Lasersveising hovedprosessparametere

1) Laserkraft. Det er en laserenergitetthetsterskel ved lasersveising, under hvilken smeltedybden er liten, og når denne verdien er nådd eller overskredet, øker smeltedybden betydelig. Først når lasereffekttettheten på arbeidsstykket overstiger terskelen (materialavhengig), genereres plasma, som markerer stabiliseringen av dypsveising. Hvis lasereffekten er under denne terskelen, gjennomgår arbeidsstykket kun overflatesmelting, dvs. sveisingen fortsetter i en stabil varmeoverføringstype. Når lasereffekttettheten er nær den kritiske tilstanden for småhullsdannelse, veksler dypsmeltesveising og ledningssveising og blir ustabile sveiseprosesser, noe som resulterer i store fluktuasjoner i smeltedybden. Ved laserdypfusjonssveising kontrollerer lasereffekten både penetrasjonsdybden og sveisehastigheten, som vist i figur 1. Sveisedybden til smelten er direkte relatert til stråleeffekttettheten og er en funksjon av den innfallende stråleeffekten og strålens brennpunkt. Generelt, for en viss diameter av laserstrålen, øker smeltedybden når stråleeffekten øker.

2) Stråle brennpunkt. Strålepunktstørrelsen er en av de viktigste variablene ved lasersveising, da den bestemmer effekttettheten. Målingen er imidlertid en utfordring for høyeffektlasere, selv om mange indirekte måleteknikker allerede er tilgjengelige.

Strålens fokale diffraksjonsgrense punktstørrelse kan beregnes fra lysdiffraksjonsteori, men den faktiske spot er større enn den beregnede verdien på grunn av tilstedeværelsen av fokuseringslinseaberrasjon. Den enkleste reelle målemetoden er den isotermiske profilmetoden, som går ut på å måle brennpunktet og perforeringsdiameteren etter brenning og penetrering av en polypropylenplate med tykt papir. Denne metoden bør måles ved å øve, mestre størrelsen på laserkraften og tidspunktet for strålevirkningen.

3) Materialabsorpsjonsverdi. Absorpsjonen av laser av materialet avhenger av noen viktige egenskaper ved materialet, som absorpsjonshastighet, reflektivitet, termisk ledningsevne, smeltetemperatur, fordampningstemperatur, etc. Den viktigste er absorpsjonshastigheten.

Faktorer som påvirker absorpsjonshastigheten til materialet til laserstrålen inkluderer to aspekter: for det første materialets resistivitet. Etter å ha målt absorpsjonshastigheten til den polerte overflaten av materialet, er det funnet at materialets absorpsjonshastighet er proporsjonal med kvadratroten av resistivitetskoeffisienten, som igjen varierer med temperaturen; for det andre har overflatetilstanden (eller finishen) til materialet en viktigere effekt på absorpsjonshastigheten til bjelken, og har dermed en betydelig effekt på sveiseeffekten.

CO2 laser utgangsbølgelengde er vanligvis 10,6μm, keramikk, glass, gummi, plast og andre ikke-metaller på sin absorpsjonshastighet ved romtemperatur er svært høy, mens metallmaterialer ved romtemperatur på sin absorpsjon er svært dårlig, inntil materialet en gang smeltet eller til og med fordampet, økte absorpsjonen kraftig. Bruken av overflatebelegg eller overflategenerering av oksidfilmmetode for å forbedre absorpsjonen av materialet til strålen er svært effektiv.

4) sveisehastighet. Sveisehastighet har stor innvirkning på dybden av smelte, øke hastigheten vil gjøre dybden av smelte grunt, men hastigheten er for lav og vil føre til overdreven smelting av materialet, arbeidsstykket sveiser gjennom. Derfor har en viss laserkraft og en viss tykkelse av et bestemt materiale et passende område for sveisehastighet, og der den tilsvarende hastighetsverdien kan oppnås når den maksimale smeltedybden. Figur 2 viser forholdet mellom sveisehastighet og smeltedybde for 1018 stål.

5) Beskyttelsesgass. Lasersveising prosess ofte bruke inert gass for å beskytte smeltebassenget, når noen materialer sveiset uavhengig av overflate oksidasjon, da heller ikke vurdere beskyttelse, men for de fleste applikasjoner brukes ofte helium, argon, nitrogen og andre gasser for beskyttelse, slik at arbeidsstykket fra oksidasjon under sveiseprosessen.

