Laserové zváranie hlavných parametrov procesu

1) Laserový výkon. Pri laserovom zváraní je prahová hustota energie laserovej energie, pod ktorou je hĺbka taveniny plytká a akonáhle je táto hodnota dosiahnutá alebo prekročená, hĺbka taveniny sa podstatne zvýši. Hustota laserového výkonu na obrobku presahuje prahovú hodnotu (závislá od materiálu), generuje sa plazma, ktorá označuje stabilizáciu hlbokého fúzneho zvárania. Ak je laserový výkon pod týmto prahom, obrobok prechádza iba topením povrchu, tj zváranie pokračuje v stabilnom type prenosu tepla. Keď je hustota laserového výkonu blízko kritického stavu tvorby malých otvorov, striedajú sa zváranie hlbokého fúzneho zvárania a vodivého zvárania a stanú sa nestabilnými procesmi zvárania, čo vedie k veľkým kolísaniam v hĺbke taveniny. Pri zváraní laserového hlbokého fúzneho zvárania laserový výkon ovláda tak hĺbku penetrácie a rýchlosť zvárania, ako je znázornené na obrázku 1. Hĺbka zvárania taveniny priamo súvisí s hustotou výkonu lúča a je funkciou výkonu dopadajúceho lúča a ohniskového bodu lúča. Vo všeobecnosti sa pri určitom priemere laserového lúča zvyšuje hĺbka taveniny so zvyšovaním sily lúča.

2) Fokálne miesto lúča. Veľkosť bodu lúča je jednou z najdôležitejších premenných v laserovom zváraní, pretože určuje hustotu energie. Jeho meranie je však výzvou pre vysoko výkonné lasery, hoci už je k dispozícii mnoho nepriamych techník merania.

Veľkosť limitnej plošiny FOCKLESNÉHO DIFRACTION LEEM sa môže vypočítať z teórie difrakcie svetla, ale skutočná škvrna je väčšia ako vypočítaná hodnota v dôsledku prítomnosti aberácie zaostrenia šošoviek. Najjednoduchšou metódou skutočného merania je metóda izotermálneho profilu, ktorá je na meranie ohniskového bodu a priemeru perforácie po spaľovaní a preniknutí polypropylénovej doštičke hustým papierom. Táto metóda by sa mala merať praxou, zvládnutím veľkosti laserového výkonu a času akcie lúča.

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

Faktory ovplyvňujúce rýchlosť absorpcie materiálu do laserového lúča zahŕňajú dva aspekty: po prvé, odpor materiálu. Po meraní rýchlosti absorpcie lešteného povrchu materiálu sa zistilo, že rýchlosť absorpcie materiálu je úmerná odmocninovej koreni koeficientu odporu, ktorý sa následne mení s teplotou; Po druhé, povrchový stav (alebo povrchová úprava) materiálu má dôležitejší účinok na rýchlosť absorpcie lúča, a preto má významný vplyv na zváracie účinky.

Vlnová dĺžka výstupu CO2 je obvykle 10,6 μm, keramika, sklo, guma, plast a iné nekovové na jeho absorpčnej rýchlosti pri teplote miestnosti je veľmi vysoká, zatiaľ čo kovové materiály pri teplote miestnosti pri absorpcii sú veľmi zlé, až kým sa materiál raz neroztopí alebo dokonca nezbaví, jeho absorpcia prudko sa nezvýšila. Použitie povrchového povlaku alebo tvorby povrchu metódy oxidového filmu na zlepšenie absorpcie materiálu do lúča je veľmi účinné.

4) Rýchlosť zvárania. Rýchlosť zvárania má veľký vplyv na hĺbku taveniny, zvýšenie rýchlosti spôsobí, že hĺbka taveniny je plytká, ale rýchlosť je príliš nízka a povedie k nadmernému taveniu materiálu, cez zváranie obrobku. Preto určitá laserová sila a určitá hrúbka konkrétneho materiálu má vhodný rozsah rýchlosti zvárania a v ktorej je možné získať zodpovedajúcu hodnotu rýchlosti pri maximálnej hĺbke taveniny. Obrázok 2 dáva vzťah medzi rýchlosťou zvárania a hĺbkou taveniny ocele 1018.

5) Ochranný plyn. Proces laserového zvárania často používa inertný plyn na ochranu bazénu taveniny, keď sa niektoré materiály zvárajú bez ohľadu na oxidáciu povrchu, potom tiež nezohľadňujú ochranu, ale pre väčšinu aplikácií sa často používajú hélium, argón, dusík a iné plyny na ochranu, takže obrobok z oxidácie počas procesu zvárania.

