Parameter proses utama kimpalan laser

1) Kuasa laser. Terdapat ambang ketumpatan tenaga laser dalam kimpalan laser, di mana kedalaman cair adalah cetek, dan apabila nilai ini dicapai atau melebihi, kedalaman cair meningkat dengan ketara. Hanya apabila ketumpatan kuasa laser pada bahan kerja melebihi ambang (bergantung kepada bahan), plasma dihasilkan, yang menandakan penstabilan kimpalan fusion yang mendalam. Sekiranya kuasa laser berada di bawah ambang ini, bahan kerja hanya mengalami pencairan permukaan, iaitu kimpalan hasil dalam jenis pemindahan haba yang stabil. Apabila ketumpatan kuasa laser berhampiran dengan keadaan kritikal pembentukan lubang kecil, kimpalan fusion yang mendalam dan kimpalan konduksi bergantian dan menjadi proses kimpalan yang tidak stabil, mengakibatkan turun naik yang besar dalam kedalaman cair. Dalam kimpalan gabungan laser, kuasa laser mengawal kedua -dua kedalaman penembusan dan kelajuan kimpalan, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1. Kedalaman kimpalan cair secara langsung berkaitan dengan ketumpatan kuasa rasuk dan merupakan fungsi kuasa rasuk insiden dan tempat fokus rasuk. Secara umum, untuk diameter tertentu rasuk laser, kedalaman cair meningkat apabila kuasa rasuk meningkat.

2) Beam Focal Spot. Saiz tempat 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 tempat difraksi fokus rasuk boleh dikira dari teori difraksi cahaya, tetapi tempat sebenar lebih besar daripada nilai yang dikira kerana kehadiran penyimpangan kanta fokus. Kaedah pengukuran sebenar yang paling mudah adalah kaedah profil isoterma, yang merupakan untuk mengukur tempat fokus dan diameter perforasi 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 penyerapan bahan. Penyerapan laser oleh bahan bergantung kepada beberapa sifat penting bahan, seperti kadar penyerapan, pemantulan, kekonduksian terma, suhu lebur, suhu penyejatan, dan lain -lain. Yang paling penting ialah kadar penyerapan.

Faktor -faktor yang mempengaruhi kadar penyerapan bahan ke rasuk laser termasuk dua aspek: pertama, resistiviti bahan. Selepas mengukur kadar penyerapan permukaan bahan yang digilap, didapati bahawa kadar penyerapan bahan adalah berkadar dengan akar kuadrat pekali resistiviti, yang seterusnya berbeza dengan suhu; Kedua, keadaan permukaan (atau penamat) bahan mempunyai kesan yang lebih penting pada kadar penyerapan rasuk, sehingga mempunyai kesan yang signifikan terhadap kesan kimpalan.

Panjang gelombang output 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 sangat miskin, sehingga bahan sekali cair atau bahkan dikurangkan, penyerapannya meningkat dengan ketara. Penggunaan lapisan permukaan atau penjanaan permukaan kaedah filem oksida untuk meningkatkan penyerapan bahan ke rasuk sangat berkesan.

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

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

Helium tidak mudah diionisasi (tenaga pengionan adalah tinggi), yang membolehkan laser melewati dan tenaga rasuk untuk mencapai permukaan bahan kerja yang tidak terkawal. Ia adalah gas perisai yang paling berkesan yang digunakan dalam kimpalan laser, tetapi lebih mahal.

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

Nitrogen adalah gas perisai termurah, 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 perisai adalah untuk melindungi lensa fokus dari pencemaran wap logam dan sputtering titisan cair cecair. Ini amat diperlukan dalam kimpalan laser kuasa tinggi, di mana ejecta menjadi sangat kuat.

Fungsi ketiga gas perisai adalah berkesan dalam menyebarkan pelindung plasma yang dihasilkan oleh kimpalan laser kuasa tinggi. Wap logam menyerap rasuk laser dan mengionkan ke dalam awan plasma, dan gas perisai di sekeliling wap logam juga diionkan oleh haba. Jika terlalu banyak plasma hadir, rasuk laser dimakan oleh plasma sedikit sebanyak. Kehadiran plasma sebagai tenaga kedua di permukaan kerja menjadikan kedalaman cair cetek dan permukaan kimpalan lebih luas. Kadar kompleks elektron meningkat dengan meningkatkan bilangan perlanggaran tiga badan elektron dan neutral-atom untuk mengurangkan ketumpatan elektron dalam plasma. Lebih ringan atom neutral, semakin tinggi kekerapan perlanggaran, semakin tinggi kadar kompaun; Sebaliknya, hanya tenaga pengionan tinggi gas perisai, supaya tidak meningkatkan ketumpatan elektron disebabkan pengionan gas itu sendiri.

Seperti yang dapat dilihat dari meja, saiz awan plasma berbeza -beza dengan gas perlindungan yang digunakan, dengan helium menjadi yang terkecil, diikuti oleh nitrogen, dan yang terbesar apabila argon digunakan. Lebih besar saiz plasma, yang lebih cetek kedalaman lebur. Alasan untuk perbezaan ini adalah pertama disebabkan oleh tahap pengionan molekul gas dan juga disebabkan oleh perbezaan penyebaran wap logam yang disebabkan oleh kepadatan yang berbeza dari gas perlindungan.

