Lasersvetsning huvudsakliga processparametrar

1) Laserkraft. Det finns ett tröskelvärde för laserenergitäthet vid lasersvetsning, under vilket smältdjupet är grunt, och när detta värde nås eller överskrids, ökar smältdjupet avsevärt. Först när laserns effekttäthet på arbetsstycket överstiger tröskeln (materialberoende) genereras plasma, vilket markerar stabiliseringen av djupsvetsning. Om lasereffekten ligger under detta tröskelvärde genomgår arbetsstycket endast ytsmältning, dvs svetsningen fortgår i en stabil värmeöverföringstyp. När laserns effekttäthet är nära det kritiska tillståndet för små hålbildning, växlar djupsvetsning och ledningssvetsning och blir instabila svetsprocesser, vilket resulterar i stora fluktuationer i smältdjupet. Vid djupsvetsning med laser styr lasereffekten både penetrationsdjupet och svetshastigheten, som visas i figur 1. Smältans svetsdjup är direkt relaterat till strålens effekttäthet och är en funktion av den infallande strålens kraft och strålens brännpunkt. I allmänhet, för en viss diameter av laserstrålen, ökar smältdjupet när stråleffekten ökar.

2) Strålbrännpunkt. Strålens punktstorlek är en av de viktigaste variablerna vid lasersvetsning, eftersom den bestämmer effekttätheten. Dess mätning är dock en utmaning för högeffektlasrar, även om många indirekta mättekniker redan finns tillgängliga.

Strålens fokaldiffraktionsgräns för punktstorlek kan beräknas utifrån ljusdiffraktionsteori, men den faktiska fläcken är större än det beräknade värdet på grund av förekomsten av fokuseringslinsens aberration. Den enklaste riktiga mätmetoden är den isotermiska profilmetoden, som går ut på att mäta brännpunkten och perforeringsdiametern efter att ha bränt och penetrerat en polypropenplatta med tjockt papper. Denna metod bör mätas genom övning, bemästra storleken på lasereffekten och tiden för strålens verkan.

3) Materialabsorptionsvärde. Absorptionen av laser av materialet beror på några viktiga egenskaper hos materialet, såsom absorptionshastighet, reflektivitet, värmeledningsförmåga, smälttemperatur, förångningstemperatur, etc. Den viktigaste är absorptionshastigheten.

Faktorer som påverkar absorptionshastigheten för materialet till laserstrålen inkluderar två aspekter: för det första materialets resistivitet. Efter mätning av absorptionshastigheten för den polerade ytan av materialet har det visat sig att materialets absorptionshastighet är proportionell mot kvadratroten av resistivitetskoefficienten, som i sin tur varierar med temperaturen; för det andra har materialets yttillstånd (eller finish) en viktigare effekt på balkens absorptionshastighet och har således en signifikant effekt på svetseffekten.

CO2-laserutgångsvåglängden är vanligtvis 10,6 μm, keramik, glas, gummi, plast och andra icke-metaller på dess absorptionshastighet vid rumstemperatur är mycket hög, medan metallmaterial vid rumstemperatur på dess absorption är mycket dålig, tills materialet en gång smält eller till och med förångat, dess absorption ökade kraftigt. Användningen av ytbeläggning eller ytgenerering av oxidfilmmetoden för att förbättra absorptionen av materialet till balken är mycket effektiv.

4) svetshastighet. Svetshastighet har en stor inverkan på smältdjupet, öka hastigheten kommer att göra smältdjupet grunt, men hastigheten är för låg och kommer att leda till överdriven smältning av materialet, arbetsstycket svetsar igenom. Därför har en viss laserkraft och en viss tjocklek av ett visst material ett lämpligt intervall av svetshastighet, och i vilket motsvarande hastighetsvärde kan erhållas när det maximala smältdjupet. Figur 2 visar förhållandet mellan svetshastighet och smältdjup för 1018 stål.

5) Skyddsgas. Lasersvetsning process använder ofta inert gas för att skydda smältbassängen, när vissa material svetsas oavsett ytoxidation, då inte heller överväga skydd, men för de flesta applikationer används ofta helium, argon, kväve och andra gaser för skydd, så att arbetsstycket från oxidation under svetsprocessen.

