Главни параметри процеса ласерског заваривања

1) Снага ласера. У ласерском заваривању постоји праг густине енергије ласера, испод којег је дубина растопа плитка, а када се ова вредност достигне или прекорачи, дубина растопа се значајно повећава. Тек када густина снаге ласера ​​на радном предмету пређе граничну вредност (зависно од материјала), ствара се плазма, што означава стабилизацију заваривања дубоком фузијом. Ако је снага ласера ​​испод овог прага, радни предмет се само површински топи, односно заваривање се одвија стабилним начином преноса топлоте. Када је густина снаге ласера ​​близу критичног стања формирања малих рупа, заваривање дубоком фузијом и проводљиво заваривање се смењују и постају нестабилни процеси заваривања, што доводи до великих флуктуација у дубини растопа. Код ласерског заваривања дубоком фузијом, снага ласера ​​контролише и дубину продирања и брзину заваривања, као што је приказано на слици 1. Дубина заваривања растопа је директно повезана са густином снаге снопа и функција је снаге упадног снопа и жаришне тачке снопа. Генерално, за одређени пречник ласерског зрака, дубина растопа се повећава како се повећава снага зрака.

2) Фокална тачка снопа. Величина тачке снопа је једна од најважнијих варијабли у ласерском заваривању, јер одређује густину снаге. Међутим, његово мерење је изазов за ласере велике снаге, иако су многе технике индиректног мерења већ доступне.

Величина тачке граничне дифракције жаришта зрака може се израчунати из теорије дифракције светлости, али стварна тачка је већа од израчунате вредности због присуства аберације сочива за фокусирање. Најједноставнији прави метод мерења је метода изотермног профила, која се састоји од мерења жаришне тачке и пречника перфорације након сагоревања и продирања у полипропиленску плочу са дебелим папиром. Ову методу треба мерити праксом, савладавајући величину ласерске снаге и време деловања зрака.

3) Вредност апсорпције материјала. Апсорпција ласера ​​материјалом зависи од неких важних својстава материјала, као што су брзина апсорпције, рефлексивност, топлотна проводљивост, температура топљења, температура испаравања, итд. Најважнија је брзина апсорпције.

Фактори који утичу на брзину апсорпције материјала на ласерски зрак укључују два аспекта: прво, отпорност материјала. Након мерења брзине апсорпције полиране површине материјала, утврђено је да је брзина апсорпције материјала пропорционална квадратном корену коефицијента отпорности, који заузврат варира са температуром; друго, површинско стање (или завршна обрада) материјала има важнији утицај на брзину апсорпције снопа, чиме има значајан утицај на ефекат заваривања.

Излазна таласна дужина ЦО2 ласера ​​је обично 10,6 μм, керамика, стакло, гума, пластика и други неметали на својој стопи апсорпције на собној температури су веома високи, док су метални материјали на собној температури на својој апсорпцији веома лоши, све док се материјал једном не отопи или чак испари, његова апсорпција се нагло повећа. Употреба површинског премаза или површинског генерисања оксидног филма метода за побољшање апсорпције материјала на сноп је веома ефикасна.

4) брзина заваривања. Брзина заваривања има велики утицај на дубину растапања, повећање брзине ће учинити дубину растапа плитка, али брзина је прениска и довешће до прекомерног топљења материјала, радни комад заварује се. Дакле, одређена снага ласера ​​и одређена дебљина одређеног материјала има одговарајући опсег брзине заваривања, иу којој се одговарајућа вредност брзине може добити када је максимална дубина топљења. На слици 2 дат је однос између брзине заваривања и дубине топљења челика 1018.

5) Заштитни гас. Процес ласерског заваривања често користи инертни гас за заштиту базена талине, када се неки материјали заварују без обзира на површинску оксидацију, тада такође не узимају у обзир заштиту, али за већину примена се често користе хелијум, аргон, азот и други гасови за заштиту, тако да радни предмет од оксидације током процеса заваривања.

Хелијум се не јонизује лако (енергија јонизације је велика), дозвољавајући ласеру да прође и да енергија зрака неометано стигне до површине радног предмета. То је најефикаснији заштитни гас који се користи у ласерском заваривању, али је скупљи.

Аргон је јефтинији и гушћи, па боље штити. Међутим, подложан је јонизацији металне плазме на високим температурама, што резултира заштитом дела зрака од радног предмета, смањењем ефективне снаге ласера ​​за заваривање и смањењем брзине заваривања и дубине растопа. Површина завареног дела је глаткија са заштитом од аргона него са заштитом од хелијума.

Азот је најјефтинији заштитни гас, али није погодан за неке врсте заваривања нерђајућег челика, углавном због металуршких проблема, као што је апсорпција, која понекад ствара порозност у зони преклопа.

Друга улога употребе заштитног гаса је заштита сочива за фокусирање од контаминације металном паром и прскања течних растопљених капљица. Ово је посебно неопходно код ласерског заваривања велике снаге, где избацивање постаје веома моћно.

Трећа функција заштитног гаса је да је ефикасан у распршивању плазма заштите произведене ласерским заваривањем велике снаге. Метална пара апсорбује ласерски сноп и јонизује у облак плазме, а заштитни гас око металне паре се такође јонизује топлотом. Ако је присутно превише плазме, ласерски зрак се у одређеној мери троши од стране плазме. Присуство плазме као друге енергије на радној површини чини дубину растопа плићом, а површину завареног базена широм. Брзина стварања комплекса електрона се повећава повећањем броја судара три тела електрон-јона и неутралног атома да би се смањила густина електрона у плазми. Што је неутрални атом лакши, то је већа учесталост судара, већа је стопа једињења; с друге стране, само висока енергија јонизације заштитног гаса, како се не би повећала електронска густина услед јонизације самог гаса.