Helium er ikke lett ionisert (ioniseringsenergien er høy), slik at laseren kan passere gjennom og stråleenergien kan nå overflaten av arbeidsstykket uhindret. Det er den mest effektive beskyttelsesgassen som brukes i lasersveising, men er dyrere.

Argon er billigere og tettere, så det beskytter bedre. Det er imidlertid utsatt for høytemperatur-metallplasmaionisering, noe som resulterer i å skjerme en del av strålen til arbeidsstykket, redusere den effektive laserkraften for sveising og også svekke sveisehastigheten og smeltedybden. Overflaten på den sveisede delen er jevnere med argonbeskyttelse enn med heliumbeskyttelse.

Nitrogen er den billigste dekkgassen, men den egner seg ikke for enkelte typer rustfritt stålsveising, hovedsakelig på grunn av metallurgiske problemer, som absorpsjon, som noen ganger gir porøsitet i lapsonen.

Den andre rollen til å bruke en beskyttelsesgass er å beskytte fokuslinsen mot forurensning av metalldamp og sputtering av flytende smeltede dråper. Dette er spesielt nødvendig ved lasersveising med høy effekt, hvor utkastet blir veldig kraftig.

En tredje funksjon av beskyttelsesgassen er at den er effektiv til å spre plasmaskjermingen som produseres ved lasersveising med høy effekt. Metalldampen absorberer laserstrålen og ioniserer til en plasmasky, og beskyttelsesgassen rundt metalldampen ioniseres også av varmen. Hvis for mye plasma er tilstede, forbrukes laserstrålen til en viss grad av plasmaet. Tilstedeværelsen av plasma som en andre energi på arbeidsflaten gjør smeltedybden grunnere og sveisebassengets overflate bredere. Hastigheten av elektronkompleksdannelse økes ved å øke antallet elektron-ion- og nøytralatom-tre-kroppskollisjoner for å redusere elektrontettheten i plasmaet. Jo lettere det nøytrale atomet er, desto høyere er kollisjonsfrekvensen, desto høyere er den sammensatte hastigheten; på den annen side kun den høye ioniseringsenergien til beskyttelsesgassen, for ikke å øke elektrontettheten på grunn av ioniseringen av selve gassen.

Som det fremgår av tabellen, varierer plasmaskystørrelsen med den beskyttende gassen som brukes, med helium som den minste, etterfulgt av nitrogen, og størst når argon brukes. Jo større plasmastørrelsen er, desto grunnere er smeltedybden. Årsaken til denne forskjellen skyldes for det første den ulik grad av ionisering av gassmolekylene og også på grunn av forskjellen i diffusjonen av metalldampen forårsaket av de forskjellige tetthetene til beskyttelsesgassene.

Helium er minst ionisert og minst tett, og det fjerner raskt den stigende metalldampen fra bassenget med smeltet metall. Derfor kan bruken av helium som beskyttelsesgass maksimere undertrykkelsen av plasma, og dermed øke smeltedybden og forbedre sveisehastigheten; det er ikke lett å forårsake porøsitet på grunn av dens lette vekt og evne til å rømme. Selvfølgelig, fra våre faktiske sveiseresultater, er effekten av beskyttelse med argongass ikke dårlig.

Plasmasky på smeltedybden i sonen med lav sveisehastighet er den mest åpenbare. Når sveisehastigheten øker, vil dens innflytelse bli svekket.

Beskyttelsesgassen skytes ut gjennom dyseåpningen ved et visst trykk for å nå arbeidsstykkets overflate. Den hydrodynamiske formen på dysen og størrelsen på diameteren på utløpet er svært viktig. Den må være stor nok til å drive den sprøytede dekkgassen til å dekke sveiseoverflaten, men for å effektivt beskytte linsen og forhindre metalldampforurensning eller metallsprutskader på linsen, bør også dysestørrelsen begrenses. Strømningshastigheten bør også kontrolleres, ellers blir den laminære strømmen av dekkgass turbulent og atmosfæren blir involvert i det smeltede bassenget, og danner til slutt porøsitet.

