Parameter proses utama kimpalan laser

1) Kuasa laser. Terdapat ambang ketumpatan tenaga laser dalam kimpalan laser, di bawahnya kedalaman leburan adalah cetek, dan apabila nilai ini dicapai atau melebihi, kedalaman leburan meningkat dengan ketara. Hanya apabila ketumpatan kuasa laser pada bahan kerja melebihi ambang (bergantung kepada bahan), plasma dihasilkan, yang menandakan penstabilan kimpalan gabungan dalam. Jika kuasa laser berada di bawah ambang ini, bahan kerja hanya mengalami lebur permukaan, iaitu kimpalan diteruskan dalam jenis pemindahan haba yang stabil. Apabila ketumpatan kuasa laser menghampiri keadaan kritikal pembentukan lubang kecil, kimpalan gabungan dalam dan kimpalan pengaliran silih berganti dan menjadi proses kimpalan yang tidak stabil, mengakibatkan turun naik yang besar dalam kedalaman cair. Dalam kimpalan gabungan dalam laser, kuasa laser mengawal kedua-dua kedalaman penembusan dan kelajuan kimpalan, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1. Kedalaman leburan kimpalan berkaitan secara langsung dengan ketumpatan kuasa rasuk dan merupakan fungsi kuasa rasuk kejadian dan titik fokus rasuk. Secara umum, untuk diameter tertentu pancaran laser, kedalaman leburan meningkat apabila kuasa pancaran meningkat.

2) Tempat tumpuan pancaran. Saiz titik rasuk adalah salah satu pembolehubah yang paling penting dalam kimpalan laser, kerana ia menentukan ketumpatan kuasa. Walau bagaimanapun, pengukurannya adalah satu cabaran untuk laser kuasa tinggi, walaupun banyak teknik pengukuran tidak langsung sudah tersedia.

Saiz titik had pembelauan fokus rasuk boleh dikira daripada teori pembelauan cahaya, tetapi bintik sebenar lebih besar daripada nilai yang dikira kerana kehadiran penyimpangan kanta fokus. Kaedah pengukuran sebenar yang paling mudah ialah kaedah profil isoterma, iaitu mengukur titik fokus dan diameter tebuk selepas membakar dan menembusi plat polipropilena dengan kertas tebal. Kaedah ini harus diukur dengan amalan, menguasai saiz kuasa laser dan masa tindakan rasuk.

3) Nilai serapan bahan. Penyerapan laser oleh bahan bergantung kepada beberapa sifat penting bahan, seperti kadar penyerapan, pemantulan, kekonduksian terma, suhu lebur, suhu penyejatan, dll. Yang paling penting ialah kadar penyerapan.

Faktor-faktor yang mempengaruhi kadar penyerapan bahan kepada pancaran laser termasuk dua aspek: pertama, kerintangan bahan. Selepas mengukur kadar penyerapan permukaan yang digilap bahan, didapati bahawa kadar penyerapan bahan adalah berkadar dengan punca kuasa dua pekali kerintangan, yang seterusnya berubah mengikut suhu; kedua, keadaan permukaan (atau kemasan) bahan mempunyai kesan yang lebih penting pada kadar penyerapan rasuk, dengan itu mempunyai kesan yang ketara terhadap kesan kimpalan.

Panjang gelombang keluaran laser CO2 biasanya 10.6μm, seramik, kaca, getah, plastik dan bukan logam lain pada kadar penyerapannya pada suhu bilik adalah sangat tinggi, manakala bahan logam pada suhu bilik pada penyerapannya adalah sangat lemah, sehingga bahan itu sekali cair atau mengewap, penyerapannya meningkat dengan mendadak. Penggunaan salutan permukaan atau kaedah penjanaan permukaan filem oksida untuk meningkatkan penyerapan bahan ke rasuk adalah sangat berkesan.

4) kelajuan kimpalan. Kelajuan kimpalan mempunyai kesan yang besar pada kedalaman cair, meningkatkan kelajuan akan menjadikan kedalaman cair cetek, tetapi kelajuan terlalu rendah dan akan membawa kepada lebur berlebihan bahan, bahan kerja dikimpal melalui. Oleh itu, kuasa laser tertentu dan ketebalan tertentu bahan tertentu mempunyai julat kelajuan kimpalan yang sesuai, dan di mana nilai kelajuan yang sepadan boleh diperolehi apabila kedalaman maksimum cair. Rajah 2 memberikan hubungan antara kelajuan kimpalan dan kedalaman lebur keluli 1018.

5) Gas pelindung. Proses kimpalan laser sering menggunakan gas lengai untuk melindungi kolam cair, apabila beberapa bahan dikimpal tanpa mengira pengoksidaan permukaan, maka juga tidak mempertimbangkan perlindungan, tetapi untuk kebanyakan aplikasi sering digunakan helium, argon, nitrogen dan gas lain untuk perlindungan, supaya bahan kerja daripada pengoksidaan semasa proses kimpalan.

