Hlavné parametre procesu laserového zvárania

1) Výkon lasera. Pri laserovom zváraní existuje prah hustoty energie lasera, pod ktorým je hĺbka taveniny plytká, a keď sa táto hodnota dosiahne alebo prekročí, hĺbka taveniny sa podstatne zvýši. Až keď hustota výkonu lasera na obrobku prekročí prahovú hodnotu (závislú od materiálu), vytvorí sa plazma, ktorá znamená stabilizáciu hlbokého tavného zvárania. Ak je výkon lasera pod touto hranicou, obrobok podlieha iba povrchovému taveniu, tj zváranie prebieha stabilným typom prenosu tepla. Keď sa hustota výkonu lasera blíži ku kritickej podmienke tvorby malých otvorov, hĺbkové tavné zváranie a kondukčné zváranie sa striedajú a stávajú sa nestabilnými zváracími procesmi, čo vedie k veľkým výkyvom v hĺbke taveniny. Pri laserovom hlbokotavnom zváraní výkon lasera riadi hĺbku prieniku aj rýchlosť zvárania, ako je znázornené na obrázku 1. Hĺbka taveniny zvárania priamo súvisí s hustotou výkonu lúča a je funkciou výkonu dopadajúceho lúča a ohniska lúča. Vo všeobecnosti platí, že pre určitý priemer laserového lúča sa hĺbka taveniny zvyšuje so zvyšujúcim sa výkonom lúča.

2) Ohniskový bod lúča. Veľkosť bodu lúča je jednou z najdôležitejších premenných pri laserovom zváraní, pretože určuje hustotu výkonu. Jeho meranie je však výzvou pre vysokovýkonné lasery, hoci je už dostupných mnoho nepriamych meracích techník.

Limitná veľkosť bodu ohniskovej difrakcie lúča sa môže vypočítať z teórie difrakcie svetla, ale skutočný bod je väčší ako vypočítaná hodnota v dôsledku prítomnosti aberácie zaostrovacej šošovky. Najjednoduchšou metódou skutočného merania je metóda izotermického profilu, ktorá spočíva v meraní ohniska a priemeru perforácie po vypálení a prepichnutí polypropylénovej platne hrubým papierom. Táto metóda by sa mala merať praxou, osvojením si veľkosti výkonu lasera a času pôsobenia lúča.

3) Hodnota absorpcie materiálu. Absorpcia lasera materiálom závisí od niektorých dôležitých vlastností materiálu, ako je rýchlosť absorpcie, odrazivosť, tepelná vodivosť, teplota topenia, teplota vyparovania atď. Najdôležitejšia je rýchlosť absorpcie.

Faktory ovplyvňujúce rýchlosť absorpcie materiálu laserovým lúčom zahŕňajú dva aspekty: po prvé, odpor materiálu. Po zmeraní rýchlosti absorpcie lešteného povrchu materiálu sa zistilo, že rýchlosť absorpcie materiálu je úmerná druhej odmocnine koeficientu odporu, ktorý sa zase mení s teplotou; po druhé, povrchový stav (alebo konečná úprava) materiálu má dôležitejší vplyv na rýchlosť absorpcie lúča, čím má významný vplyv na účinok zvárania.

Výstupná vlnová dĺžka CO2 lasera je zvyčajne 10,6 μm, keramika, sklo, guma, plast a iné nekovy na jeho absorpčnej rýchlosti pri izbovej teplote je veľmi vysoká, zatiaľ čo kovové materiály pri izbovej teplote na jeho absorpciu sú veľmi zlé, kým sa materiál raz neroztopí alebo dokonca vyparí, jeho absorpcia sa prudko zvýši. Použitie povrchového náteru alebo metódy tvorby povrchu oxidového filmu na zlepšenie absorpcie materiálu lúčom je veľmi účinné.

4) rýchlosť zvárania. Rýchlosť zvárania má veľký vplyv na hĺbku taveniny, zvýšenie rýchlosti spôsobí, že hĺbka taveniny bude plytká, ale rýchlosť je príliš nízka a povedie k nadmernému roztaveniu materiálu, cez ktorý sa obrobok zvarí. Preto určitý výkon lasera a určitá hrúbka konkrétneho materiálu má vhodný rozsah rýchlosti zvárania a pri ktorej je možné získať zodpovedajúcu hodnotu rýchlosti pri maximálnej hĺbke tavenia. Obrázok 2 ukazuje vzťah medzi rýchlosťou zvárania a hĺbkou roztavenia ocele 1018.

5) Ochranný plyn. Proces laserového zvárania často používa inertný plyn na ochranu taveniny, keď sa niektoré materiály zvárajú bez ohľadu na povrchovú oxidáciu, potom sa tiež neuvažuje o ochrane, ale pre väčšinu aplikácií sa často používa hélium, argón, dusík a iné plyny na ochranu, takže obrobok pred oxidáciou počas procesu zvárania.

