Główne parametry procesu spawania laserowego

1) Moc laserowa. Istnieje próg gęstości energii laserowej w spawaniu laserowym, poniżej którego głębokość stopu jest płytka, a po osiągnięciu lub przekroczeniu wartości głębokość stopu znacznie wzrasta. Dopiero gdy gęstość mocy lasera na przedmiotie obrabia przekracza próg (zależny od materiału), generowana jest plazma, która oznacza stabilizację spawania głębokiego fuzyjnego. Jeśli moc laserowa znajduje się poniżej tego progu, przedmiot obrabia ulega tylko topnieniu powierzchniowym, tj. Spawanie przebiega w stabilnym rodzaju przenoszenia ciepła. Gdy gęstość mocy laserowej jest blisko krytycznego stanu tworzenia małego otworu, naprzemienne spawanie i przewodzenie głębokiego fuzji stają się niestabilnymi procesami spawania, co powoduje duże fluktuacje głębokości stopu. W laserowym spawaniu głębokiego fuzji moc laserowa kontroluje zarówno głębokość penetracji, jak i prędkość spawania, jak pokazano na rycinie 1. Głębokość spawania stopu jest bezpośrednio związana z gęstością mocy wiązki i jest funkcją padającej mocy wiązki i plamki ogniskowej wiązki. Ogólnie rzecz biorąc, dla pewnej średnicy wiązki laserowej głębokość stopu wzrasta wraz ze wzrostem mocy wiązki.

2) punkt centralny wiązki. Rozmiar plamki wiązki jest jedną z najważniejszych zmiennych w spawaniu laserowym, ponieważ określa gęstość mocy. Jednak jego pomiar stanowi wyzwanie dla laserów o dużej mocy, chociaż wiele pośrednich technik pomiaru jest już dostępnych.

Wielkość 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 ogniskowej. Najprostszą rzeczywistą metodą pomiaru jest metoda profilu izotermicznego, która polega na pomiaru ogniskowego plamki i średnicy perforacji po spalaniu i penetracji płytki polipropylenowej grubym papierem. Metodę tę należy mierzyć praktyką, opanowując wielkość mocy laserowej i czas działania wiązki.

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

Czynniki wpływające na szybkość absorpcji materiału do wiązki laserowej obejmują dwa aspekty: po pierwsze, rezystywność materiału. Po pomiarze szybkości absorpcji wypolerowanej powierzchni materiału stwierdzono, że szybkość absorpcji materiału jest proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego współczynnika rezystywności, co z kolei zmienia się w zależności od temperatury; Po drugie, stan powierzchniowy (lub wykończenie) materiału ma ważniejszy wpływ na szybkość absorpcji wiązki, ma w ten sposób znaczący wpływ na efekt spawania.

Długość fali wyjściowej lasera CO2 wynosi zwykle 10,6 μm, ceramika, szkło, guma, plastik i inne nie-metale na jej szybkości absorpcji w temperaturze pokojowej jest bardzo wysoka, podczas gdy materiały metalowe w temperaturze pokojowej na jego wchłanianiu są bardzo słabe, aż materiał po stopieniu lub nawet odparowaniu, jego absorpcja gwałtownie wzrosła. Zastosowanie powłoki powierzchniowej lub wytwarzania metody filmu tlenkowego w celu poprawy wchłaniania materiału do wiązki jest bardzo skuteczne.

4) Prędkość spawania. Prędkość spawania ma duży wpływ na głębokość stopu, zwiększenie prędkości spowoduje płytką głębokość stopu, ale prędkość jest zbyt niska i doprowadzi do nadmiernego topnienia materiału, obrabiania. Dlatego pewna moc laserowa i pewna grubość określonego materiału mają odpowiedni zakres prędkości spawania i w którym odpowiednią wartość prędkości można uzyskać, gdy maksymalna głębokość stopu. Ryc. 2 przedstawia związek między prędkością spawania a głębokością stopu stali 1018.

5) Gaz ochronny. Proces spawania laserowego często wykorzystuje obojętny gaz do ochrony topnienia, gdy niektóre materiały spawały się niezależnie od utleniania powierzchni, wówczas nie rozważają ochrony, ale w przypadku większości zastosowań są często stosowane hel, argon, azot i inne gazy do ochrony, tak aby przedmiot przed utlenianiem podczas procesu spalania.

Hel nie jest łatwo jonizowany (energia jonizacyjna jest wysoka), umożliwiając przechodzenie lasera, a energia wiązki dotarła do powierzchni przedmiotu obrabianego bez przeszkód. Jest to najskuteczniejszy gaz osłonowy stosowany w spawaniu laserowym, ale jest droższy.