Helium tidak mudah terion (tenaga pengionan adalah tinggi), membolehkan laser melaluinya dan tenaga pancaran mencapai permukaan bahan kerja tanpa halangan. Ia adalah gas pelindung paling berkesan yang digunakan dalam kimpalan laser, tetapi lebih mahal.

Argon lebih murah dan lebih padat, jadi ia melindungi dengan lebih baik. Walau bagaimanapun, ia terdedah kepada pengionan plasma logam suhu tinggi, yang mengakibatkan melindungi sebahagian rasuk ke bahan kerja, mengurangkan kuasa laser yang berkesan untuk kimpalan dan juga menjejaskan kelajuan kimpalan dan kedalaman cair. Permukaan bahagian yang dikimpal lebih licin dengan perlindungan argon berbanding dengan perlindungan helium.

Nitrogen adalah gas pelindung yang paling murah, tetapi ia tidak sesuai untuk beberapa jenis kimpalan keluli tahan karat, terutamanya disebabkan oleh masalah metalurgi, seperti penyerapan, yang kadang-kadang menghasilkan keliangan di zon pusingan.

Peranan kedua menggunakan gas pelindung adalah untuk melindungi kanta pemfokus daripada pencemaran wap logam dan percikan titisan cair cair. Ini amat diperlukan dalam kimpalan laser kuasa tinggi, di mana ejecta menjadi sangat kuat.

Fungsi ketiga gas pelindung ialah ia berkesan dalam menyebarkan pelindung plasma yang dihasilkan oleh kimpalan laser berkuasa tinggi. Wap logam menyerap pancaran laser dan mengion menjadi awan plasma, dan gas pelindung di sekeliling wap logam juga terion oleh haba. Jika terlalu banyak plasma hadir, pancaran laser dimakan oleh plasma sedikit sebanyak. Kehadiran plasma sebagai tenaga kedua pada permukaan kerja menjadikan kedalaman cair lebih cetek dan permukaan kolam kimpalan lebih luas. Kadar pengkompleksan elektron meningkat dengan menambah bilangan perlanggaran tiga jasad elektron-ion dan neutral-atom untuk mengurangkan ketumpatan elektron dalam plasma. Semakin ringan atom neutral, semakin tinggi kekerapan perlanggaran, semakin tinggi kadar kompaun; sebaliknya, hanya tenaga pengionan tinggi gas pelindung, supaya tidak meningkatkan ketumpatan elektron akibat pengionan gas itu sendiri.

Seperti yang dapat dilihat dari jadual, saiz awan plasma berbeza dengan gas pelindung yang digunakan, dengan helium adalah yang terkecil, diikuti oleh nitrogen, dan yang terbesar apabila argon digunakan. Semakin besar saiz plasma, semakin cetek kedalaman lebur. Sebab bagi perbezaan ini adalah pertama disebabkan oleh tahap pengionan yang berbeza bagi molekul gas dan juga disebabkan oleh perbezaan dalam resapan wap logam yang disebabkan oleh ketumpatan yang berbeza bagi gas pelindung.

Helium adalah yang paling sedikit terion dan paling kurang tumpat, dan ia dengan cepat menghilangkan wap logam yang semakin meningkat dari kolam logam cair. Oleh itu, penggunaan helium sebagai gas pelindung boleh memaksimumkan penindasan plasma, dengan itu meningkatkan kedalaman cair dan meningkatkan kelajuan kimpalan; ia tidak mudah menyebabkan keliangan kerana beratnya yang ringan dan keupayaan untuk melepaskan diri. Sudah tentu, daripada hasil kimpalan sebenar kami, kesan perlindungan dengan gas argon tidaklah buruk.

Awan plasma pada kedalaman cair dalam zon kelajuan kimpalan rendah adalah yang paling jelas. Apabila kelajuan kimpalan meningkat, pengaruhnya akan menjadi lemah.

Gas pelindung dikeluarkan melalui bukaan muncung pada tekanan tertentu untuk mencapai permukaan bahan kerja. Bentuk hidrodinamik muncung dan saiz diameter alur keluar adalah sangat penting. Ia mestilah cukup besar untuk memacu gas pelindung yang disembur untuk menutup permukaan kimpalan, tetapi untuk melindungi kanta dengan berkesan dan mengelakkan pencemaran wap logam atau kerosakan percikan logam pada kanta, saiz muncung juga harus dihadkan. Kadar aliran juga harus dikawal, jika tidak aliran laminar gas pelindung menjadi bergelora dan atmosfera terlibat dalam kolam cair, akhirnya membentuk keliangan.