Као што се може видети из табеле, величина облака плазме варира у зависности од коришћеног заштитног гаса, при чему је хелијум најмањи, затим азот, а највећи када се користи аргон. Што је плазма већа, дубина топљења је мања. Разлог за ову разлику је најпре због различитог степена јонизације молекула гаса, а такође и због разлике у дифузији металне паре изазване различитим густинама заштитних гасова.

Хелијум је најмање јонизован и најмање густ, и брзо распршује диже металну пару из базена растопљеног метала. Стога, употреба хелијума као заштитног гаса може максимизирати супресију плазме, чиме се повећава дубина растопа и побољшава брзина заваривања; није лако изазвати порозност због његове мале тежине и способности да побегне. Наравно, према нашим стварним резултатима заваривања, ефекат заштите гасом аргона није лош.

Облак плазме на дубини растопа у зони мале брзине заваривања је најочигледнији. Када се брзина заваривања повећа, њен утицај ће бити ослабљен.

Заштитни гас се избацује кроз отвор млазнице под одређеним притиском да би стигао до површине радног предмета. Хидродинамички облик млазнице и величина пречника излаза су веома важни. Мора бити довољно велика да распрши заштитни гас да покрије површину заваривања, али да би се ефикасно заштитило сочиво и спречило контаминација металном паром или оштећење сочива металним прскањем, величина млазнице такође треба да буде ограничена. Брзину протока такође треба контролисати, иначе ламинарни ток заштитног гаса постаје турбулентан и атмосфера се укључује у растопљени базен, на крају формирајући порозност.

Да би се побољшао ефекат заштите, на располагању је и додатни бочни начин дувања, односно кроз млазницу мањег пречника заштитни гас ће се под одређеним углом директно у дубоку растопљену рупу за завар. Заштитни гас не само да потискује облак плазме на површини радног предмета, већ утиче и на плазму у отвору и формирање мале рупе, додатно повећавајући дубину фузије и добијајући дубљи и шири заварени шав него што је пожељно. Међутим, овај метод захтева прецизну контролу величине и смера протока гаса, у супротном је лако произвести турбуленцију и оштетити базен талине, због чега је процес заваривања тешко стабилизовати.

6) Жижна даљина сочива. Заваривање се обично користи за фокусирање на начин ласерске конвергенције, општи избор од 63 ~ 254 мм (2,5 '~ 10') жижне даљине сочива. Величина фокусиране тачке је пропорционална жижној даљини, што је жижна даљина краћа, то је тачка мања. Али жижна даљина такође утиче на жижну дубину, то јест, жижна дубина се повећава истовремено са жижном даљином, тако да кратка жижна даљина може побољшати густину снаге, али због мале фокусне дубине, растојање између сочива и радног предмета мора се тачно одржавати, а дубина топљења није велика. Због утицаја прскања насталог током процеса заваривања и ласерског режима, стварно заваривање користећи најкраћу дубину фокуса више жижне даљине 126 мм (5'). Када је шав велики или шав треба да се повећа повећањем величине тачке, сочиво са жижном даљином од 254 мм (10') може се изабрати да би се постигла већа излазна снага (у ком случају је потребна већа излазна снага ласера) растопити ефекат малих рупа.

Када снага ласера ​​прелази 2кВ, посебно за ласерски сноп ЦО2 од 10,6 μм, због употребе специјалних оптичких материјала за формирање оптичког система, како би се избегао ризик од оптичког оштећења сочива за фокусирање, често бирајте метод фокусирања рефлексије, углавном користећи полирано бакарно огледало за рефлектор. Због ефикасног хлађења, често се препоручује за фокусирање ласерског зрака велике снаге.

7) положај фокусне тачке. Заваривање, да би се одржала довољна густина снаге, позиција фокусне тачке је критична. Промене у положају фокусне тачке у односу на површину радног предмета директно утичу на ширину и дубину завара. На слици 3 приказан је утицај положаја жаришне тачке на дубину растопа и ширину шава челика 1018. У већини примена ласерског заваривања, фокусна тачка је обично постављена приближно 1/4 жељене дубине растопа испод површине радног предмета.

8) Положај ласерског зрака. Код ласерског заваривања различитих материјала, положај ласерског зрака контролише коначни квалитет вара, посебно у случају чеоних спојева који су на то осетљивији од преклопних спојева. На пример, када се зупчаници од каљеног челика заварују на бубњеве од меког челика, правилна контрола положаја ласерског зрака ће олакшати производњу шава са претежно ниским садржајем угљеника, који има бољу отпорност на пуцање. У неким применама, геометрија радног предмета који се завари захтева да се ласерски зрак скрене под углом. Када је угао скретања између осе снопа и равни споја унутар 100 степени, неће утицати на апсорпцију ласерске енергије од стране радног предмета.

9) Почетна и крајња тачка заваривања постепени пораст снаге ласера, контрола постепеног пада. Ласерско дубоко фузионо заваривање, без обзира на дубину вара, феномен малих рупа увек постоји. Када се процес заваривања заврши и прекидач за напајање искључи, на крају завара ће се појавити кратер. Поред тога, када слој ласерског заваривања покрије оригинални завар, доћи ће до прекомерне апсорпције ласерског зрака, што ће резултирати прегревањем или порозношћу шава.

Да би се спречиле горе наведене појаве, тачке покретања и заустављања снаге могу се програмирати тако да време покретања и заустављања снаге постаје подесиво, односно почетна снага се електронски повећава од нуле до задате вредности снаге у кратком временском периоду и подешава време заваривања, а на крају се снага постепено смањује са задате снаге на нулту вредност када се заваривање заврши.