Argon jest tańszy i gęsty, więc lepiej chroni. Jest jednak podatny na jonizację metali w osoczu o wysokiej temperaturze, co powoduje ochronę części wiązki do przedmiotu obrabianego, zmniejszając efektywną moc laserową do spawania, a także upośledzając prędkość spawania i głębokość stopu. Powierzchnia spawanej części jest gładsza z ochroną argonu niż w przypadku ochrony helu.

Azot jest najtańszym gazem ekranowym, ale nie nadaje się do niektórych rodzajów spawania ze stali nierdzewnej, głównie z powodu problemów metalurgicznych, takich jak wchłanianie, które czasami wytwarza porowatość w strefie okrążenia.

Drugą rolą stosowania gazu osłonowego jest ochrona soczewki ogniskowej przed zanieczyszczeniem metalowym pary i rozpylaniem cieczy stopionych kropelek. Jest to szczególnie konieczne w spawaniu laserowym o dużej mocy, gdzie wyrzucenie stają się bardzo potężne.

Trzecią funkcją gazu osłonowego jest to, że skutecznie rozprasza osocze wytwarzane przez spawanie laserowe o dużej mocy. Metalowa para pochłania wiązkę laserową i jonizuje w chmurę plazmową, a gaz osłonowy wokół metalowej pary jest również jonizowany przez ciepło. Jeśli występuje zbyt dużo plazmy, wiązka laserowa jest w pewnym stopniu zużywana przez plazmę. Obecność plazmy jako drugiej energii na powierzchni roboczej sprawia, że ​​głębokość stopu płytsza i powierzchnia basenu spoiny jest szersza. Szybkość kompleksowania elektronów jest zwiększona poprzez zwiększenie liczby kolizji elektronów i neutralnych atomów w celu zmniejszenia gęstości elektronów w osoczu. Im jaśniejszy atom neutralny, tym wyższa częstotliwość zderzenia, tym wyższa szybkość złoża; Z drugiej strony tylko wysoka energia jonizacji gazu osłonowego, aby nie zwiększyć gęstości elektronów z powodu jonizacji samego gazu.

Jak widać z tabeli, wielkość chmur plazmy zmienia się wraz z zastosowanym gazem ochronnym, przy czym hel jest najmniejszy, a następnie azot, i największy, gdy stosuje się argon. Im większy rozmiar plazmy, tym płytsza głębokość topnienia. Przyczyną tej różnicy jest przede wszystkim różny stopień jonizacji cząsteczek gazu, a także z różnicą w dyfuzji metalowej pary spowodowanej różnymi gęstościami gazów ochronnych.

Hel jest najmniej zjonizowany i najmniej gęsty, i szybko rozprasza rosnącą metalową oparę z stopionego metalowego basenu. Dlatego użycie helu jako gazu osłonowego może zmaksymalizować tłumienie osocza, zwiększając w ten sposób głębokość stopu i poprawiając prędkość spawania; Nie jest łatwo powodować porowatość ze względu na jej lekką wagę i zdolność ucieczki. Oczywiście z naszych rzeczywistych wyników spawania efekt ochrony z gazem argonowym nie jest zły.

Chmura plazmowa na głębokości stopu w strefie niskiej prędkości spawania jest najbardziej oczywista. Gdy prędkość spawania wzrośnie, jego wpływ zostanie osłabiony.

Gaz osłonowy jest wyrzucany przez otwór dyszy pod pewnym ciśnieniem, aby dotrzeć do powierzchni obrabiania. Hydrodynamiczny kształt dyszy i wielkość średnicy gniazdka są bardzo ważne. Musi być wystarczająco duży, aby poprowadzić spryskany gaz osłonowy w celu przykrycia powierzchni spawania, ale aby skutecznie chronić soczewkę i zapobiec zanieczyszczeniu metalowej pary lub uszkodzeniu metalowego rozprania się soczewki, rozmiar dyszy powinien być również ograniczony. Należy również kontrolować natężenie przepływu, w przeciwnym razie przepływ laminarny gazu osłonnego staje się turbulentny, a atmosfera angażuje się w stopioną pulę, ostatecznie tworząc porowatość.