Helium joniseras inte lätt (joniseringsenergin är hög), vilket gör att lasern kan passera igenom och strålenergin obehindrat når arbetsstyckets yta. Det är den mest effektiva skyddsgasen som används vid lasersvetsning, men är dyrare.

Argon är billigare och tätare, så det skyddar bättre. Det är emellertid känsligt för högtemperatur-metallplasmajonisering, vilket resulterar i att en del av strålen skärmas mot arbetsstycket, vilket minskar den effektiva lasereffekten för svetsning och även försämrar svetshastigheten och smältdjupet. Ytan på den svetsade delen är slätare med argonskydd än med heliumskydd.

Kväve är den billigaste skyddsgasen, men den lämpar sig inte för vissa typer av svetsning av rostfritt stål, främst på grund av metallurgiska problem, såsom absorption, som ibland ger porositet i överlappszonen.

Den andra rollen för att använda en skyddsgas är att skydda fokuseringslinsen från förorening av metallånga och förstoftning av flytande smälta droppar. Detta är särskilt nödvändigt vid lasersvetsning med hög effekt, där utkastet blir mycket kraftfullt.

En tredje funktion hos skyddsgasen är att den är effektiv för att sprida plasmaskärmningen som produceras av högeffektlasersvetsning. Metallångan absorberar laserstrålen och joniseras till ett plasmamoln, och skyddsgasen runt metallångan joniseras också av värmen. Om det finns för mycket plasma förbrukas laserstrålen i viss utsträckning av plasman. Närvaron av plasma som en andra energi på arbetsytan gör smältans djup grundare och svetsbassängens yta bredare. Hastigheten för elektronkomplexbildning ökas genom att öka antalet elektron-jon- och neutralatoms trekroppskollisioner för att minska elektrondensiteten i plasmat. Ju lättare den neutrala atomen är, desto högre kollisionsfrekvens, desto högre sammansättningshastighet; å andra sidan endast den höga joniseringsenergin hos skyddsgasen, för att inte öka elektrontätheten på grund av joniseringen av själva gasen.

Som framgår av tabellen varierar plasmamolnstorleken med den skyddsgas som används, med helium som minst, följt av kväve och störst när argon används. Ju större plasmastorlek, desto grundare smältdjup. Orsaken till denna skillnad beror för det första på den olika joniseringsgraden av gasmolekylerna och även på skillnaden i diffusionen av metallångan som orsakas av de olika densiteterna hos skyddsgaserna.

Helium är minst joniserat och minst tätt, och det skingrar snabbt den stigande metallångan från den smälta metallpoolen. Därför kan användningen av helium som skyddsgas maximera undertryckandet av plasma, och därigenom öka smältdjupet och förbättra svetshastigheten; det är inte lätt att orsaka porositet på grund av dess låga vikt och förmåga att fly. Naturligtvis, från våra faktiska svetsresultat, är effekten av skydd med argongas inte dålig.

Plasmamoln på smältdjupet i zonen med låg svetshastighet är det mest uppenbara. När svetshastigheten ökar kommer dess inflytande att försvagas.

Skyddsgasen sprutas ut genom munstycksöppningen vid ett visst tryck för att nå arbetsstyckets yta. Den hydrodynamiska formen på munstycket och storleken på diametern på utloppet är mycket viktiga. Den måste vara tillräckligt stor för att driva den sprutade skyddsgasen för att täcka svetsytan, men för att effektivt skydda linsen och förhindra förorening av metallånga eller metallstänkskador på linsen, bör munstyckets storlek också begränsas. Flödeshastigheten bör också kontrolleras, annars blir det laminära flödet av skyddsgas turbulent och atmosfären blir involverad i den smälta poolen, vilket så småningom bildar porositet.

