Główne parametry procesu spawania laserowego

1) Moc lasera. W spawaniu laserowym istnieje próg gęstości energii lasera, poniżej którego głębokość stopu jest niewielka, a po osiągnięciu lub przekroczeniu tej wartości głębokość stopu znacznie wzrasta. Dopiero gdy gęstość mocy lasera na przedmiocie przekroczy próg (zależny od materiału), powstaje plazma, co oznacza stabilizację zgrzewania wgłębnego. Jeżeli moc lasera jest niższa od tego progu, obrabiany przedmiot ulega jedynie topieniu powierzchniowemu, co oznacza, że ​​spawanie przebiega przy stabilnym przekazywaniu ciepła. Gdy gęstość mocy lasera jest bliska stanu krytycznego dla tworzenia małych otworów, spawanie wgłębne i spawanie przewodzące naprzemiennie stają się niestabilnymi procesami spawania, co powoduje duże wahania głębokości stopu. W przypadku spawania laserowego metodą głębokiego wtapiania moc lasera reguluje zarówno głębokość wtopienia, jak i prędkość spawania, jak pokazano na rysunku 1. Głębokość stopu jest bezpośrednio powiązana z gęstością mocy wiązki i jest funkcją mocy wiązki padającej oraz ogniska wiązki. Ogólnie rzecz biorąc, dla pewnej średnicy wiązki lasera głębokość stopu wzrasta wraz ze wzrostem mocy wiązki.

2) Punkt ogniskowy wiązki. Rozmiar plamki wiązki jest jedną z najważniejszych zmiennych w spawaniu laserowym, ponieważ określa gęstość mocy. Jednak jego pomiar stanowi wyzwanie dla laserów dużej mocy, choć dostępnych jest już wiele technik pomiarów pośrednich.

Graniczny rozmiar plamki dyfrakcji ogniskowej wiązki można obliczyć na podstawie teorii dyfrakcji światła, ale rzeczywista plamka jest większa niż obliczona wartość ze względu na obecność aberracji soczewki skupiającej. Najprostszą rzeczywistą metodą pomiaru jest metoda profilu izotermicznego, która polega na pomiarze ogniska i średnicy perforacji po wypaleniu i penetracji grubego papieru polipropylenowej płyty. Metodę tę należy mierzyć w praktyce, opanowując wielkość mocy lasera i czas działania wiązki.

3) Wartość absorpcji materiału. Absorpcja lasera przez materiał zależy od kilku ważnych właściwości materiału, takich jak szybkość absorpcji, współczynnik odbicia, przewodność cieplna, temperatura topnienia, temperatura parowania itp. Najważniejszą z nich jest szybkość absorpcji.

Czynniki wpływające na szybkość absorpcji materiału przez wiązkę lasera obejmują dwa aspekty: po pierwsze, rezystywność materiału. Po zmierzeniu szybkości absorpcji wypolerowanej powierzchni materiału stwierdza się, że szybkość absorpcji materiału jest proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego współczynnika rezystywności, który z kolei zmienia się wraz z temperaturą; po drugie, stan powierzchni (lub wykończenie) materiału ma większy wpływ na szybkość absorpcji wiązki, a tym samym ma znaczący wpływ na efekt spawania.

Długość fali wyjściowej lasera CO2 wynosi zwykle 10,6 μm, ceramika, szkło, guma, plastik i inne niemetale, szybkość absorpcji w temperaturze pokojowej jest bardzo wysoka, podczas gdy absorpcja materiałów metalowych w temperaturze pokojowej jest bardzo słaba, aż do stopienia lub nawet odparowania materiału, jego absorpcja gwałtownie wzrasta. Bardzo skuteczne jest zastosowanie metody powlekania powierzchni lub wytwarzania powierzchni filmu tlenkowego w celu poprawy wchłaniania materiału przez belkę.

4) prędkość spawania. Prędkość spawania ma duży wpływ na głębokość wytopu, zwiększenie prędkości spowoduje, że głębokość wtopienia będzie płytka, ale prędkość będzie zbyt mała i doprowadzi do nadmiernego stopienia materiału, przepawania przedmiotu. Dlatego przy określonej mocy lasera i określonej grubości danego materiału istnieje odpowiedni zakres prędkości spawania, w którym można uzyskać odpowiednią wartość prędkości przy maksymalnej głębokości wtopienia. Rysunek 2 przedstawia zależność pomiędzy szybkością spawania i głębokością stopienia stali 1018.

5) Gaz ochronny. W procesie spawania laserowego często wykorzystuje się gaz obojętny do ochrony jeziorka, gdy niektóre materiały są spawane niezależnie od utleniania powierzchni, wówczas również nie uwzględnia się ochrony, ale w większości zastosowań często stosuje się hel, argon, azot i inne gazy do ochrony, dzięki czemu przedmiot obrabiany przed utlenianiem podczas procesu spawania.