Hélium nie je ľahko ionizované (ionizačná energia je vysoká), čo umožňuje laseru prechádzať cez prejsť a energia lúča sa dosiahnuť na povrch obrobku bez urovnaného. Je to najúčinnejší tieniaci plyn používaný pri laserovom zváraní, ale je drahší.

Argon je lacnejší a hustejší, takže chráni lepšie. Je však náchylná na vysokoteplotnú plazmatickú ionizáciu kovov, ktorá vedie k tieneniu časti lúča k obrobku, znižuje účinný laserový výkon na zváranie a tiež zhoršuje rýchlosť zvárania a hĺbku taveniny. Povrch zváranej časti je plynulejší s ochranou argónom ako pri ochrane hélia.

Dusík je najlacnejší tieniaci plyn, ale nie je vhodný pre niektoré druhy zvárania z nehrdzavejúcej ocele, najmä v dôsledku metalurgických problémov, ako je absorpcia, ktorá niekedy vytvára pórovitosť v zóne Lap.

Druhou úlohou používania tieniaceho plynu je ochrana zaostrovacej šošovky pred kontamináciou kovových pár a rozprašovaním kvapiek tekutého roztavenia. Je to potrebné najmä pri vysoko výkonnom laserovom zváraní, kde sa ejekta stáva veľmi silnou.

Treťou funkciou tieniaceho plynu je to, že je účinný pri dispergovaní plazmatického tienenia produkovaného vysoko výkonným laserovým zváraním. Kovová para absorbuje laserový lúč a ionizuje do plazmatického oblaku a tieniaci plyn okolo kovovej pary je tiež ionizovaný teplom. Ak je prítomných príliš veľa plazmy, laserový lúč je do istej miery konzumovaný plazmou. Prítomnosť plazmy ako druhej energie na pracovnej ploche zvyšuje širšiu hĺbku taveniny a povrchu zvaru. Rýchlosť komplexácie elektrónov sa zvyšuje zvýšením počtu kolízií elektrónových iónov a neutrálnych atómov, aby sa znížila hustota elektrónov v plazme. Čím ľahší je neutrálny atóm, tým vyššia je zrážková frekvencia, tým vyššia je rýchlosť zlúčeniny; Na druhej strane, iba vysoká ionizačná energia tieniaceho plynu, aby sa nezvýšila hustota elektrónov v dôsledku ionizácie samotného plynu.

Ako je zrejmé z tabuľky, veľkosť mraku v plazme sa líši v závislosti od použitého ochranného plynu, pričom hélium je najmenší, nasledovaný dusíkom a najväčší, keď sa používa argón. Čím väčšia je veľkosť plazmy, tým plytšia je hĺbka topenia. Dôvod tohto rozdielu je najprv spôsobený rôznym stupňom ionizácie molekúl plynu a tiež v dôsledku rozdielu v difúzii kovovej pary spôsobenej rôznymi hustotami ochranných plynov.

Hélium je najmenej ionizované a najmenej husté a rýchlo sa rozptyľuje stúpajúca kovová para z bazénu roztavených kovov. Preto použitie hélia ako tieniaceho plynu môže maximalizovať potlačenie plazmy, čím sa zvyšuje hĺbka taveniny a zlepší rýchlosť zvárania; Nie je ľahké spôsobiť pórovitosť kvôli jeho ľahkej hmotnosti a schopnosti uniknúť. Z našich skutočných výsledkov zvárania nie je účinok ochrany argónovým plynom zlý.

Plazmový oblak v hĺbke taveniny v zóne s nízkym zváraním je najzreteľnejší. Keď sa zvýši rýchlosť zvárania, jeho vplyv bude oslabený.

Štíhavý plyn sa vyhodí cez otvor dýzy pri určitom tlaku, aby sa dosiahol povrch obrobku. Hydrodynamický tvar dýzy a veľkosť priemeru výstupu sú veľmi dôležité. Musí byť dostatočne veľký, aby poháňal nastriekaný tieniaci plyn, aby zakryl zváraciu plochu, ale aby sa účinne chránila šošovka a zabránila kontaminácii kovových pár alebo poškodením šošovky kovu, mala by byť tiež obmedzená veľkosť trysky. Prietok by sa mal tiež riadiť, inak sa laminárny prietok tieniaceho plynu stáva turbulentným a atmosféra sa zapojí do roztaveného bazéna, čo nakoniec tvorí pórovitosť.

Aby sa zlepšil účinok ochrany, je k dispozícii aj dodatočná bočná fúkacia cesta, to znamená, že cez dýzu s menším priemerom bude ochranným plynom v určitom uhle priamo do hlbokého roztaveného zvarového otvoru. Shielding Gas nielen potláča plazmový oblak na povrchu obrobku, ale tiež má vplyv na plazmu v diere a tvorbu malého otvoru, čo ďalej zvyšuje hĺbku fúzie a získava hlbší a širší zvarový šv, ako je žiaduce. Táto metóda si však vyžaduje presnú kontrolu veľkosti a smeru prietoku plynu, inak je ľahké produkovať turbulencie a poškodiť fond taveniny, čo vedie k procesu zvárania, je ťažké stabilizovať.

