Основные параметры процесса лазерной сварки

1) Мощность лазера. При лазерной сварке существует порог плотности лазерной энергии, ниже которого глубина расплава незначительна, и как только это значение достигается или превышается, глубина расплава существенно увеличивается. Только когда плотность мощности лазера на заготовке превышает пороговое значение (зависит от материала), генерируется плазма, что означает стабилизацию сварки глубоким плавлением. Если мощность лазера ниже этого порога, то заготовка подвергается только поверхностному плавлению, т.е. сварка протекает по типу стабильной теплопередачи. Когда плотность мощности лазера близка к критическому состоянию образования небольших отверстий, сварка глубоким плавлением и кондуктивная сварка чередуются и становятся нестабильными сварочными процессами, что приводит к большим колебаниям глубины расплава. При лазерной сварке глубоким плавлением мощность лазера контролирует как глубину проплавления, так и скорость сварки, как показано на рисунке 1. Глубина сварки расплава напрямую связана с плотностью мощности луча и является функцией мощности падающего луча и фокального пятна луча. В общем, для определенного диаметра лазерного луча глубина расплава увеличивается с увеличением мощности луча.

2) Фокус луча. Размер пятна луча является одной из наиболее важных переменных в лазерной сварке, поскольку он определяет плотность мощности. Однако его измерение представляет собой проблему для мощных лазеров, хотя многие методы косвенных измерений уже доступны.

Предельный размер пятна фокальной дифракции луча можно рассчитать на основе теории дифракции света, но фактическое пятно больше расчетного значения из-за наличия аберрации фокусирующей линзы. Простейшим реальным методом измерения является метод изотермического профиля, который заключается в измерении фокального пятна и диаметра перфорации после прожигания и прокалывания полипропиленовой пластины толстой бумагой. Этот метод следует опробовать на практике, освоив величину мощности лазера и время действия луча.

3) Значение поглощения материала. Поглощение лазера материалом зависит от некоторых важных свойств материала, таких как скорость поглощения, отражательная способность, теплопроводность, температура плавления, температура испарения и т. д. Наиболее важным из них является скорость поглощения.

Факторы, влияющие на скорость поглощения материала лазерного луча, включают два аспекта: во-первых, удельное сопротивление материала. После измерения скорости поглощения полированной поверхностью материала обнаружено, что скорость поглощения материала пропорциональна квадратному корню из коэффициента удельного сопротивления, который, в свою очередь, меняется с температурой; во-вторых, состояние поверхности (или отделка) материала оказывает более важное влияние на скорость поглощения луча, тем самым оказывая значительное влияние на эффект сварки.

Выходная длина волны CO2-лазера обычно составляет 10,6 мкм, скорость поглощения керамики, стекла, резины, пластика и других неметаллов при комнатной температуре очень высока, в то время как металлические материалы при комнатной температуре поглощают очень плохо, пока материал не расплавится или даже не испарится, его поглощение резко увеличится. Использование метода поверхностного покрытия или создания поверхности оксидной пленки для улучшения поглощения материала пучком очень эффективно.

4) скорость сварки. Скорость сварки оказывает большое влияние на глубину расплава, увеличение скорости приведет к уменьшению глубины расплава, но слишком низкая скорость приведет к чрезмерному плавлению материала и сварке заготовки. Следовательно, определенная мощность лазера и определенная толщина конкретного материала имеют подходящий диапазон скорости сварки, в котором соответствующее значение скорости может быть получено при максимальной глубине расплава. На рис. 2 представлена ​​зависимость скорости сварки от глубины расплава стали 1018.

5) Защитный газ. В процессе лазерной сварки часто используется инертный газ для защиты ванны расплава. Когда некоторые материалы свариваются независимо от окисления поверхности, защита также не учитывается, но в большинстве случаев для защиты часто используются гелий, аргон, азот и другие газы, чтобы заготовка не окислялась во время процесса сварки.

