Belangrijkste procesparameters voor laserlassen

1) Laserkracht. Bij laserlassen bestaat er een grenswaarde voor de laserenergiedichtheid, waaronder de smeltdiepte ondiep is, en zodra deze waarde wordt bereikt of overschreden, neemt de smeltdiepte aanzienlijk toe. Alleen wanneer de laservermogensdichtheid op het werkstuk de drempel overschrijdt (materiaalafhankelijk), wordt plasma gegenereerd, wat de stabilisatie van diepsmeltlassen markeert. Als het laservermogen onder deze drempel ligt, ondergaat het werkstuk alleen oppervlaktesmelting, dwz het lassen verloopt met een stabiele warmteoverdracht. Wanneer de laservermogensdichtheid de kritieke toestand van de vorming van kleine gaten nadert, wisselen diepsmeltlassen en geleidingslassen elkaar af en worden onstabiele lasprocessen, wat resulteert in grote fluctuaties in de smeltdiepte. Bij laser-diepfusielassen regelt het laservermogen zowel de penetratiediepte als de lassnelheid, zoals weergegeven in figuur 1. De lasdiepte van de smelt is direct gerelateerd aan de vermogensdichtheid van de straal en is een functie van het invallende straalvermogen en het brandpunt van de straal. Over het algemeen neemt bij een bepaalde diameter van de laserstraal de smeltdiepte toe naarmate het straalvermogen toeneemt.

2) Straalbrandpunt. De straalvlekgrootte is een van de belangrijkste variabelen bij laserlassen, omdat deze de vermogensdichtheid bepaalt. De meting ervan is echter een uitdaging voor lasers met hoog vermogen, hoewel er al veel indirecte meettechnieken beschikbaar zijn.

De brandpuntsdiffractiegrensvlekgrootte van de bundel kan worden berekend op basis van de lichtdiffractietheorie, maar de werkelijke vlek is groter dan de berekende waarde vanwege de aanwezigheid van focusseringslensaberratie. De eenvoudigste echte meetmethode is de isothermische profielmethode, waarbij het brandpunt en de perforatiediameter worden gemeten na het branden en doordringen van een polypropyleenplaat met dik papier. Deze methode moet in de praktijk worden gemeten, waarbij u de grootte van het laservermogen en de tijd van de straalactie beheerst.

3) Materiaalabsorptiewaarde. De absorptie van laser door het materiaal hangt af van enkele belangrijke eigenschappen van het materiaal, zoals absorptiesnelheid, reflectiviteit, thermische geleidbaarheid, smelttemperatuur, verdampingstemperatuur, enz. De belangrijkste is de absorptiesnelheid.

Factoren die de absorptiesnelheid van het materiaal door de laserstraal beïnvloeden, omvatten twee aspecten: ten eerste de soortelijke weerstand van het materiaal. Na het meten van de absorptiesnelheid van het gepolijste oppervlak van het materiaal, is gebleken dat de materiaalabsorptiesnelheid evenredig is met de vierkantswortel van de weerstandscoëfficiënt, die op zijn beurt varieert met de temperatuur; ten tweede heeft de oppervlaktetoestand (of afwerking) van het materiaal een belangrijker effect op de absorptiesnelheid van de straal, en heeft dus een aanzienlijk effect op het laseffect.

De CO2-laseruitgangsgolflengte is gewoonlijk 10,6 μm, keramiek, glas, rubber, plastic en andere niet-metalen hebben een zeer hoge absorptiesnelheid bij kamertemperatuur, terwijl metalen materialen bij kamertemperatuur zeer slecht absorberen, totdat het materiaal eenmaal gesmolten of zelfs verdampt is, nam de absorptie ervan scherp toe. Het gebruik van oppervlaktecoating of oppervlaktegeneratie van een oxidefilmmethode om de absorptie van het materiaal op de straal te verbeteren is zeer effectief.

4) lassnelheid. De lassnelheid heeft een grote invloed op de smeltdiepte. Als u de snelheid verhoogt, wordt de smeltdiepte ondiep, maar de snelheid is te laag en leidt tot overmatig smelten van het materiaal en het doorlassen van het werkstuk. Daarom heeft een bepaald laservermogen en een bepaalde dikte van een bepaald materiaal een geschikt bereik van lassnelheid, en waarin de overeenkomstige snelheidswaarde kan worden verkregen bij de maximale smeltdiepte. Figuur 2 geeft de relatie tussen lassnelheid en smeltdiepte van 1018 staal.

5) Beschermgas. Laserlasproces maakt vaak gebruik van inert gas om het smeltbad te beschermen, wanneer sommige materialen worden gelast ongeacht oppervlakteoxidatie, dan ook geen bescherming overwegen, maar voor de meeste toepassingen worden vaak helium, argon, stikstof en andere gassen gebruikt ter bescherming, zodat het werkstuk tegen oxidatie tijdens het lasproces.