Dalam usaha untuk meningkatkan kesan perlindungan, juga terdapat cara meniup sisi tambahan, iaitu, melalui muncung diameter yang lebih kecil akan gas pelindung ke sudut tertentu terus ke dalam lubang kimpalan cair dalam. Gas pelindung bukan sahaja menindas awan plasma pada permukaan bahan kerja, tetapi juga memberi pengaruh pada plasma dalam lubang dan pembentukan lubang kecil, meningkatkan lagi kedalaman pelakuran dan mendapatkan jahitan kimpalan yang lebih dalam dan lebih luas daripada yang diingini. Walau bagaimanapun, kaedah ini memerlukan kawalan yang tepat terhadap saiz dan arah aliran gas, jika tidak, ia adalah mudah untuk menghasilkan pergolakan dan merosakkan kolam cair, menyebabkan proses kimpalan sukar untuk distabilkan.

6) Panjang fokus kanta. Kimpalan biasanya digunakan untuk memfokuskan cara penumpuan laser, pilihan umum 63 ~ 254mm (2.5 '~ 10') panjang fokus kanta. Saiz titik fokus adalah berkadar dengan panjang fokus, lebih pendek panjang fokus, lebih kecil titik itu. Tetapi jarak fokus juga mempengaruhi kedalaman fokus, iaitu, kedalaman fokus meningkat serentak dengan panjang fokus, jadi panjang fokus pendek boleh meningkatkan ketumpatan kuasa, tetapi kerana kedalaman fokus yang kecil, jarak antara kanta dan bahan kerja mesti dikekalkan dengan tepat, dan kedalaman lebur tidak besar. Disebabkan oleh pengaruh percikan yang dijana semasa proses kimpalan dan mod laser, kimpalan sebenar menggunakan kedalaman fokus terpendek lebih panjang fokus 126mm (5'). Apabila jahitan besar atau jahitan kimpalan perlu ditingkatkan dengan meningkatkan saiz titik, kanta dengan panjang fokus 254mm (10') boleh dipilih, di mana ketumpatan kuasa yang lebih tinggi diperlukan (ketumpatan kuasa) yang lebih tinggi (ketumpatan laser yang lebih dalam) diperlukan. kesan.

Apabila kuasa laser melebihi 2kW, terutamanya untuk pancaran laser CO2 10.6μm, kerana penggunaan bahan optik khas untuk membentuk sistem optik, untuk mengelakkan risiko kerosakan optik pada kanta fokus, sering memilih kaedah pemfokusan pantulan, secara amnya menggunakan cermin tembaga yang digilap untuk reflektor. Oleh kerana penyejukan yang berkesan, ia sering disyorkan untuk pemfokusan pancaran laser berkuasa tinggi.

7) kedudukan titik fokus. Kimpalan, untuk mengekalkan ketumpatan kuasa yang mencukupi, kedudukan titik fokus adalah kritikal. Perubahan dalam kedudukan titik fokus berbanding permukaan bahan kerja secara langsung mempengaruhi lebar dan kedalaman kimpalan. Rajah 3 menunjukkan kesan kedudukan titik fokus terhadap kedalaman leburan dan lebar jahitan keluli 1018. Dalam kebanyakan aplikasi kimpalan laser, titik fokus biasanya diletakkan kira-kira 1/4 daripada kedalaman cair yang dikehendaki di bawah permukaan bahan kerja.

8) Kedudukan pancaran laser. Apabila laser mengimpal bahan yang berbeza, kedudukan pancaran laser mengawal kualiti akhir kimpalan, terutamanya dalam kes sendi punggung yang lebih sensitif terhadap ini daripada sendi pusingan. Sebagai contoh, apabila gear keluli yang dikeraskan dikimpal kepada dram keluli lembut, kawalan yang betul ke atas kedudukan pancaran laser akan memudahkan penghasilan kimpalan dengan komponen karbon yang kebanyakannya rendah, yang mempunyai rintangan retak yang lebih baik. Dalam sesetengah aplikasi, geometri bahan kerja yang akan dikimpal memerlukan pancaran laser untuk dipesongkan oleh sudut. Apabila sudut pesongan antara paksi rasuk dan satah sendi berada dalam lingkungan 100 darjah, penyerapan tenaga laser oleh bahan kerja tidak akan terjejas.

9) Kimpalan mula dan titik akhir kuasa laser meningkat secara beransur-ansur, kawalan penurunan beransur-ansur. Kimpalan gabungan dalam laser, tanpa mengira kedalaman kimpalan, fenomena lubang kecil sentiasa wujud. Apabila proses kimpalan ditamatkan dan suis kuasa dimatikan, kawah akan muncul di hujung kimpalan. Di samping itu, apabila lapisan kimpalan laser meliputi kimpalan asal, akan terdapat penyerapan pancaran laser yang berlebihan, mengakibatkan terlalu panas atau keliangan kimpalan.

Untuk mengelakkan fenomena di atas, titik mula dan henti kuasa boleh diprogramkan supaya masa mula dan berhenti kuasa menjadi boleh laras, iaitu kuasa permulaan secara elektronik meningkat daripada sifar kepada nilai kuasa yang ditetapkan dalam tempoh yang singkat dan masa kimpalan diselaraskan, dan akhirnya kuasa dikurangkan secara beransur-ansur daripada kuasa yang ditetapkan kepada nilai sifar apabila kimpalan ditamatkan.