Hel nie ulega łatwo jonizacji (energia jonizacji jest wysoka), co pozwala na przejście lasera i bezproblemowe dotarcie energii wiązki do powierzchni przedmiotu obrabianego. Jest to najskuteczniejszy gaz osłonowy stosowany w spawaniu laserowym, jednak jest droższy.

Argon jest tańszy i gęstszy, dzięki czemu lepiej chroni. Jest jednak podatny na jonizację plazmy metalu w wysokiej temperaturze, co powoduje zasłanianie części wiązki do przedmiotu obrabianego, zmniejszając efektywną moc lasera podczas spawania, a także pogarszając prędkość spawania i głębokość stopu. Powierzchnia spawanej części jest gładsza w przypadku ochrony argonem niż w przypadku ochrony helem.

Azot jest najtańszym gazem osłonowym, ale nie nadaje się do niektórych rodzajów spawania stali nierdzewnej, głównie ze względu na problemy metalurgiczne, takie jak absorpcja, która czasami powoduje porowatość w strefie zakładkowej.

Drugą rolą stosowania gazu osłonowego jest ochrona soczewki skupiającej przed zanieczyszczeniem oparami metali i rozpylaniem stopionych kropelek cieczy. Jest to szczególnie konieczne przy spawaniu laserowym dużej mocy, gdzie wyrzut jest bardzo silny.

Trzecią funkcją gazu osłonowego jest to, że skutecznie rozprasza osłonę plazmową wytwarzaną podczas spawania laserowego dużej mocy. Opary metalu absorbują wiązkę lasera i jonizują, tworząc chmurę plazmy, a gaz osłonowy wokół par metalu jest również jonizowany pod wpływem ciepła. Jeśli jest za dużo plazmy, wiązka lasera jest w pewnym stopniu pochłaniana przez plazmę. Obecność plazmy jako drugiej energii na powierzchni roboczej powoduje, że głębokość wytopu jest płytsza, a powierzchnia jeziorka spawalniczego szersza. Szybkość kompleksowania elektronów zwiększa się poprzez zwiększenie liczby zderzeń trzech ciał elektron-jon i atom obojętny, aby zmniejszyć gęstość elektronów w plazmie. Im lżejszy atom obojętny, tym wyższa częstotliwość zderzeń, tym wyższa szybkość złożona; z drugiej strony tylko wysoka energia jonizacji gazu osłonowego, aby nie zwiększać gęstości elektronów w wyniku jonizacji samego gazu.

Jak widać z tabeli, wielkość chmury plazmy zmienia się w zależności od użytego gazu ochronnego, przy czym najmniejszy jest hel, następnie azot i największy, gdy używany jest argon. Im większy rozmiar plazmy, tym mniejsza głębokość topnienia. Przyczyną tej różnicy jest po pierwsze różny stopień jonizacji cząsteczek gazu, a także różnica w dyfuzji par metalu spowodowana różną gęstością gazów ochronnych.

Hel jest najmniej zjonizowany i najmniej gęsty i szybko rozprasza unoszące się pary metalu z jeziorka stopionego metalu. Dlatego zastosowanie helu jako gazu osłonowego może zmaksymalizować tłumienie plazmy, zwiększając w ten sposób głębokość stopu i poprawiając prędkość spawania; nie jest łatwo spowodować porowatość ze względu na niewielką wagę i zdolność do ucieczki. Oczywiście, z naszych rzeczywistych wyników spawania, efekt ochrony argonem nie jest zły.

Najbardziej widoczna jest chmura plazmy na głębokości stopu w strefie niskiej prędkości spawania. Gdy prędkość spawania wzrośnie, jej wpływ zostanie osłabiony.

Gaz osłonowy jest wyrzucany przez otwór dyszy pod określonym ciśnieniem i dociera do powierzchni przedmiotu obrabianego. Bardzo ważny jest hydrodynamiczny kształt dyszy i wielkość średnicy wylotu. Musi być wystarczająco duża, aby rozpylony gaz osłonowy pokrył powierzchnię spawania, ale aby skutecznie chronić soczewkę i zapobiegać zanieczyszczeniu soczewki oparami metali lub uszkodzeniu soczewki przez odpryski metalu, należy również ograniczyć rozmiar dyszy. Należy również kontrolować natężenie przepływu, w przeciwnym razie laminarny przepływ gazu osłonowego stanie się turbulentny, a atmosfera włączy się do jeziorka stopionego materiału, ostatecznie tworząc porowatość.

