Parametrii principali de sudare cu laser

1) Puterea laserului. Există un prag de densitate a energiei laser în sudarea cu laser, sub care adâncimea topiturii este superficială și, odată ce această valoare este atinsă sau depășită, adâncimea topiturii crește substanțial. Doar atunci când densitatea puterii laser de pe piesa de prelucrat depășește pragul (dependent de material), se generează plasmă, ceea ce marchează stabilizarea sudării profunde de fuziune. Dacă puterea laser este sub acest prag, piesa de lucru suferă doar topirea suprafeței, adică sudarea se transformă într -un tip de transfer de căldură stabil. Atunci când densitatea puterii laserului este aproape de starea critică a formării mici a găurilor, sudare profundă de fuziune și sudare de conducere alternează și devin procese de sudare instabile, ceea ce duce la fluctuații mari ale adâncimii topiturii. În sudarea cu fuziune profundă laser, puterea laser 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 de fascicul 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) Punctul focal al fasciculului. Mărimea 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.

Limita de difracție focală a fasciculului Dimensiunea spotului poate fi calculată din teoria difracției ușoare, dar locul real este mai mare decât valoarea calculată datorită prezenței aberației de focalizare a lentilelor. Cea mai simplă metodă de măsurare reală este metoda profilului izotermic, care este măsurarea diametrului focale și a perforației după arderea și pătrunderea unei plăci de polipropilenă cu hârtie groasă. Această metodă ar trebui măsurată prin practică, stăpânind dimensiunea puterii laser și timpul acțiunii 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, reflectivitatea, conductivitatea termică, temperatura de topire, temperatura de evaporare, etc. Cea mai importantă 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 vitezei 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 vitezei de absorbție a fasciculului, având astfel un efect semnificativ asupra efectului de sudare.

Lungimea de undă de ieșire cu laser CO2 este de obicei 10,6 μm, ceramică, sticlă, cauciuc, plastic și alte non-metaluri pe rata de absorbție la temperatura camerei este foarte ridicată, în timp ce materialele metalice la temperatura camerei la absorbția sa este foarte slabă, până când materialul odată topit sau chiar vaporizat, absorbția sa a crescut brusc. Utilizarea acoperirii de suprafață sau a generarii de suprafață a metodei de film de oxid pentru a îmbunătăți absorbția materialului la fascicul este foarte eficientă.

4) Viteza de sudare. Viteza de sudare are un impact mare asupra adâncimii topiturii, crește viteza va face ca adâncimea de topire să fie superficială, dar viteza este prea scăzută și va duce la o topire excesivă a materialului, piesa de lucru la sudură. 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 de viteză corespunzătoare poate fi obținută atunci când adâncimea maximă de topire. Figura 2 oferă relația dintre viteza de sudare și adâncimea de topire de 1018 oțel.

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

Heliul nu este ușor ionizat (energia de ionizare este mare), permițând trecerea laserului și energia fasciculului să ajungă la suprafața piesei de lucru fără obstacole. Este cel mai eficient gaz de protecție utilizat în sudarea cu laser, dar este mai scump.

Argon este mai ieftin și mai dens, deci protejează mai bine. Cu toate acestea, este susceptibilă la ionizarea plasmatică metalică la temperatură ridicată, ceea ce duce la protejarea unei părți a fasciculului la piesa de lucru, reducând puterea laser eficientă pentru sudare și, de asemenea, afectarea vitezei de sudare și a adâncimii topiturii. Suprafața părții sudate este mai netedă cu protecția argonului decât cu protecția cu heliu.

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

Al doilea rol al utilizării unui gaz de ecranare este protejarea obiectivului de focalizare de contaminarea cu vapori metalici și sputtering -ul picăturilor lichide topite. Acest lucru este necesar mai ales în sudarea laserului de mare putere, unde ejecta devine foarte puternică.

O a treia funcție a gazelor de ecranare este aceea că este eficientă în dispersarea protecției plasmatice produse prin sudare laser cu putere mare. Vaporii metalici absoarbe fasciculul laser și ionizează într -un nor plasmatic, 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 de topire să fie mai mică și suprafața piscinei de sudură. Rata de complexare a electronilor este crescută prin creșterea numărului de coliziuni cu trei corpuri de electroni și neutre-atom pentru a reduce densitatea electronilor în plasmă. Cu cât este mai ușoară atomul neutru, cu atât este mai mare frecvența de coliziune, cu atât rata compusă este mai mare; Pe de altă parte, doar energia ridicată de ionizare a gazelor de protecție, pentru a nu crește densitatea electronilor din cauza ionizării gazului în sine.

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

Heliul este cel mai puțin ionizat și cel mai puțin dens și risipește rapid vaporii metalici în creștere din piscina metalică topită. 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 provoace porozitate din cauza greutății ușoare și a capacității sale de a scăpa. Desigur, din rezultatele noastre de sudare reale, efectul protecției cu gazul argon nu este rău.

Clomul cu plasmă pe adâncimea topiturii în zona de viteză de sudare joasă este cel mai evident. Când viteza de sudare va crește, influența sa va fi slăbită.

