Parametrii principali ai procesului de sudare cu laser

1) Putere laser. Există un prag de densitate a energiei laser în sudarea cu laser, sub care adâncimea topiturii este mică, iar odată ce această valoare este atinsă sau depășită, adâncimea topiturii crește substanțial. Numai atunci când densitatea de putere laser pe piesa de prelucrat depășește pragul (dependent de material), se generează plasmă, care marchează stabilizarea sudării prin fuziune profundă. Dacă puterea laserului este sub acest prag, piesa de prelucrat suferă doar topirea la suprafață, adică sudarea se desfășoară într-un tip de transfer termic stabil. Când densitatea puterii laserului este aproape de starea critică de formare a găurilor mici, sudarea prin fuziune adâncă și sudarea prin conducție alternează și devin procese de sudare instabile, ducând la fluctuații mari ale adâncimii de topire. În sudarea prin fuziune profundă cu laser, puterea laserului controlează atât adâncimea de penetrare, cât și viteza de sudare, așa cum se arată în Figura 1. Adâncimea de sudare a topiturii este direct legată de densitatea puterii fasciculului și este o funcție a puterii fasciculului incident și a punctului focal al fasciculului. În general, pentru un anumit diametru al fasciculului laser, adâncimea topiturii crește pe măsură ce puterea fasciculului crește.

2) Spotul focal al fasciculului. Dimensiunea spotului fasciculului este una dintre cele mai importante variabile în sudarea cu laser, deoarece determină densitatea puterii. Cu toate acestea, măsurarea sa este o provocare pentru laserele de mare putere, deși multe tehnici de măsurare indirectă sunt deja disponibile.

Dimensiunea spotului limită de difracție focală a fasciculului poate fi calculată din teoria difracției luminii, dar punctul real este mai mare decât valoarea calculată datorită prezenței aberației lentilei de focalizare. Cea mai simplă metodă de măsurare reală este metoda profilului izotermic, care constă în măsurarea punctului focal și a diametrului perforației după arderea și pătrunderea unei plăci de polipropilenă cu hârtie groasă. Această metodă ar trebui măsurată prin practică, stăpânind mărimea puterii laserului și timpul de acțiune al fasciculului.

3) Valoarea de absorbție a materialului. Absorbția laserului de către material depinde de unele proprietăți importante ale materialului, cum ar fi rata de absorbție, reflectivitate, conductivitate termică, temperatura de topire, temperatura de evaporare etc. Cel mai important este rata de absorbție.

Factorii care afectează rata de absorbție a materialului la fasciculul laser includ două aspecte: în primul rând, rezistivitatea materialului. După măsurarea ratei de absorbție a suprafeței lustruite a materialului, se constată că rata de absorbție a materialului este proporțională cu rădăcina pătrată a coeficientului de rezistivitate, care la rândul său variază cu temperatura; în al doilea rând, starea de suprafață (sau finisajul) materialului are un efect mai important asupra ratei de absorbție a fasciculului, având astfel un efect semnificativ asupra efectului de sudare.

Lungimea de undă de ieșire a laserului CO2 este de obicei de 10,6 μm, ceramică, sticlă, cauciuc, plastic și alte nemetale cu privire la rata sa de absorbție la temperatura camerei este foarte mare, în timp ce materialele metalice la temperatura camerei absorbția este foarte slabă, până când materialul odată topit sau chiar vaporizat, absorbția sa a crescut brusc. Utilizarea acoperirii suprafeței sau a metodei de generare a filmului de oxid de suprafață pentru a îmbunătăți absorbția materialului la fascicul este foarte eficientă.

4) viteza de sudare. Viteza de sudare are un impact mare asupra adâncimii de topire, creșterea vitezei va face adâncimea de topire mică, dar viteza este prea mică și va duce la topirea excesivă a materialului, piesa de prelucrat se va suda. Prin urmare, o anumită putere laser și o anumită grosime a unui anumit material are o gamă adecvată de viteză de sudare și în care valoarea corespunzătoare a vitezei poate fi obținută la adâncimea maximă de topire. Figura 2 prezintă relația dintre viteza de sudare și adâncimea de topire a oțelului 1018.

5) Gaz protector. Procesul de sudare cu laser utilizează adesea gaz inert pentru a proteja bazinul de topire, atunci când unele materiale sunt sudate indiferent de oxidarea suprafeței, atunci, de asemenea, nu iau în considerare protecția, dar pentru majoritatea aplicațiilor sunt adesea folosite heliu, argon, azot și alte gaze pentru protecție, astfel încât piesa de prelucrat de oxidare în timpul procesului de sudare.