W celu poprawy efektu ochrony, dostępny również dodatkowy boczny dmuchanie, to znaczy przez dyszę o mniejszej średnicy będzie gaz ochronny pod pewnym kątem bezpośrednio do głębokiego stopionego otworu spoiny. Gaz ekranujący nie tylko tłumi chmurę osocza na powierzchni przedmiotu obrabianego, ale także wywiera wpływ na plazmę w otworze i tworzenie małego otworu, dodatkowo zwiększając głębokość fuzji i uzyskując głębszy i szerszy szew spawany niż jest pożądany. Jednak ta metoda wymaga precyzyjnej kontroli wielkości i kierunku przepływu gazu, w przeciwnym razie łatwo jest wytworzyć turbulencje i uszkodzić pulę stopu, co powoduje, że proces spawania jest trudny do ustabilizowania.

6) Ogólna obiektyw. Spawanie jest zwykle wykorzystywane do skupienia sposobu konwergencji lasera, ogólnego wyboru ogniskowym 63 ~ 254 mm (2,5 '~ 10 '). Skoncentrowany rozmiar miejsca jest proporcjonalny do ogniskowej, tym krótszy od ogniskowej, tym mniejsze miejsce. Ale ogniskowa wpływa również na głębokość ogniskową, to znaczy, że głębokość ogniskowa wzrasta jednocześnie z ogniskową, więc krótka ogniskowa może poprawić gęstość mocy, ale ze względu na małą głębokość ogniskową, odległość między soczewką i przedmiotem obrabia musi być dokładnie utrzymana, a głębokość topnienia nie jest duża. Ze względu na wpływ strupów wygenerowanych podczas procesu spawania i trybu lasera, rzeczywiste spawanie przy użyciu najkrótszej głębokości ostrości bardziej ogniskowej 126 mm (5 '). Gdy szew jest duży lub że szew spoiny należy zwiększyć, zwiększając rozmiar plamki, obiektyw o ogniskowej długości 254 mm (10 ') można wybrać efekt.

Gdy moc laserowa przekracza 2 kW, szczególnie dla wiązki laserowej CO2 10,6 μm, ze względu na zastosowanie specjalnych materiałów optycznych do utworzenia układu optycznego, aby uniknąć ryzyka uszkodzenia optycznego obiektywu ogniskowego, często wybierz metodę ostrości odbicia, ogólnie przy użyciu polerowanego lustra miedzianego dla odbicia. Ze względu na skuteczne chłodzenie jest często zalecane do skupienia wiązki laserowej o dużej mocy.

7) Pozycja centralna. Spawanie, w celu utrzymania wystarczającej gęstości mocy, pozycja ogniskowa ma kluczowe znaczenie. Zmiany w pozycji punktu ogniskowego w stosunku do powierzchni obrabiania bezpośrednio wpływają na szerokość i głębokość spoiny. Rycina 3 pokazuje wpływ pozycji ogniskowej na głębokość stopu i szerokości szwu stali 1018. W większości zastosowań spawania laserowego punkt centralny jest zwykle ustawiany około 1/4 pożądanej głębokości stopu poniżej powierzchni obrabiania.

8) Pozycja wiązki laserowej. Podczas spawania lasera różne materiały, pozycja wiązki laserowej kontroluje ostateczną jakość spoiny, szczególnie w przypadku połączeń tyłka, które są bardziej wrażliwe na to niż złącza. Na przykład, gdy stwardnione koła zębate stalowe są przyspawane na bębny stalowe miękkie, właściwa kontrola pozycji wiązki laserowej ułatwi produkcję spoiny z głównie niskim składnikiem węgla, który ma lepszą odporność na pęknięcie. W niektórych zastosowaniach geometria obrabia, która ma być spawana, wymaga odchylenia wiązki laserowej pod kątem. Gdy kąt ugięcia między osą wiązki a płaszczyzną złącza mieści się w granicach 100 stopni, nie wpłynie to na wchłanianie energii laserowej przez przedmiot obrabiany.

9) Punkt początkowy i końcowy stopniowego wzrostu mocy laserowej, stopniowa kontrola spadku. Spawanie głębi fuzji laserowej, niezależnie od głębokości spoiny, zawsze istnieje zjawisko małych otworów. Po zakończeniu procesu spawania i wyłączonym przełącznikiem zasilania, krater pojawi się na końcu spoiny. Ponadto, gdy warstwa spawania laserowego obejmuje oryginalną spoinę, nastąpi nadmierne wchłanianie wiązki laserowej, co spowoduje przegrzanie lub porowatość spoiny.

Aby zapobiec powyższym zjawiskom, punkty początkowe i stopu mocy można zaprogramować, aby czas startowy i zatrzymania mocy stały się regulowane, tj. Moc początkowa była elektronicznie zwiększona z zera do ustalonej wartości mocy w krótkim czasie, a czas spawania jest dostosowywany, a wreszcie moc jest stopniowo zmniejszana z ustalonej zasilania do wartości zerowej, gdy spawanie jest zakończone.