For å forbedre beskyttelseseffekten, vil også tilgjengelig ytterligere lateral blåsevei, det vil si gjennom en dyse med mindre diameter, være beskyttelsesgassen til en viss vinkel direkte inn i det dype smeltede sveisehullet. Beskyttelsesgassen undertrykker ikke bare plasmaskyen på overflaten av arbeidsstykket, men utøver også en påvirkning på plasmaet i hullet og dannelsen av det lille hullet, noe som øker fusjonsdybden ytterligere og oppnår en dypere og bredere sveisesøm enn det som er ønskelig. Imidlertid krever denne metoden nøyaktig kontroll av gassstrømstørrelse og retning, ellers er det lett å produsere turbulens og skade smeltebassenget, noe som resulterer i at sveiseprosessen er vanskelig å stabilisere.

6) Linsens brennvidde. Sveising brukes vanligvis til å fokusere måten laseren konvergerer, det generelle valget av 63 ~ 254 mm (2,5 '~ 10') brennvidde på linsen. Fokusert punktstørrelse er proporsjonal med brennvidden, jo kortere brennvidde, desto mindre er punktet. Men brennvidden påvirker også brennvidden, det vil si at brennvidden øker samtidig med brennvidden, slik at den korte brennvidden kan forbedre krafttettheten, men på grunn av den lille brenndybden må avstanden mellom linsen og arbeidsstykket opprettholdes nøyaktig, og smeltedybden er ikke stor. På grunn av påvirkningen av spruten som genereres under sveiseprosessen og lasermodusen, kan den faktiske sveisingen med den korteste fokusdybden mer brennvidde 126 mm (5'). Når sømmen er stor eller sveisesømmen må økes ved å øke punktstørrelsen, kan en linse med brennvidde på 254 mm (10') velges, i så fall kreves det en høyere lasereffekt for å oppnå en liten smeltestyrke. hulleffekt.

Når lasereffekten overstiger 2kW, spesielt for 10,6μm CO2-laserstrålen, på grunn av bruken av spesielle optiske materialer for å danne det optiske systemet, for å unngå risikoen for optisk skade på fokuslinsen, velg ofte refleksjonsfokuseringsmetoden, vanligvis ved bruk av polert kobberspeil for reflektoren. På grunn av den effektive kjølingen anbefales det ofte for laserstrålefokusering med høy effekt.

7) fokuspunktposisjon. Sveising, for å opprettholde tilstrekkelig krafttetthet, er brennpunktets posisjon kritisk. Endringer i posisjonen til brennpunktet i forhold til arbeidsstykkets overflate påvirker direkte sveisebredden og -dybden. Figur 3 viser effekten av brennpunktsposisjon på smeltedybden og sømbredden til 1018 stål. I de fleste lasersveiseapplikasjoner er brennpunktet typisk plassert omtrent 1/4 av ønsket smeltedybde under arbeidsstykkets overflate.

8) Laserstråleposisjon. Ved lasersveising av forskjellige materialer styrer laserstråleposisjonen den endelige kvaliteten på sveisen, spesielt ved stussfuger som er mer følsomme for dette enn overlappskjøter. For eksempel, når tannhjul av herdet stål sveises til tromler av bløtt stål, vil riktig kontroll av laserstråleposisjonen lette produksjonen av en sveis med en overveiende lavkarbonkomponent, som har bedre motstand mot sprekker. I noen applikasjoner krever geometrien til arbeidsstykket som skal sveises at laserstrålen avbøyes med en vinkel. Når avbøyningsvinkelen mellom stråleaksen og skjøteplanet er innenfor 100 grader, vil absorpsjonen av laserenergi av arbeidsstykket ikke bli påvirket.

9) Sveising start- og sluttpunkt for laserkraft gradvis økning, gradvis nedgang kontroll. Lasersveising med dyp fusjon, uavhengig av dybden på sveisen, eksisterer alltid fenomenet små hull. Når sveiseprosessen er avsluttet og strømbryteren er slått av, vil et krater vises på slutten av sveisen. I tillegg, når lasersveiselaget dekker den originale sveisen, vil det være overdreven absorpsjon av laserstrålen, noe som resulterer i overoppheting eller porøsitet av sveisen.

For å forhindre ovennevnte fenomener kan kraftstart- og stopppunktene programmeres slik at kraftstart- og stopptidene blir justerbare, dvs. starteffekten økes elektronisk fra null til innstilt effektverdi i løpet av kort tid og sveisetiden justeres, og til slutt reduseres effekten gradvis fra innstilt effekt til nullverdien når sveisingen avsluttes.