Hélium nie je ľahko ionizovateľné (ionizačná energia je vysoká), čo umožňuje, aby laser prechádzal a energia lúča sa bez prekážok dostala na povrch obrobku. Je to najúčinnejší ochranný plyn používaný pri laserovom zváraní, ale je drahší.

Argón je lacnejší a hustejší, takže lepšie chráni. Je však náchylný na vysokoteplotnú ionizáciu kovovou plazmou, čo má za následok zatienenie časti lúča k obrobku, zníženie efektívneho výkonu lasera na zváranie a tiež zhoršenie rýchlosti zvárania a hĺbky tavenia. Povrch zváraného dielu je hladší s argónovou ochranou ako s héliovou ochranou.

Dusík je najlacnejším ochranným plynom, ale nie je vhodný na niektoré druhy zvárania nehrdzavejúcej ocele, najmä kvôli metalurgickým problémom, ako je absorpcia, ktorá niekedy vytvára pórovitosť v oblasti presahu.

Druhou úlohou použitia ochranného plynu je chrániť zaostrovaciu šošovku pred kontamináciou kovovými parami a rozprašovaním kvapiek roztavenej kvapaliny. Toto je obzvlášť potrebné pri vysokovýkonnom laserovom zváraní, kde sa vyhadzovanie stáva veľmi silným.

Treťou funkciou ochranného plynu je, že je účinný pri rozptýlení plazmového tienenia vytvoreného vysokovýkonným laserovým zváraním. Kovová para absorbuje laserový lúč a ionizuje do plazmového oblaku a ochranný plyn okolo kovových pár je tiež ionizovaný teplom. Ak je prítomné príliš veľa plazmy, laserový lúč je do určitej miery spotrebovaný plazmou. Prítomnosť plazmy ako druhej energie na pracovnom povrchu spôsobuje, že hĺbka taveniny je plytšia a povrch zvarového kúpeľa je širší. Rýchlosť tvorby elektrónových komplexov sa zvyšuje zvýšením počtu zrážok elektrón-ión a neutrálny atóm troch telies, aby sa znížila hustota elektrónov v plazme. Čím je neutrálny atóm ľahší, tým vyššia je kolízna frekvencia, tým vyššia je rýchlosť zloženia; na druhej strane len vysoká ionizačná energia ochranného plynu, aby nedošlo k zvýšeniu elektrónovej hustoty v dôsledku ionizácie samotného plynu.

Ako je možné vidieť z tabuľky, veľkosť plazmového oblaku sa mení v závislosti od použitého ochranného plynu, pričom hélium je najmenšie, nasleduje dusík a najväčšie je pri použití argónu. Čím väčšia je veľkosť plazmy, tým menšia je hĺbka topenia. Dôvodom tohto rozdielu je jednak rozdielny stupeň ionizácie molekúl plynu a tiež rozdiel v difúzii kovových pár spôsobený rôznymi hustotami ochranných plynov.

Hélium je najmenej ionizované a má najnižšiu hustotu a rýchlo rozptýli stúpajúcu kovovú paru z bazéna roztaveného kovu. Preto použitie hélia ako ochranného plynu môže maximalizovať potlačenie plazmy, čím sa zvýši hĺbka taveniny a zlepší sa rýchlosť zvárania; nie je ľahké spôsobiť pórovitosť kvôli svojej nízkej hmotnosti a schopnosti uniknúť. Samozrejme, z našich skutočných výsledkov zvárania nie je efekt ochrany argónom zlý.

Plazmový oblak na hĺbke taveniny v zóne nízkej rýchlosti zvárania je najzreteľnejší. Keď sa rýchlosť zvárania zvýši, jeho vplyv sa oslabí.

Ochranný plyn je vypudzovaný cez otvor dýzy pod určitým tlakom, aby sa dostal na povrch obrobku. Veľmi dôležitý je hydrodynamický tvar dýzy a veľkosť priemeru výtoku. Musí byť dostatočne veľká na to, aby poháňala nastriekaný ochranný plyn tak, aby pokryl zvárací povrch, ale aby sa šošovka účinne chránila a zabránilo sa kontaminácii šošovky kovovými parami alebo kovovým rozstrekom, mala by byť tiež obmedzená veľkosť dýzy. Prietok by mal byť tiež riadený, inak sa laminárne prúdenie ochranného plynu stane turbulentným a atmosféra sa dostane do roztaveného kúpeľa, prípadne vytvorí pórovitosť.