Heliul nu este ușor ionizat (energia de ionizare este mare), permițând laserului să treacă și energiei fasciculului să ajungă la suprafața piesei de prelucrat nestingherită. Este cel mai eficient gaz de protecție folosit în sudarea cu laser, dar este mai scump.

Argonul este mai ieftin și mai dens, așa că protejează mai bine. Cu toate acestea, este susceptibil la ionizarea cu plasmă metalică la temperatură înaltă, ceea ce are ca rezultat protejarea unei părți a fasciculului de piesa de prelucrat, reducând puterea efectivă a laserului pentru sudare și, de asemenea, afectând viteza de sudare și adâncimea topiturii. Suprafața piesei sudate este mai netedă cu protecție cu argon decât cu protecție cu heliu.

Azotul este cel mai ieftin gaz de protecție, dar nu este potrivit pentru unele tipuri de sudare a oțelului inoxidabil, în principal din cauza problemelor metalurgice, cum ar fi absorbția, care uneori produce porozitate în zona de suprapunere.

Al doilea rol al folosirii unui gaz de protecție este de a proteja lentila de focalizare de contaminarea cu vapori de metal și pulverizarea picăturilor lichide topite. Acest lucru este necesar în special în sudarea cu laser de mare putere, unde ejecta devine foarte puternică.

O a treia funcție a gazului de protecție este că este eficient în dispersarea ecranului cu plasmă produs de sudarea cu laser de mare putere. Vaporii de metal absoarbe raza laser și ionizează într-un nor de plasmă, iar gazul de protecție din jurul vaporilor de metal este, de asemenea, ionizat de căldură. Dacă este prezentă prea multă plasmă, fasciculul laser este consumat de plasmă într-o oarecare măsură. Prezența plasmei ca a doua energie pe suprafața de lucru face ca adâncimea topiturii să fie mai mică și suprafața bazinului de sudură mai largă. Viteza de complexare a electronilor este crescută prin creșterea numărului de ciocniri cu trei corpuri electron-ion și atom neutru pentru a reduce densitatea electronilor în plasmă. Cu cât atomul neutru este mai ușor, cu atât frecvența de coliziune este mai mare, cu atât rata compusă este mai mare; pe de altă parte, doar energia mare de ionizare a gazului de protecție, pentru a nu crește densitatea electronilor din cauza ionizării gazului în sine.

După cum se poate observa din tabel, dimensiunea norului de plasmă variază în funcție de gazul protector utilizat, heliul fiind cel mai mic, urmat de azot și cel mai mare atunci când se utilizează argon. Cu cât dimensiunea plasmei este mai mare, cu atât adâncimea de topire este mai mică. Motivul acestei diferențe se datorează în primul rând gradului diferit de ionizare al moleculelor de gaz și, de asemenea, diferenței de difuzie a vaporilor de metal cauzată de densitățile diferite ale gazelor protectoare.

Heliul este cel mai puțin ionizat și cel mai puțin dens și risipește rapid vaporii de metal în creștere din bazinul de metal topit. Prin urmare, utilizarea heliului ca gaz de protecție poate maximiza suprimarea plasmei, crescând astfel adâncimea topiturii și îmbunătățind viteza de sudare; nu este ușor să provocați porozitate din cauza greutății sale ușoare și a capacității de a scăpa. Desigur, din rezultatele noastre reale de sudare, efectul protecției cu gaz argon nu este rău.

Norul de plasmă pe adâncimea topiturii în zona cu viteză mică de sudare este cel mai evident. Când viteza de sudare crește, influența acesteia va fi slăbită.

Gazul de protecție este evacuat prin deschiderea duzei la o anumită presiune pentru a ajunge la suprafața piesei de prelucrat. Forma hidrodinamică a duzei și dimensiunea diametrului ieșirii sunt foarte importante. Trebuie să fie suficient de mare pentru a conduce gazul de protecție pulverizat pentru a acoperi suprafața de sudură, dar pentru a proteja eficient lentila și pentru a preveni contaminarea cu vapori de metal sau deteriorarea lentilei prin stropi de metal, dimensiunea duzei ar trebui, de asemenea, limitată. Debitul trebuie de asemenea controlat, altfel fluxul laminar al gazului de protecție devine turbulent și atmosfera devine implicată în bazinul de topire, formând în cele din urmă porozitate.