Helium adalah yang paling tidak terionisasi dan paling kurang padat, dan ia dengan cepat menghilangkan wap logam yang semakin meningkat dari kolam logam cair. Oleh itu, penggunaan helium sebagai gas perisai dapat memaksimumkan penindasan plasma, dengan itu meningkatkan kedalaman cair dan meningkatkan kelajuan kimpalan; Ia tidak mudah untuk menyebabkan keliangan kerana berat badannya dan keupayaan untuk melarikan diri. Sudah tentu, dari hasil kimpalan sebenar kami, kesan perlindungan dengan gas argon tidak buruk.

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

Gas perisai dikeluarkan melalui pembukaan muncung pada tekanan tertentu untuk mencapai permukaan bahan kerja. Bentuk hidrodinamik muncung dan saiz diameter outlet sangat penting. Ia mesti cukup besar untuk memacu gas perisai yang disembur untuk menutup permukaan kimpalan, tetapi untuk melindungi lensa dengan berkesan dan mencegah pencemaran wap logam atau kerosakan logam pada lensa, saiz muncung juga harus terhad. Kadar aliran juga harus dikawal, jika tidak, aliran laminar gas perisai menjadi bergolak dan atmosfera terlibat dalam kolam cair, akhirnya membentuk keliangan.

Untuk meningkatkan kesan perlindungan, juga tersedia cara meniup sisi tambahan, iaitu, melalui muncung diameter yang lebih kecil akan menjadi gas pelindung ke sudut tertentu terus ke dalam lubang kimpalan cair yang mendalam. Gas perisai bukan sahaja menindas awan plasma pada permukaan bahan kerja, tetapi juga memberi pengaruh pada plasma di dalam lubang dan pembentukan lubang kecil, terus meningkatkan kedalaman gabungan dan mendapatkan jahitan kimpalan yang lebih mendalam dan lebih luas daripada yang diingini. Walau bagaimanapun, kaedah ini memerlukan kawalan tepat saiz dan arah aliran gas, jika tidak, mudah untuk menghasilkan pergolakan dan merosakkan kolam cair, mengakibatkan proses kimpalan sukar untuk menstabilkan.

6) Panjang fokus kanta. Kimpalan biasanya digunakan untuk memfokuskan cara penumpuan laser, pilihan umum 63 ~ 254mm (2.5 '~ 10 ') panjang fokus lensa. Saiz spot yang difokuskan adalah berkadar dengan panjang fokus, semakin pendek panjang fokus, semakin kecil tempatnya. Tetapi panjang fokus juga memberi kesan kepada kedalaman fokus, iaitu kedalaman fokus meningkat secara serentak dengan panjang fokus, jadi panjang fokus pendek dapat meningkatkan ketumpatan kuasa, tetapi kerana kedalaman fokus yang kecil, jarak antara lensa dan bahan kerja mesti dikekalkan dengan tepat, dan kedalaman lebur tidak besar. Oleh kerana pengaruh spatter yang dihasilkan semasa proses kimpalan dan mod laser, kimpalan sebenar menggunakan kedalaman fokus yang lebih singkat lebih panjang fokus 126mm (5 '). Kesan lubang kecil yang mencairkan.

Apabila kuasa laser melebihi 2kW, terutamanya untuk rasuk laser CO2 10.6μm, disebabkan oleh penggunaan bahan optik khas untuk membentuk sistem optik, untuk mengelakkan risiko kerosakan optik ke lensa fokus, sering memilih kaedah fokus refleksi, secara umumnya menggunakan cermin tembaga yang digilap untuk reflektor. Oleh kerana penyejukan yang berkesan, ia sering disyorkan untuk memfokuskan rasuk laser kuasa tinggi.

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

8) Kedudukan rasuk laser. Apabila kimpalan laser bahan yang berbeza, kedudukan rasuk laser mengawal kualiti akhir kimpalan, terutamanya dalam kes sendi butt yang lebih sensitif terhadap ini daripada sendi pusingan. Sebagai contoh, apabila gear keluli keras dikimpal kepada drum keluli ringan, kawalan yang betul terhadap kedudukan rasuk laser akan memudahkan pengeluaran kimpalan dengan komponen karbon yang kebanyakannya rendah, yang mempunyai rintangan retak yang lebih baik. Dalam sesetengah aplikasi, geometri bahan kerja yang akan dikimpal memerlukan rasuk laser untuk dibelokkan oleh sudut. Apabila sudut pesongan antara paksi rasuk dan satah bersama berada dalam jarak 100 darjah, penyerapan tenaga laser oleh bahan kerja tidak akan terjejas.

9) Kimpalan permulaan dan titik akhir kuasa laser meningkat secara beransur -ansur, kawalan penurunan secara beransur -ansur. Laser Deep Fusion Welding, tanpa mengira kedalaman kimpalan, fenomena lubang kecil selalu wujud. Apabila proses kimpalan ditamatkan dan suis kuasa dimatikan, kawah akan muncul pada akhir kimpalan. Di samping itu, apabila lapisan kimpalan laser meliputi kimpalan asal, akan ada penyerapan yang berlebihan dari rasuk laser, mengakibatkan terlalu panas atau keliangan kimpalan.

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