Gazul de ecranare este ejectat prin deschiderea duzei la o anumită presiune pentru a ajunge la suprafața piesei. Forma hidrodinamică a duzei și dimensiunea diametrului ieșirii sunt foarte importante. Trebuie să fie suficient de mare pentru a conduce gazul de ecranare pulverizat pentru a acoperi suprafața de sudare, dar pentru a proteja eficient lentila și pentru a preveni contaminarea cu vapori metalici sau deteriorarea de spatter metalică a obiectivului, dimensiunea duzei ar trebui să fie limitată. Debitul ar trebui, de asemenea, controlat, altfel fluxul laminar al gazelor de protecție devine turbulent și atmosfera devine implicată în bazinul topit, formând în cele din urmă porozitate.

Pentru a îmbunătăți efectul de protecție, de asemenea, disponibil un mod suplimentar de suflare laterală, adică printr -o duză cu diametrul mai mic va fi gazul de protecție până la un anumit unghi direct în gaura de sudură topită. Gazul de protecție nu numai că suprimă norul plasmatic pe suprafața piesei de prelucrat, dar exercită și o influență asupra plasmei în gaură și formarea găurii mici, crescând în continuare adâncimea fuziunii și obținând o cusătură de sudură mai profundă și mai largă decât este de dorit. Cu toate acestea, această metodă necesită un control precis al dimensiunii și direcției debitului de gaz, altfel este ușor să produceți turbulențe și deteriorarea bazinului de topire, rezultând procesul de sudare este dificil de stabilizat.

6) Lungimea focală a lentilei. Sudarea este de obicei folosită pentru a concentra modul în care convergența laserului, alegerea generală de 63 ~ 254mm (2,5 '~ 10 ') distanța focală a obiectivului. Mărimea punctului focalizat este proporțională cu distanța focală, cu atât este mai scurtă distanță focală, cu atât este mai mică. Dar distanța focală afectează și adâncimea focală, adică adâncimea focală crește simultan cu distanța focală, astfel încât lungimea focală scurtă poate îmbunătăți densitatea puterii, dar din cauza adâncimii focale mici, distanța dintre obiectiv și piesa de lucru trebuie menținută cu exactitate, iar adâncimea de topire nu este mare. Datorită influenței spatterului generat în timpul procesului de sudare și a modului laser, sudarea reală folosind cea mai scurtă adâncime de focalizare mai focală 126mm (5 '). Când cusătura este mare sau cusătura de sudură trebuie să fie crescută prin creșterea dimensiunii spotului, poate fi selectată o lentilă cu o distanță mai mare de o distanță de 254 mm (10 '), în cazul în care se poate atinge un nivel mai mare de out de la nivel de 254 mm (puterea puterii), în cazul în care se poate atinge un nivel mai mare de out de la nivelul de 254 mm (putere) efect.

Când puterea laser 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, alege adesea metoda de focalizare a reflecției, folosind în general oglinda copper lustruită pentru reflector. Datorită răcirii eficiente, este adesea recomandat pentru focalizarea fasciculului 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 lucru afectează în mod direct lățimea și adâncimea sudurii. Figura 3 arată efectul poziției punctului focal asupra adâncimii de topire și lățimea cusăturii de 1018 oțel. În majoritatea aplicațiilor de sudare cu laser, punctul focal este de obicei poziționat aproximativ 1/4 din adâncimea dorită de topire sub suprafața piesei de lucru.

8) Poziția fasciculului laser. Atunci când sudarea laserului diferite materiale, poziția fasciculului laser controlează calitatea finală a sudurii, în special în cazul îmbinărilor cu fundul care sunt mai sensibile la aceasta decât îmbinările din poală. De exemplu, atunci când angrenajele din oțel întărit sunt sudate la tamburi ușoare de oțel, controlul corect al poziției fasciculului laser va facilita producerea unei suduri cu o componentă predominant cu emisie scăzută de carbon, care are o mai bună rezistență la fisură. În unele aplicații, geometria piesei de lucru care trebuie sudată necesită ca fasciculul laser să fie deviat de un unghi. Când unghiul de deviere dintre axa fasciculului și planul articulației este la 100 de grade, absorbția energiei laser de către piesa de prelucrat nu va fi afectată.

9) Punctul de pornire și final de sudare al puterii laser Creșterea treptată, controlul de scădere treptată. Sudarea cu fuziune profundă laser, indiferent de profunzimea sudurii, există întotdeauna fenomenul găurilor mici. Când procesul de sudare este încheiat și comutatorul de alimentare este oprit, va apărea un crater la sfârșitul sudurii. În plus, atunci când stratul de sudare laser acoperă sudura inițială, va exista o absorbție excesivă a fasciculului laser, ceea ce duce la supraîncălzire sau porozitate a sudurii.

Pentru a preveni fenomenele de mai sus, punctele de pornire și oprirea puterii pot fi programate astfel încât timpul de pornire și oprirea puterii să devină reglabile, adică puterea de pornire este crescută electronic de la zero la valoarea de putere stabilită într -o perioadă scurtă de timp, iar timpul de sudare este ajustat, iar în final puterea este redusă treptat de la puterea stabilită la valoarea zero atunci când sudura este terminată.