloties 63 ~ 254 mm (2,5 '~ 10'). Fokusa vietas izmērs ir proporcionāls fokusa attālumam, jo ​​īsāks fokusa attālums, jo mazāks ir punkts. Bet fokusa attālums ietekmē arī fokusa dziļumu, tas ir, fokusa dziļums palielinās vienlaikus ar fokusa attālumu, tāpēc īss fokusa attālums var uzlabot jaudas blīvumu, bet mazā fokusa dziļuma dēļ ir precīzi jāsaglabā attālums starp objektīvu un apstrādājamo priekšmetu, un kušanas dziļums nav liels. Metināšanas procesa un lāzera režīma laikā radušos šļakatu ietekmes dēļ faktiskā metināšana, izmantojot īsāko fokusa dziļumu, ir lielāks fokusa attālums 126 mm (5'). Ja šuve ir liela vai metināšanas šuve ir jāpalielina, palielinot vietas izmēru, var izvēlēties objektīvu ar fokusa attālumu 254 mm (10'), kurā ir nepieciešama lielāka lāzera jauda (daudz dziļākas jaudas sasniegšanai). maza cauruma efekts.

Ja lāzera jauda pārsniedz 2kW, īpaši 10,6 μm CO2 lāzera staram, jo ​​optiskās sistēmas veidošanai tiek izmantoti īpaši optiskie materiāli, lai izvairītos no fokusēšanas lēcas optiskā bojājuma riska, bieži tiek izvēlēta atstarošanas fokusēšanas metode, parasti atstarotājam izmantojot pulēta vara spoguli. Pateicoties efektīvai dzesēšanai, to bieži iesaka lielas jaudas lāzera staru fokusēšanai.

7) fokusa punkta pozīcija. Metināšana, lai uzturētu pietiekamu jaudas blīvumu, fokusa punkta pozīcija ir kritiska. Izmaiņas fokusa punkta pozīcijā attiecībā pret sagataves virsmu tieši ietekmē metinājuma platumu un dziļumu. 3. attēlā parādīta fokusa punkta pozīcijas ietekme uz 1018 tērauda kausējuma dziļumu un šuves platumu. Lielākajā daļā lāzermetināšanas lietojumu fokusa punkts parasti atrodas aptuveni 1/4 no vēlamā kausējuma dziļuma zem sagataves virsmas.

8) Lāzera stara pozīcija. Lāzermetinot dažādus materiālus, lāzera stara pozīcija kontrolē metinājuma galīgo kvalitāti, īpaši sadursavienojumu gadījumā, kas pret to ir jutīgāki nekā klēpja savienojumi. Piemēram, ja rūdīta tērauda zobrati tiek piemetināti pie viegla tērauda mucām, pareiza lāzera stara stāvokļa kontrole atvieglos metinājuma šuves izgatavošanu ar pārsvarā zemu oglekļa saturu, kam ir labāka plaisu izturība. Dažos lietojumos metināmās sagataves ģeometrijas dēļ lāzera stars ir jānovirza leņķī. Ja novirzes leņķis starp stara asi un savienojuma plakni ir 100 grādu robežās, lāzera enerģijas absorbcija apstrādājamajā priekšmetā netiks ietekmēta.

9) Lāzera jaudas pakāpeniskā pieauguma metināšanas sākuma un beigu punkts, pakāpeniska samazināšanas kontrole. Lāzera dziļkausēšanas metināšana, neatkarīgi no metinājuma dziļuma, mazu caurumu parādība vienmēr pastāv. Kad metināšanas process tiek pārtraukts un strāvas slēdzis ir izslēgts, metinājuma beigās parādīsies krāteris. Turklāt, kad lāzera metināšanas slānis pārklāj oriģinālo šuvi, lāzera stars tiks pārmērīgi absorbēts, kā rezultātā metinājuma šuve pārkarst vai porainās.

Lai novērstu iepriekš minētās parādības, jaudas ieslēgšanas un apturēšanas punktus var ieprogrammēt tā, lai jaudas ieslēgšanas un apturēšanas laiki kļūtu regulējami, ti, īsā laika periodā tiek elektroniski palielināta palaišanas jauda no nulles līdz iestatītajai jaudas vērtībai un tiek noregulēts metināšanas laiks, un visbeidzot, metināšanai beidzoties, jauda tiek pakāpeniski samazināta no iestatītās jaudas līdz nullei.