För att förbättra skyddseffekten, kommer även tillgänglig ytterligare sidoblåsningsväg, det vill säga genom ett munstycke med mindre diameter, skyddsgasen till en viss vinkel direkt in i det djupa smälta svetshålet. Skyddsgasen undertrycker inte bara plasmamolnet på arbetsstyckets yta, utan utövar också ett inflytande på plasman i hålet och bildandet av det lilla hålet, vilket ytterligare ökar smältdjupet och erhåller en djupare och bredare svetsfog än vad som är önskvärt. Denna metod kräver dock exakt kontroll av gasflödets storlek och riktning, annars är det lätt att skapa turbulens och skada smältbassängen, vilket resulterar i att svetsprocessen är svår att stabilisera.

6) Linsens brännvidd. Svetsning används vanligtvis för att fokusera hur laserkonvergensen, det allmänna valet av 63 ~ 254 mm (2,5 '~ 10') brännvidd på linsen. Fokuserad punktstorlek är proportionell mot brännvidden, ju kortare brännvidd desto mindre punkt. Men brännvidden påverkar också brännvidden, det vill säga brännvidden ökar samtidigt med brännvidden, så den korta brännvidden kan förbättra effekttätheten, men på grund av det lilla bränndjupet måste avståndet mellan linsen och arbetsstycket bibehållas noggrant, och smältdjupet är inte stort. På grund av påverkan av stänk som genereras under svetsprocessen och laserläget, kan den faktiska svetsningen med det kortaste fokusdjupet mer brännvidd 126 mm (5'). När sömmen är stor eller svetssömmen behöver ökas genom att öka punktstorleken, kan en lins med en brännvidd på 254 mm (10') väljas, i vilket fall krävs en högre lasereffekt för att uppnå en låg djupstyrka. håleffekt.

När lasereffekten överstiger 2kW, särskilt för 10,6μm CO2-laserstrålen, på grund av användningen av speciella optiska material för att bilda det optiska systemet, för att undvika risken för optisk skada på fokuseringslinsen, välj ofta reflektionsfokuseringsmetoden, vanligtvis med polerad kopparspegel för reflektorn. På grund av den effektiva kylningen rekommenderas det ofta för laserstrålefokusering med hög effekt.

7) brännpunktsposition. Svetsning, för att bibehålla tillräcklig effekttäthet är brännpunktspositionen kritisk. Förändringar i brännpunktens position i förhållande till arbetsstyckets yta påverkar direkt svetsbredden och -djupet. Figur 3 visar effekten av brännpunktspositionen på smältdjupet och sömbredden för 1018 stål. I de flesta lasersvetsapplikationer är brännpunkten vanligtvis placerad ungefär 1/4 av det önskade smältdjupet under arbetsstyckets yta.

8) Laserstrålens läge. Vid lasersvetsning av olika material styr laserstrålens position svetsens slutliga kvalitet, speciellt vid stumfogar som är känsligare för detta än överlappsfogar. Till exempel, när kugghjul av härdat stål svetsas till trummor av mjukt stål, kommer korrekt kontroll av laserstrålens position att underlätta produktionen av en svets med en övervägande låg kolhalt, som har bättre sprickmotstånd. I vissa applikationer kräver geometrin hos arbetsstycket som ska svetsas att laserstrålen avböjs med en vinkel. När avböjningsvinkeln mellan strålaxeln och fogplanet är inom 100 grader, kommer absorptionen av laserenergi av arbetsstycket inte att påverkas.

9) Svetsstart och slutpunkt för lasereffekten gradvis ökning, gradvis nedgångskontroll. Laser djupsvetsning, oavsett svetsdjupet, fenomenet med små hål existerar alltid. När svetsprocessen avslutas och strömbrytaren stängs av, kommer en krater att dyka upp i slutet av svetsen. Dessutom, när lasersvetsskiktet täcker den ursprungliga svetsen, kommer det att finnas överdriven absorption av laserstrålen, vilket resulterar i överhettning eller porositet hos svetsen.

För att förhindra ovanstående fenomen kan kraftstart- och stopppunkterna programmeras så att kraftstart- och stopptiderna blir justerbara, dvs starteffekten ökas elektroniskt från noll till inställt effektvärde på kort tid och svetstiden justeras, och slutligen reduceras effekten gradvis från inställd effekt till nollvärdet när svetsningen avslutas.