6) Ohnisková vzdialenosť objektívu. Zváranie sa zvyčajne používa na zaostrenie spôsobu konvergencie laserovej konvergencie, všeobecnej voľby 63 ~ 254 mm (2,5 '~ 10 ') ohniskovej dĺžky objektívu. Zaostrená veľkosť bodu je úmerná ohniskovej vzdialenosti, čím kratšia je ohnisková vzdialenosť, tým menšia je škvrna. Ohnisková vzdialenosť však ovplyvňuje aj ohniskovú hĺbku, to znamená, že ohnisková hĺbka sa zvyšuje súčasne s ohniskovou vzdialenosťou, takže krátka ohnisková vzdialenosť môže zlepšiť hustotu energie, ale z dôvodu malej ohniskovej hĺbky nie je vzdialenosť medzi šošovkou a obrobkom presne udržiavaná a hĺbka topenia nie je veľká. V dôsledku vplyvu rozstrekovania generovaného počas procesu zvárania a laserového režimu sa musí skutočné zváranie pomocou najkratšej hĺbky zaostrenia viac ohniskovej dĺžky 126 mm (5 “). Ak je švný alebo zváraný šv, je potrebné zvýšiť zvýšenie veľkosti bodu, ktorá dosiahla teplotu, ktorá dosiahla malú, šošovku, ktorá dosiahla malú energiu, ktorá dosiahla max. efekt otvoru.

Keď laserový výkon presahuje 2 kW, najmä pre laserový lúč CO2 10,6 μm, v dôsledku použitia špeciálnych optických materiálov na vytvorenie optického systému, aby sa predišlo riziku optického poškodenia zaostrovacej šošovky, často si vyberte metódu zamerania na odraz, všeobecne pomocou lešteného zrkadla medi pre reflektor. Vďaka efektívnemu ochladeniu sa často odporúča pre zaostrenie vysoko výkonného laserového lúča.

7) poloha ohniskového bodu. Zváranie, aby sa udržala dostatočná hustota energie, je poloha ohniskového bodu kritická. Zmeny v polohe ohniskového bodu vzhľadom na povrch obrobku priamo ovplyvňujú šírku a hĺbku zvaru. Obrázok 3 ukazuje účinok polohy ohniskového bodu na hĺbku taveniny a šírky švu 1018 ocele. Vo väčšine aplikácií zvárania laserom je ohnisko zvyčajne umiestnené približne 1/4 požadovanej hĺbky taveniny pod povrchom obrobku.

8) Poloha laserového lúča. Keď laserové zváranie rôznych materiálov, poloha laserového lúča riadi konečnú kvalitu zvaru, najmä v prípade zadkových kĺbov, ktoré sú na to citlivejšie ako kĺbové kĺby. Napríklad, keď sú kalené oceľové prevody zvárané na bubny z jemných oceľových, správna kontrola polohy laserového lúča uľahčí výrobu zvaru s prevažne nízkym obsahom uhlíka, ktorá má lepšiu odolnosť proti trhlinám. V niektorých aplikáciách si geometria obrobku, ktorý sa má zvárať, vyžaduje, aby sa laserový lúč odklonil uhlom. Ak je uhol vychýlenia medzi osou lúča a rovinou kĺbu v rozmedzí 100 stupňov, nebude ovplyvnená absorpcia laserovej energie pomocou obrobku.

9) Zváranie Štartovanie a konečný bod postupného stúpania laserového výkonu, postupné riadenie poklesu. Laserové hlboké zváranie fúzie, bez ohľadu na hĺbku zvaru, vždy existuje jav malých dier. Po ukončení procesu zvárania a vypnutí vypnutia napájania sa na konci zvaru objaví kráter. Okrem toho, keď laserová zváracia vrstva pokrýva pôvodný zvar, dôjde k nadmernej absorpcii laserového lúča, čo bude mať za následok prehrievanie alebo pórovitosť zvaru.

Aby sa zabránilo vyššie uvedeným javom, je možné naprogramovať body spustenia a zastavenia výkonu tak, aby sa časy štartovania a zastavenia výkonu stali nastaviteľnými, tj počiatočný výkon sa elektronicky zvyšuje z nuly na hodnotu nastaveného výkonu v krátkom čase a pri zváraní sa upraví čas zvárania a nakoniec sa výkon postupne znižuje z nastavenej výkonu na nulovú hodnotu pri zváraní.