Glavni parametri postopka laserskega varjenja

1) Laserska moč. Pri laserskem varjenju obstaja prag gostote laserske energije, pod katerim je globina taline majhna, in ko je ta vrednost dosežena ali presežena, se globina taline bistveno poveča. Šele ko gostota moči laserja na obdelovancu preseže prag (odvisno od materiala), se ustvari plazma, ki označuje stabilizacijo globoko talilnega varjenja. Če je moč laserja pod tem pragom, se obdelovanec tali le na površini, kar pomeni, da varjenje poteka s stabilnim prenosom toplote. Ko je gostota moči laserja blizu kritičnega stanja nastajanja majhnih lukenj, se globoko talilno varjenje in prevodno varjenje izmenjujeta in postaneta nestabilna postopka varjenja, kar povzroči velika nihanja v globini taline. Pri laserskem varjenju z globokim taljenjem moč laserja nadzira globino prodiranja in hitrost varjenja, kot je prikazano na sliki 1. Globina varjenja taline je neposredno povezana z gostoto moči žarka in je funkcija moči vpadnega žarka in žariščne točke žarka. Na splošno se pri določenem premeru laserskega žarka globina taline povečuje z večanjem moči žarka.

2) Žariščna točka žarka. Velikost točke žarka je ena najpomembnejših spremenljivk pri laserskem varjenju, saj določa gostoto moči. Vendar je njegovo merjenje izziv za visoko zmogljive laserje, čeprav je že na voljo veliko indirektnih merilnih tehnik.

Velikost mejne točke žarišča uklona žarka je mogoče izračunati iz teorije uklona svetlobe, vendar je dejanska točka večja od izračunane vrednosti zaradi prisotnosti aberacije leče za fokusiranje. Najenostavnejša dejanska merilna metoda je metoda izotermnega profila, pri kateri merimo žarišče in premer perforacije po žganju in prebijanju polipropilenske plošče z debelim papirjem. To metodo je treba meriti s prakso, obvladati velikost laserske moči in čas delovanja žarka.

3) Vrednost absorpcije materiala. Absorpcija laserja v materialu je odvisna od nekaterih pomembnih lastnosti materiala, kot so stopnja absorpcije, odbojnost, toplotna prevodnost, temperatura taljenja, temperatura izhlapevanja itd. Najpomembnejša je stopnja absorpcije.

Dejavniki, ki vplivajo na stopnjo absorpcije materiala v laserskem žarku, vključujejo dva vidika: prvič, upornost materiala. Po merjenju stopnje absorpcije polirane površine materiala je ugotovljeno, da je stopnja absorpcije materiala sorazmerna s kvadratnim korenom koeficienta upornosti, ki se spreminja s temperaturo; drugič, površinsko stanje (ali končna obdelava) materiala ima pomembnejši učinek na stopnjo absorpcije žarka in tako pomembno vpliva na učinek varjenja.

Izhodna valovna dolžina laserja CO2 je običajno 10,6 μm, pri keramiki, steklu, gumi, plastiki in drugih nekovinah je stopnja absorpcije pri sobni temperaturi zelo visoka, medtem ko je absorpcija kovinskih materialov pri sobni temperaturi zelo slaba, dokler se material ne stopi ali celo izpari, se njegova absorpcija močno poveča. Uporaba površinske prevleke ali metode površinskega ustvarjanja oksidnega filma za izboljšanje absorpcije materiala na žarek je zelo učinkovita.

4) hitrost varjenja. Hitrost varjenja ima velik vpliv na globino taline, povečanje hitrosti bo zmanjšalo globino taline, vendar je hitrost prenizka in bo povzročila prekomerno taljenje materiala, skozi katerega bo obdelovanec zvarjen. Zato ima določena moč laserja in določena debelina določenega materiala ustrezen razpon hitrosti varjenja, v katerem je mogoče doseči ustrezno vrednost hitrosti, ko je največja globina taline. Slika 2 prikazuje razmerje med hitrostjo varjenja in globino taline jekla 1018.

5) Zaščitni plin. Postopek laserskega varjenja pogosto uporablja inertni plin za zaščito bazena taline, ko so nekateri materiali varjeni ne glede na površinsko oksidacijo, potem tudi ne upoštevajo zaščite, vendar se za večino aplikacij pogosto uporabljajo helij, argon, dušik in drugi plini za zaščito, tako da obdelovanec pred oksidacijo med postopkom varjenja.