Pre zlepšenie ochranného účinku je k dispozícii aj dodatočná bočná ofukovacia cesta, to znamená, že cez trysku s menším priemerom bude ochranný plyn pod určitým uhlom priamo do hlbokého otvoru pre roztavený zvar. Ochranný plyn nielenže potláča plazmový oblak na povrchu obrobku, ale tiež ovplyvňuje plazmu v otvore a tvorbu malého otvoru, čím ďalej zvyšuje hĺbku tavenia a získava hlbší a širší zvarový šev, než je žiaduce. Táto metóda však vyžaduje presné riadenie veľkosti a smeru prúdenia plynu, inak je ľahké vyvolať turbulencie a poškodiť kúpeľ taveniny, čo má za následok, že proces zvárania sa ťažko stabilizuje.

6) Ohnisková vzdialenosť objektívu. Zváranie sa zvyčajne používa na zaostrenie spôsobom konvergencie lasera, všeobecná voľba ohniskovej vzdialenosti 63 ~ 254 mm (2,5 '~ 10') šošovky. Veľkosť zaostreného bodu je úmerná ohniskovej vzdialenosti, čím je ohnisková vzdialenosť kratšia, tým je bod menší. Ohnisková vzdialenosť však ovplyvňuje aj hĺbku ohniska, to znamená, že hĺbka ohniska sa zvyšuje súčasne s ohniskovou vzdialenosťou, takže krátka ohnisková vzdialenosť môže zlepšiť hustotu výkonu, ale kvôli malej hĺbke ohniska musí byť vzdialenosť medzi šošovkou a obrobkom presne udržiavaná a hĺbka topenia nie je veľká. Vplyvom rozstreku generovaného počas procesu zvárania a laserového režimu je skutočné zváranie s použitím najkratšej hĺbky ostrosti viac ohniskovej vzdialenosti 126 mm (5'). Keď je šev veľký alebo je potrebné zvar zväčšiť zväčšením veľkosti bodu, je možné zvoliť šošovku s ohniskovou vzdialenosťou 254 mm (10'), v takom prípade je potrebný vyšší výkon lasera na dosiahnutie hĺbkového výkonu (výkonu diery).

Keď výkon lasera presiahne 2 kW, najmä pre 10,6 μm CO2 laserový lúč, v dôsledku použitia špeciálnych optických materiálov na vytvorenie optického systému, aby sa predišlo riziku optického poškodenia zaostrovacej šošovky, často si vyberte metódu zaostrenia odrazom, zvyčajne s použitím lešteného medeného zrkadla pre reflektor. Kvôli efektívnemu chladeniu sa často odporúča pre vysokovýkonné laserové zaostrovanie.

7) poloha ohniska. Zváranie, aby sa zachovala dostatočná hustota výkonu, je kritická poloha ohniska. Zmeny polohy ohniska vzhľadom na povrch obrobku priamo ovplyvňujú šírku a hĺbku zvaru. Obrázok 3 ukazuje vplyv polohy ohniska na hĺbku roztavenia a šírku švu ocele 1018. Vo väčšine aplikácií laserového zvárania je ohnisko zvyčajne umiestnené približne 1/4 požadovanej hĺbky taveniny pod povrchom obrobku.

8) Poloha laserového lúča. Pri laserovom zváraní rôznych materiálov poloha laserového lúča riadi konečnú kvalitu zvaru, najmä v prípade tupých spojov, ktoré sú na to citlivejšie ako preplátované spoje. Napríklad, keď sú ozubené kolesá z tvrdenej ocele privarené k bubnom z mäkkej ocele, správna kontrola polohy laserového lúča uľahčí výrobu zvaru s prevažne nízkym obsahom uhlíka, ktorý má lepšiu odolnosť proti praskaniu. V niektorých aplikáciách geometria zváraného obrobku vyžaduje, aby bol laserový lúč vychýlený o určitý uhol. Keď je uhol vychýlenia medzi osou lúča a rovinou spoja v rozmedzí 100 stupňov, absorpcia laserovej energie obrobkom nebude ovplyvnená.

9) Začiatok a koncový bod zvárania postupný nárast výkonu lasera, postupné riadenie poklesu. Laserové hlboké tavné zváranie, bez ohľadu na hĺbku zvaru, fenomén malých otvorov vždy existuje. Keď je proces zvárania ukončený a vypínač je vypnutý, na konci zvaru sa objaví kráter. Navyše, keď vrstva laserového zvárania prekryje pôvodný zvar, dôjde k nadmernej absorpcii laserového lúča, čo má za následok prehriatie alebo pórovitosť zvaru.

Aby sa predišlo vyššie uvedeným javom, je možné naprogramovať body spustenia a zastavenia výkonu tak, že časy spustenia a zastavenia výkonu sú nastaviteľné, tj štartovací výkon sa v krátkom čase elektronicky zvýši z nuly na nastavenú hodnotu výkonu a upraví sa čas zvárania a nakoniec sa výkon postupne zníži z nastaveného výkonu na nulovú hodnotu, keď je zváranie ukončené.