Pentru a îmbunătăți efectul de protecție, este disponibil și un mod suplimentar de suflare laterală, adică printr-o duză cu diametru mai mic, gazul protector va fi la un anumit unghi direct în gaura de sudură topit adânc. Gazul de protecție nu numai că suprimă norul de plasmă de pe suprafața piesei de prelucrat, dar exercită și o influență asupra plasmei din gaură și asupra formării găurii mici, crescând și mai mult adâncimea de fuziune și obținând o cusătură de sudură mai adâncă și mai largă decât este de dorit. Cu toate acestea, această metodă necesită un control precis al mărimii și direcției fluxului de gaz, în caz contrar, este ușor să se producă turbulențe și să se deterioreze bazinul de topire, rezultând că procesul de sudare este dificil de stabilizat.

6) Distanța focală a obiectivului. Sudarea este de obicei folosită pentru a focaliza modul în care convergența laserului, alegerea generală a distanței focale de 63 ~ 254 mm (2,5 '~ 10') a lentilei. Dimensiunea spotului focalizat este proporțională cu distanța focală, cu cât distanța focală este mai mică, cu atât spotul este mai mic. Dar distanța focală afectează și adâncimea focală, adică adâncimea focală crește simultan cu distanța focală, astfel încât distanța focală scurtă poate îmbunătăți densitatea de putere, dar din cauza adâncimii focale mici, distanța dintre lentilă și piesa de prelucrat trebuie menținută cu precizie, iar adâncimea de topire nu este mare. Datorită influenței stropilor generate în timpul procesului de sudare și a modului laser, sudarea reală folosind cea mai scurtă adâncime de focalizare mai mare distanță focală 126 mm (5'). Când cusătura este mare sau cusătura de sudură trebuie mărită prin creșterea dimensiunii spotului, poate fi selectată o lentilă cu o distanță focală de 254 mm (10'), caz în care este necesară o putere de ieșire mai mare (putere de ieșire mai mare). efect de topire a gaurii mici.

Când puterea laserului depășește 2kW, în special pentru fasciculul laser CO2 de 10,6 μm, datorită utilizării materialelor optice speciale pentru a forma sistemul optic, pentru a evita riscul de deteriorare optică a lentilei de focalizare, alegeți adesea metoda de focalizare prin reflexie, folosind în general oglindă de cupru lustruită pentru reflector. Datorită răcirii eficiente, este adesea recomandat pentru focalizarea cu fascicul laser de mare putere.

7) poziția punctului focal. Sudarea, pentru a menține o densitate de putere suficientă, poziția punctului focal este critică. Modificările în poziția punctului focal în raport cu suprafața piesei de prelucrat afectează direct lățimea și adâncimea sudurii. Figura 3 arată efectul poziției punctului focal asupra adâncimii topiturii și lățimii cusăturii oțelului 1018. În majoritatea aplicațiilor de sudare cu laser, punctul focal este poziționat de obicei la aproximativ 1/4 din adâncimea dorită a topiturii sub suprafața piesei de prelucrat.

8) Poziția fasciculului laser. La sudarea cu laser a diferitelor materiale, poziția fasciculului laser controlează calitatea finală a sudurii, mai ales în cazul îmbinărilor cap la cap care sunt mai sensibile la aceasta decât îmbinările suprapuse. De exemplu, atunci când angrenajele din oțel întărit sunt sudate cu tamburi din oțel moale, controlul adecvat al poziției fasciculului laser va facilita producerea unei suduri cu o componentă predominant cu conținut scăzut de carbon, care are o rezistență mai bună la fisuri. În unele aplicații, geometria piesei de sudat necesită ca raza laser să fie deviată printr-un unghi. Când unghiul de deviere dintre axa fasciculului și planul de îmbinare este în 100 de grade, absorbția energiei laser de către piesa de prelucrat nu va fi afectată.

9) Punctul de început și de sfârșit de sudare al creșterii treptate a puterii laserului, controlul declinului treptat. Sudarea prin fuziune profundă cu laser, indiferent de adâncimea sudurii, fenomenul găurilor mici există întotdeauna. Când procesul de sudare este încheiat și întrerupătorul de alimentare este oprit, va apărea un crater la sfârșitul sudurii. În plus, atunci când stratul de sudare cu laser acoperă sudura originală, va exista o absorbție excesivă a fasciculului laser, ducând la supraîncălzirea sau porozitatea sudurii.

Pentru a preveni fenomenele de mai sus, punctele de pornire și oprire a puterii pot fi programate astfel încât timpii de pornire și oprire a puterii să devină reglabili, adică puterea de pornire este mărită electronic de la zero la valoarea puterii setată într-o perioadă scurtă de timp și timpul de sudare este reglat, iar în final puterea este redusă treptat de la puterea setată la valoarea zero la terminarea sudării.