Helium wordt niet gemakkelijk geïoniseerd (de ionisatie-energie is hoog), waardoor de laser erdoorheen kan en de straalenergie ongehinderd het oppervlak van het werkstuk kan bereiken. Het is het meest effectieve beschermgas dat wordt gebruikt bij laserlassen, maar is duurder.

Argon is goedkoper en dichter, dus het beschermt beter. Het is echter gevoelig voor metaalplasma-ionisatie bij hoge temperaturen, wat resulteert in het afschermen van een deel van de straal naar het werkstuk, waardoor het effectieve laservermogen voor het lassen wordt verminderd en ook de lassnelheid en smeltdiepte worden aangetast. Het oppervlak van het gelaste onderdeel is bij argonbescherming gladder dan bij heliumbescherming.

Stikstof is het goedkoopste beschermgas, maar is niet geschikt voor sommige soorten roestvrij staallassen, voornamelijk vanwege metallurgische problemen, zoals absorptie, die soms porositeit in de overlapzone veroorzaken.

De tweede rol van het gebruik van een beschermgas is het beschermen van de focusseerlens tegen metaaldampverontreiniging en het sputteren van vloeibare gesmolten druppels. Dit is vooral nodig bij laserlassen met hoog vermogen, waarbij de ejecta zeer krachtig worden.

Een derde functie van het beschermgas is dat het effectief is bij het verspreiden van de plasma-afscherming die wordt geproduceerd door laserlassen met hoog vermogen. De metaaldamp absorbeert de laserstraal en ioniseert tot een plasmawolk. Ook het beschermgas rond de metaaldamp wordt door de hitte geïoniseerd. Als er te veel plasma aanwezig is, wordt de laserstraal voor een deel door het plasma verbruikt. De aanwezigheid van plasma als tweede energie op het werkoppervlak maakt de smeltdiepte ondieper en het smeltbadoppervlak breder. De snelheid van elektronencomplexering wordt verhoogd door het aantal botsingen tussen elektron-ionen en drie lichamen van neutrale atomen te vergroten om de elektronendichtheid in het plasma te verminderen. Hoe lichter het neutrale atoom, hoe hoger de botsingsfrequentie, hoe hoger de samengestelde snelheid; aan de andere kant alleen de hoge ionisatie-energie van het beschermgas, om de elektronendichtheid niet te verhogen als gevolg van de ionisatie van het gas zelf.

Zoals uit de tabel blijkt, varieert de grootte van de plasmawolk afhankelijk van het gebruikte beschermende gas, waarbij helium het kleinste is, gevolgd door stikstof, en het grootste als argon wordt gebruikt. Hoe groter de plasmagrootte, hoe ondieper de smeltdiepte. De reden voor dit verschil is in de eerste plaats te wijten aan de verschillende mate van ionisatie van de gasmoleculen en ook aan het verschil in diffusie van de metaaldamp veroorzaakt door de verschillende dichtheden van de beschermende gassen.

Helium is het minst geïoniseerd en heeft de minste dichtheid, en verdrijft snel de opstijgende metaaldamp uit de gesmolten metaalplas. Daarom kan het gebruik van helium als beschermgas de onderdrukking van plasma maximaliseren, waardoor de smeltdiepte wordt vergroot en de lassnelheid wordt verbeterd; het is niet gemakkelijk om porositeit te veroorzaken vanwege het lichte gewicht en het vermogen om te ontsnappen. Op basis van onze daadwerkelijke lasresultaten is het effect van bescherming met argongas uiteraard niet slecht.

Plasmawolken op de smeltdiepte in de zone met lage lassnelheid zijn het meest voor de hand liggend. Wanneer de lassnelheid toeneemt, zal de invloed ervan worden verzwakt.

Het beschermgas wordt met een bepaalde druk door de mondstukopening uitgestoten om het werkstukoppervlak te bereiken. De hydrodynamische vorm van het mondstuk en de grootte van de diameter van de uitlaat zijn erg belangrijk. Het moet groot genoeg zijn om het versproeide beschermgas het lasoppervlak te laten bedekken, maar om de lens effectief te beschermen en metaaldampverontreiniging of schade door metaalspatten aan de lens te voorkomen, moet de mondstukgrootte ook beperkt zijn. De stroomsnelheid moet ook worden gecontroleerd, anders wordt de laminaire stroom van beschermgas turbulent en raakt de atmosfeer betrokken bij het gesmolten bad, waardoor uiteindelijk porositeit ontstaat.