Гелий нелегко ионизируется (энергия ионизации высока), что позволяет лазеру проходить сквозь него, а энергия луча беспрепятственно достигать поверхности детали. Это наиболее эффективный защитный газ, используемый при лазерной сварке, но он дороже.

Аргон дешевле и плотнее, поэтому защищает лучше. Однако он подвержен высокотемпературной ионизации плазмы металла, что приводит к экранированию части луча на заготовке, снижению эффективной мощности лазера для сварки, а также к ухудшению скорости сварки и глубины расплава. Поверхность свариваемой детали при аргоновой защите получается более гладкой, чем при гелиевой.

Азот — самый дешевый защитный газ, но он не подходит для некоторых типов сварки нержавеющей стали, главным образом из-за металлургических проблем, таких как абсорбция, которая иногда приводит к образованию пористости в зоне притира.

Вторая роль использования защитного газа заключается в защите фокусирующей линзы от загрязнения парами металла и распыления капель расплавленной жидкости. Это особенно необходимо при лазерной сварке высокой мощности, когда выброс становится очень мощным.

Третья функция защитного газа заключается в том, что он эффективно рассеивает плазменную защиту, возникающую при мощной лазерной сварке. Пары металла поглощают лазерный луч и ионизируются в плазменное облако, а защитный газ вокруг паров металла также ионизируется под действием тепла. Если плазмы слишком много, лазерный луч в некоторой степени поглощается плазмой. Наличие плазмы в качестве второй энергии на рабочей поверхности уменьшает глубину расплава и расширяет поверхность сварочной ванны. Скорость образования электронных комплексов увеличивается за счет увеличения количества трехчастичных столкновений электронов с ионами и нейтральными атомами для уменьшения электронной плотности в плазме. Чем легче нейтральный атом, тем выше частота столкновений, тем выше скорость соединения; с другой стороны, только высокая энергия ионизации защитного газа, чтобы не увеличивать плотность электронов за счет ионизации самого газа.

Как видно из таблицы, размер плазменного облака варьируется в зависимости от используемого защитного газа, причем наименьшим является гелий, за ним следует азот, а наибольший — при использовании аргона. Чем больше размер плазмы, тем меньше глубина плавления. Причина такого различия связана, во-первых, с разной степенью ионизации молекул газа, а также с разницей в диффузии паров металла, вызванной разной плотностью защитных газов.

Гелий наименее ионизирован и наименее плотен, и он быстро рассеивает поднимающиеся пары металла из ванны расплавленного металла. Следовательно, использование гелия в качестве защитного газа позволяет максимально подавить плазму, тем самым увеличивая глубину плавления и улучшая скорость сварки; вызвать пористость непросто из-за его легкого веса и способности ускользать. Конечно, судя по нашим фактическим результатам сварки, эффект защиты аргоном неплох.

Плазменное облако по глубине расплава в зоне низких скоростей сварки наиболее заметно. При увеличении скорости сварки ее влияние будет ослабевать.

Защитный газ выбрасывается через отверстие сопла под определенным давлением и достигает поверхности детали. Очень важна гидродинамическая форма сопла и размер диаметра выпускного отверстия. Оно должно быть достаточно большим, чтобы распыляемый защитный газ мог покрыть сварочную поверхность, но для эффективной защиты линзы и предотвращения загрязнения линз парами металла или повреждения линзы металлическими брызгами размер сопла также должен быть ограничен. Скорость потока также следует контролировать, иначе ламинарный поток защитного газа станет турбулентным и атмосфера вовлечется в ванну расплава, в конечном итоге образуя пористость.

Для улучшения защитного эффекта также доступен дополнительный боковой способ обдува, то есть через сопло меньшего диаметра защитный газ под определенным углом подается непосредственно в глубокое расплавленное сварочное отверстие. Защитный газ не только подавляет плазменное облако на поверхности детали, но также оказывает влияние на плазму в отверстии и образование малого отверстия, еще больше увеличивая глубину сварки и получая более глубокий и широкий сварной шов, чем желательно. Однако этот метод требует точного контроля размера и направления газового потока, в противном случае можно легко создать турбулентность и повредить ванну расплава, в результате чего процесс сварки будет трудно стабилизировать.