Helij ni zlahka ioniziran (ionizacijska energija je visoka), kar omogoča prehod laserja in energijo žarka, da neovirano doseže površino obdelovanca. Je najučinkovitejši zaščitni plin, ki se uporablja pri laserskem varjenju, vendar je dražji.

Argon je cenejši in bolj gost, zato bolje ščiti. Vendar pa je dovzeten za visokotemperaturno ionizacijo kovinske plazme, kar ima za posledico zaščito dela žarka na obdelovancu, zmanjšanje učinkovite laserske moči za varjenje in tudi poslabšanje hitrosti varjenja in globine taline. Površina zvarjenega dela je z argonsko zaščito bolj gladka kot s helijsko zaščito.

Dušik je najcenejši zaščitni plin, vendar ni primeren za nekatere vrste varjenja nerjavnega jekla, predvsem zaradi metalurških težav, kot je absorpcija, ki včasih povzroči poroznost v območju preklopa.

Druga vloga uporabe zaščitnega plina je zaščititi lečo za fokusiranje pred kontaminacijo s kovinskimi hlapi in razprševanjem tekočih staljenih kapljic. To je še posebej potrebno pri laserskem varjenju z visoko močjo, kjer postane izmet zelo močan.

Tretja funkcija zaščitnega plina je, da je učinkovit pri razprševanju plazemske zaščite, ki nastane pri visokozmogljivem laserskem varjenju. Kovinska para absorbira laserski žarek in se ionizira v plazemski oblak, zaščitni plin okoli kovinske pare pa prav tako ionizira toplota. Če je prisotne preveč plazme, laserski žarek do neke mere porabi plazma. Zaradi prisotnosti plazme kot druge energije na delovni površini je globina taline manjša in površina zvarnega bazena širša. Hitrost kompleksiranja elektronov se poveča s povečanjem števila trkov treh teles elektron-ion in nevtralni atom, da se zmanjša elektronska gostota v plazmi. Lažji kot je nevtralni atom, večja je frekvenca trka, večja je stopnja spojine; na drugi strani pa le visoka ionizacijska energija zaščitnega plina, da ne bi prišlo do povečanja elektronske gostote zaradi ionizacije samega plina.

Kot je razvidno iz tabele, se velikost plazemskega oblaka spreminja glede na uporabljeni zaščitni plin, pri čemer je helij najmanjši, sledi mu dušik, največji pa je pri uporabi argona. Večja kot je velikost plazme, manjša je globina taljenja. Razlog za to razliko je najprej v različni stopnji ionizacije molekul plina in tudi v razliki v difuziji kovinske pare, ki jo povzročajo različne gostote zaščitnih plinov.

Helij je najmanj ioniziran in najmanj gost ter hitro razprši dvigajoče se kovinske pare iz bazena staljene kovine. Zato lahko uporaba helija kot zaščitnega plina poveča zatiranje plazme, s čimer se poveča globina taline in izboljša hitrost varjenja; ni lahko povzročiti poroznosti zaradi njegove majhne teže in sposobnosti uhajanja. Seveda po naših dejanskih rezultatih varjenja učinek zaščite z argonom ni slab.

Oblak plazme na globini taline v območju nizke hitrosti varjenja je najbolj očiten. Ko se hitrost varjenja poveča, bo njen vpliv oslabljen.

Zaščitni plin se izbrizga skozi odprtino šobe pod določenim pritiskom, da doseže površino obdelovanca. Zelo pomembna je hidrodinamična oblika šobe in velikost premera iztočne odprtine. Biti mora dovolj velik, da poganja razpršeni zaščitni plin, da pokrije varilno površino, a za učinkovito zaščito leče in preprečitev kontaminacije s kovinskimi hlapi ali poškodbe leče s kovinskimi brizgi mora biti omejena tudi velikost šobe. Prav tako je treba nadzorovati hitrost pretoka, sicer laminarni tok zaščitnega plina postane turbulenten in atmosfera postane vključena v bazen staline, kar sčasoma tvori poroznost.