Om het beschermingseffect te verbeteren, is er ook een extra zijdelingse blaasmethode beschikbaar, dat wil zeggen, via een mondstuk met een kleinere diameter zal het beschermende gas onder een bepaalde hoek rechtstreeks in het diepe gesmolten lasgat komen. Het beschermgas onderdrukt niet alleen de plasmawolk op het oppervlak van het werkstuk, maar oefent ook invloed uit op het plasma in het gat en de vorming van het kleine gaatje, waardoor de smeltdiepte verder wordt vergroot en een diepere en bredere lasnaad wordt verkregen dan wenselijk is. Deze methode vereist echter nauwkeurige controle van de grootte en richting van de gasstroom, anders ontstaat er gemakkelijk turbulentie en wordt het smeltbad beschadigd, waardoor het lasproces moeilijk te stabiliseren is.

6) Brandpuntsafstand van de lens. Lassen wordt meestal gebruikt om de manier waarop de laserconvergentie focust, de algemene keuze van 63 ~ 254 mm (2,5 '~ 10') brandpuntsafstand van de lens. De scherpgestelde vlekgrootte is evenredig met de brandpuntsafstand; hoe korter de brandpuntsafstand, hoe kleiner de vlek. Maar de brandpuntsafstand heeft ook invloed op de brandpuntsdiepte, dat wil zeggen dat de brandpuntsdiepte gelijktijdig toeneemt met de brandpuntsafstand, dus de korte brandpuntsafstand kan de vermogensdichtheid verbeteren, maar vanwege de kleine brandpuntsdiepte moet de afstand tussen de lens en het werkstuk nauwkeurig worden gehandhaafd en is de smeltdiepte niet groot. Vanwege de invloed van de spatten die tijdens het lasproces en de lasermodus worden gegenereerd, wordt bij het eigenlijke lassen gebruik gemaakt van de kortste scherptediepte en is de brandpuntsafstand 126 mm (5'). Wanneer de naad groot is of de lasnaad moet worden vergroot door de puntgrootte te vergroten, kan een lens met een brandpuntsafstand van 254 mm (10') worden geselecteerd, in welk geval een hoger laservermogen (vermogensdichtheid) nodig is om een ​​diepsmelteffect van kleine gaten te bereiken.

Wanneer het laservermogen groter is dan 2 kW, vooral voor de CO2-laserstraal van 10,6 μm, vanwege het gebruik van speciale optische materialen om het optische systeem te vormen, om het risico op optische schade aan de focusseerlens te voorkomen, kies dan vaak voor de reflectiefocusseringsmethode, meestal met behulp van een gepolijste koperen spiegel voor de reflector. Vanwege de effectieve koeling wordt dit vaak aanbevolen voor laserbundelfocussering met hoog vermogen.

7) focuspuntpositie. Bij het lassen is de positie van het brandpunt van cruciaal belang om voldoende vermogensdichtheid te behouden. Veranderingen in de positie van het brandpunt ten opzichte van het werkstukoppervlak hebben rechtstreeks invloed op de lasbreedte en -diepte. Figuur 3 toont het effect van de positie van het brandpunt op de smeltdiepte en naadbreedte van 1018 staal. Bij de meeste laserlastoepassingen bevindt het brandpunt zich doorgaans op ongeveer 1/4 van de gewenste smeltdiepte onder het werkstukoppervlak.

8) Positie van de laserstraal. Bij het laserlassen van verschillende materialen bepaalt de positie van de laserstraal de uiteindelijke kwaliteit van de las, vooral bij stompe verbindingen die hiervoor gevoeliger zijn dan lapverbindingen. Wanneer bijvoorbeeld tandwielen van gehard staal worden gelast aan trommels van zacht staal, zal een goede controle van de laserstraalpositie de productie van een las met een overwegend koolstofarme component, die een betere scheurweerstand heeft, vergemakkelijken. Bij sommige toepassingen vereist de geometrie van het te lassen werkstuk dat de laserstraal over een hoek wordt afgebogen. Wanneer de afbuighoek tussen de straalas en het verbindingsvlak binnen 100 graden ligt, wordt de absorptie van laserenergie door het werkstuk niet beïnvloed.

9) Lasbegin- en eindpunt van de geleidelijke stijging van het laservermogen, geleidelijke dalingscontrole. Laser-diepfusielassen, ongeacht de diepte van de las, bestaat het fenomeen van kleine gaatjes altijd. Wanneer het lasproces wordt beëindigd en de stroomschakelaar wordt uitgeschakeld, verschijnt er aan het einde van de las een krater. Bovendien zal er, wanneer de laserlaslaag de oorspronkelijke las bedekt, overmatige absorptie van de laserstraal plaatsvinden, wat resulteert in oververhitting of porositeit van de las.

Om de bovenstaande verschijnselen te voorkomen, kunnen de start- en stoppunten van het vermogen zo worden geprogrammeerd dat de start- en stoptijden van het vermogen instelbaar worden, dwz het startvermogen wordt in korte tijd elektronisch verhoogd van nul naar de ingestelde vermogenswaarde en de lastijd wordt aangepast, en uiteindelijk wordt het vermogen geleidelijk verlaagd van het ingestelde vermogen naar de nulwaarde wanneer het lassen wordt beëindigd.