6) Фокусное расстояние объектива. Сварка обычно используется для фокусировки методом лазерной конвергенции, общий выбор фокусного расстояния объектива составляет 63 ~ 254 мм (2,5 «~ 10»). Размер сфокусированного пятна пропорционален фокусному расстоянию: чем короче фокусное расстояние, тем меньше пятно. Но фокусное расстояние также влияет на глубину фокуса, то есть глубина фокуса увеличивается одновременно с фокусным расстоянием, поэтому короткое фокусное расстояние может улучшить плотность мощности, но из-за небольшой глубины фокуса необходимо точно выдерживать расстояние между линзой и заготовкой, а глубина плавления невелика. Из-за влияния брызг, образующихся в процессе сварки и режима лазера, фактическая сварка с использованием наименьшей глубины фокусировки больше фокусного расстояния 126 мм (5 дюймов). Когда шов большой или сварной шов необходимо увеличить за счет увеличения размера пятна, можно выбрать линзу с фокусным расстоянием 254 мм (10 дюймов), и в этом случае для достижения эффекта глубокого расплавления небольших отверстий требуется более высокая выходная мощность лазера (плотность мощности).

Когда мощность лазера превышает 2 кВт, особенно для луча CO2-лазера с длиной волны 10,6 мкм, из-за использования специальных оптических материалов для формирования оптической системы, чтобы избежать риска оптического повреждения фокусирующей линзы, часто выбирают метод фокусировки на отражение, обычно используя полированное медное зеркало в качестве отражателя. Благодаря эффективному охлаждению его часто рекомендуют для фокусировки лазерного луча высокой мощности.

7) положение фокуса. При сварке, чтобы поддерживать достаточную плотность мощности, положение фокусной точки имеет решающее значение. Изменения положения фокуса относительно поверхности заготовки напрямую влияют на ширину и глубину сварного шва. На рис. 3 показано влияние положения фокуса на глубину расплава и ширину шва стали 1018. В большинстве применений лазерной сварки точка фокусировки обычно располагается примерно на 1/4 желаемой глубины расплава ниже поверхности заготовки.

8) Положение лазерного луча. При лазерной сварке различных материалов положение лазерного луча определяет конечное качество сварного шва, особенно в случае стыковых соединений, которые более чувствительны к этому, чем соединения внахлестку. Например, когда шестерни из закаленной стали привариваются к барабанам из мягкой стали, правильный контроль положения лазерного луча будет способствовать получению сварного шва с преимущественно низкоуглеродистым компонентом, который имеет лучшую трещиностойкость. В некоторых случаях геометрия свариваемой детали требует отклонения лазерного луча на определенный угол. Когда угол отклонения между осью луча и плоскостью соединения находится в пределах 100 градусов, это не влияет на поглощение лазерной энергии заготовкой.

9) Начало и конечная точка сварки, постепенное повышение мощности лазера, постепенное управление снижением. Лазерная сварка глубоким плавлением, независимо от глубины сварного шва, всегда существует явление небольших отверстий. Когда процесс сварки прекращается и выключатель питания выключается, в конце сварного шва появляется кратер. Кроме того, когда слой лазерной сварки покрывает исходный сварной шов, происходит чрезмерное поглощение лазерного луча, что приводит к перегреву или пористости сварного шва.

Чтобы предотвратить вышеупомянутые явления, точки запуска и остановки мощности можно запрограммировать таким образом, чтобы время запуска и остановки мощности стало регулируемым, т. е. пусковая мощность автоматически увеличивается с нуля до установленного значения мощности за короткий период времени, а время сварки регулируется, и, наконец, мощность постепенно снижается от установленной мощности до нулевого значения, когда сварка прекращается.