Da bi izboljšali zaščitni učinek, je na voljo tudi dodatni bočni način pihanja, to je, da bo skozi šobo manjšega premera zaščitni plin do določenega kota neposredno v globoko staljeno luknjo zvara. Zaščitni plin ne le zavira plazemski oblak na površini obdelovanca, ampak vpliva tudi na plazmo v luknji in na nastanek majhne luknje, kar dodatno poveča globino zlivanja in pridobi globlji in širši zvar, kot je zaželeno. Vendar ta metoda zahteva natančno kontrolo velikosti in smeri pretoka plina, sicer je enostavno povzročiti turbulenco in poškodovati bazen taline, zaradi česar je varilni proces težko stabilizirati.

6) Goriščna razdalja leče. Varjenje se običajno uporablja za fokusiranje načina laserske konvergence, splošna izbira 63 ~ 254 mm (2,5 '~ 10') goriščne razdalje leče. Velikost fokusne točke je sorazmerna z goriščno razdaljo, krajša kot je goriščna razdalja, manjša je točka. Toda goriščna razdalja vpliva tudi na goriščno globino, to pomeni, da se goriščna globina poveča hkrati z goriščno razdaljo, zato lahko kratka goriščna razdalja izboljša gostoto moči, vendar je zaradi majhne goriščne globine treba natančno vzdrževati razdaljo med lečo in obdelovancem, globina taljenja pa ni velika. Zaradi vpliva brizganja, ki nastane med postopkom varjenja in laserskim načinom, je dejansko varjenje z uporabo najkrajše globine fokusa več kot goriščna razdalja 126 mm (5'). Ko je šiv velik ali je treba zvar povečati s povečanjem velikosti točke, je mogoče izbrati lečo z goriščno razdaljo 254 mm (10'), v tem primeru je za doseganje globokega taljenja potrebna višja laserska izhodna moč (gostota moči). učinek majhne luknje.

Ko moč laserja preseže 2kW, zlasti za laserski žarek CO2 10,6 μm, zaradi uporabe posebnih optičnih materialov za oblikovanje optičnega sistema, da bi se izognili nevarnosti optične poškodbe leče za ostrenje, pogosto izberite metodo ostrenja odseva, na splošno z uporabo poliranega bakrenega ogledala za reflektor. Zaradi učinkovitega hlajenja se pogosto priporoča za visoko zmogljivo fokusiranje laserskega žarka.

7) položaj žariščne točke. Varjenje, da bi ohranili zadostno gostoto moči, je položaj žariščne točke kritičen. Spremembe položaja žarišča glede na površino obdelovanca neposredno vplivajo na širino in globino zvara. Slika 3 prikazuje učinek položaja žariščne točke na globino taline in širino šiva jekla 1018. Pri večini aplikacij laserskega varjenja je žarišče običajno nameščeno približno 1/4 želene globine taline pod površino obdelovanca.

8) Položaj laserskega žarka. Pri laserskem varjenju različnih materialov položaj laserskega žarka vpliva na končno kakovost vara, še posebej pri sočelnih spojih, ki so na to bolj občutljivi kot prekrivni spoji. Na primer, ko so zobniki iz kaljenega jekla varjeni na bobne iz mehkega jekla, bo pravilna kontrola položaja laserskega žarka olajšala izdelavo zvara s pretežno nizkoogljično komponento, ki ima boljšo odpornost proti razpokam. V nekaterih aplikacijah geometrija obdelovanca, ki ga je treba variti, zahteva, da se laserski žarek odkloni pod kotom. Ko je kot odklona med osjo žarka in ravnino spoja znotraj 100 stopinj, to ne bo vplivalo na absorpcijo laserske energije s strani obdelovanca.

9) Začetna in končna točka varjenja postopnega naraščanja moči laserja, nadzora postopnega zmanjševanja. Lasersko globoko talilno varjenje, ne glede na globino zvara vedno obstaja pojav majhnih lukenj. Ko je postopek varjenja končan in je stikalo izklopljeno, se bo na koncu vara pojavil krater. Poleg tega, ko laserski varilni sloj prekrije prvotni zvar, bo prišlo do čezmerne absorpcije laserskega žarka, kar bo povzročilo pregrevanje ali poroznost zvara.

Da bi preprečili zgornje pojave, je mogoče programirati točke zagona in izklopa moči tako, da postanejo časi zagona in izklopa moči nastavljivi, to pomeni, da se zagonska moč v kratkem času elektronsko poveča od nič do nastavljene vrednosti moči in se prilagodi čas varjenja, na koncu pa se moč postopoma zmanjša od nastavljene moči do ničelne vrednosti, ko je varjenje končano.