W celu polepszenia efektu ochronnego dostępny jest również dodatkowy boczny sposób nadmuchu, czyli poprzez dyszę o mniejszej średnicy, gaz ochronny będzie kierowany pod określonym kątem bezpośrednio do głębokiego otworu stopionego. Gaz osłonowy nie tylko tłumi chmurę plazmy na powierzchni przedmiotu obrabianego, ale także wywiera wpływ na plazmę w otworze i powstawanie małego otworu, dodatkowo zwiększając głębokość wtopienia i uzyskując głębszą i szerszą spoinę, niż jest to pożądane. Metoda ta wymaga jednak precyzyjnej kontroli wielkości i kierunku przepływu gazu, w przeciwnym razie łatwo jest wytworzyć turbulencje i uszkodzić jeziorko, a w rezultacie trudno jest ustabilizować proces spawania.

6) Ogniskowa obiektywu. Spawanie jest zwykle stosowane w celu ogniskowania sposobu zbieżności lasera, ogólny wybór ogniskowej obiektywu wynosi 63 ~ 254 mm (2,5 ~ 10'). Rozmiar skupionej plamki jest proporcjonalny do ogniskowej, im krótsza ogniskowa, tym mniejsza plamka. Ale ogniskowa wpływa również na głębokość ogniskowej, to znaczy głębokość ogniskowej zwiększa się jednocześnie z ogniskową, więc krótka ogniskowa może poprawić gęstość mocy, ale ze względu na małą głębię ogniskowej odległość między soczewką a przedmiotem obrabianym musi być dokładnie zachowana, a głębokość topienia nie jest duża. Ze względu na wpływ odprysków generowanych podczas procesu spawania i trybu laserowego, rzeczywiste spawanie przy najkrótszej głębi ostrości i większej ogniskowej wynosi 126 mm (5 cali). Gdy szew jest duży lub konieczne jest zwiększenie szwu poprzez zwiększenie rozmiaru plamki, można wybrać soczewkę o ogniskowej 254 mm (10 cali), w tym przypadku wymagana jest większa moc wyjściowa lasera (gęstość mocy), aby uzyskać efekt głębokiego stopienia małych otworów.

Gdy moc lasera przekracza 2kW, zwłaszcza dla wiązki lasera CO2 o długości 10,6 μm, ze względu na zastosowanie specjalnych materiałów optycznych do budowy układu optycznego, aby uniknąć ryzyka uszkodzenia optycznego soczewki ogniskującej, często wybiera się metodę ogniskowania odbiciowego, zwykle wykorzystując w odbłyśniku lustro z polerowanej miedzi. Ze względu na efektywne chłodzenie często zaleca się go do ogniskowania wiązki laserowej dużej mocy.

7) położenie punktu ogniskowego. Podczas spawania, aby utrzymać wystarczającą gęstość mocy, położenie ogniska ma kluczowe znaczenie. Zmiany położenia ogniska względem powierzchni przedmiotu obrabianego wpływają bezpośrednio na szerokość i głębokość spoiny. Rysunek 3 pokazuje wpływ położenia ogniska na głębokość wytopu i szerokość szwu stali 1018. W większości zastosowań spawania laserowego punkt ogniskowy jest zwykle umiejscowiony około 1/4 pożądanej głębokości stopu poniżej powierzchni przedmiotu obrabianego.

8) Pozycja wiązki lasera. Podczas spawania laserowego różnych materiałów położenie wiązki lasera kontroluje ostateczną jakość spoiny, szczególnie w przypadku złączy doczołowych, które są na to bardziej wrażliwe niż złącza zakładkowe. Na przykład, gdy koła zębate ze stali hartowanej są przyspawane do bębnów ze stali miękkiej, właściwa kontrola położenia wiązki lasera ułatwi wykonanie spoiny zawierającej głównie składnik niskowęglowy, który ma lepszą odporność na pękanie. W niektórych zastosowaniach geometria spawanego przedmiotu wymaga odchylenia wiązki lasera o pewien kąt. Gdy kąt odchylenia pomiędzy osią wiązki a płaszczyzną złącza mieści się w zakresie 100 stopni, nie ma to wpływu na absorpcję energii lasera przez przedmiot obrabiany.

9) Początek i koniec spawania, stopniowy wzrost mocy lasera, kontrola stopniowego spadku. Laserowe spawanie głębokie, niezależnie od głębokości spoiny, zawsze występuje zjawisko małych otworów. Po zakończeniu procesu spawania i wyłączeniu zasilania na końcu spoiny pojawi się krater. Ponadto, gdy warstwa spawania laserowego pokryje pierwotną spoinę, nastąpi nadmierna absorpcja wiązki lasera, co spowoduje przegrzanie lub porowatość spoiny.

Aby zapobiec powyższym zjawiskom, można zaprogramować punkty załączenia i zatrzymania mocy w taki sposób, aby czasy załączenia i zatrzymania mocy były regulowane, tzn. w krótkim czasie moc startowa jest elektronicznie zwiększana od zera do ustawionej wartości mocy, korygowany jest czas spawania, a na koniec moc stopniowo zmniejszana od ustawionej mocy do wartości zerowej po zakończeniu spawania.