Lasersvetsning av huvudprocessparametrar

1) Laserkraft. Det finns en laserenergitäthetströskel vid lasersvetsning, under vilken djupet på smältan är grunt, och när detta värde har uppnåtts eller överskrids ökar djupet på smältan väsentligt. Först när laserkraftstätheten på arbetsstycket överskrider tröskeln (materialberoende) genereras plasma, vilket markerar stabiliseringen av djup fusionssvetsning. Om laserkraften är under denna tröskel genomgår arbetsstycket endast ytsmältning, dvs. svetsningen fortsätter i en stabil värmeöverföringstyp. När lasereffektdensiteten är nära det kritiska tillståndet för bildning av små hål, växlar djup fusionssvetsning och ledningssvetsning och blir instabila svetsprocesser, vilket resulterar i stora fluktuationer i smältdjupet. Vid laserdjupfusionssvetsning styr laserkraften både penetrationsdjupet och svetshastigheten, såsom visas i figur 1. Svetsdjupet är direkt relaterat till stråleffektdensiteten och är en funktion av den infallande strålkraften och balkfokalfläcken. I allmänhet, för en viss diameter på laserstrålen, ökar djupet för smältan när stråleffekten ökar.

2) strålfokalplats. Strålens fläckstorlek är en av de viktigaste variablerna i lasersvetsning, eftersom den bestämmer kraftdensiteten. Mätningen är emellertid en utmaning för lasrar med hög effekt, även om många indirekta mätningstekniker redan finns tillgängliga.

Strålfokal diffraktionsgränsen Spotstorlek kan beräknas utifrån ljusdiffraktionsteori, men den faktiska platsen är större än det beräknade värdet på grund av närvaron av fokuserande linsavvikelse. Den enklaste verkliga mätmetoden är den isotermiska profilmetoden, som är att mäta fokalfläcken och perforeringsdiametern efter att ha bränt och trängt in i en polypropylenplatta med tjockt papper. Denna metod bör mätas genom övning, behärska storleken på laserkraften och strålens tid.

3) Materialabsorptionsvärde. Absorptionen av laser med materialet beror på vissa viktiga egenskaper hos materialet, såsom absorptionshastighet, reflektivitet, värmeledningsförmåga, smälttemperatur, indunstningstemperatur, etc. Det 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 på materialet har det visat sig att materialabsorptionshastigheten är proportionell mot kvadratroten av resistivitetskoefficienten, vilket i sin tur varierar med temperaturen; För det andra har ytan (eller finishen) av materialet en viktigare effekt på absorptionshastigheten för strålen, vilket har en betydande effekt på svetseffekten.

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

4) Svetshastighet. Svetshastigheten har en stor inverkan på smältdjupet, öka hastigheten kommer att göra djupet på smältan 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 hos ett visst material ett lämpligt spetshastighet, och där motsvarande hastighetsvärde kan erhållas när det maximala smältdjupet. Figur 2 ger förhållandet mellan svetshastighet och smältdjup på 1018 stål.

5) Skyddsgas. Lasersvetsningsprocess använder ofta inert gas för att skydda smältpoolen, när vissa material svetsade oavsett ytoxidation, överväger inte heller skydd, men för de flesta applikationer används ofta helium, argon, kväve och andra gaser för skydd, så att arbetsstycket från oxidation under svetsningsprocessen.

Helium är inte lätt joniserad (joniseringsenergi är hög), vilket gör att lasern kan passera och strålenergin för att nå ytan på arbetsstycket obehindrat. Det är den mest effektiva skärmgas som används vid lasersvetsning, men är dyrare.

Argon är billigare och tätare, så det skyddar bättre. Det är emellertid mottagligt för metallplasmajonisering av hög temperatur, vilket resulterar i att du skyddar en del av strålen till arbetsstycket, vilket minskar den effektiva laserkraften för svetsning och också försämrar svetshastigheten och djupet på smältan. Ytan på den svetsade delen är jämnare med argonskydd än med heliumskydd.

Kväve är den billigaste skärmgasen, men den är inte lämplig för vissa typer av svetsning av rostfritt stål, främst på grund av metallurgiska problem, såsom absorption, som ibland ger porositet i varvzonen.

Den andra rollen att använda en skärmningsgas är att skydda fokuseringslinsen från metallånga förorening och sputtering av flytande smält droppar. Detta är särskilt nödvändigt vid lasersvetsning med hög effekt, där ejecta blir mycket kraftfull.

En tredje funktion av den skärmningsgasen är att den är effektiv vid spridning av plasmaskydd som produceras av högeffekt lasersvetsning. Metallånga absorberar laserstrålen och joniseras i ett plasmamoln, och den skärmande gasen runt metallånga joniseras också av värmen. Om för mycket plasma finns, konsumeras laserstrålen av plasma till viss del. Närvaron av plasma som en andra energi på arbetsytan gör att djupet av smälta grundare och svetspoolytan bredare. Hastigheten för elektronkomplexation ökas genom att öka antalet elektronjon och neutrala atomkroppskollisioner för att minska elektrondensiteten i plasma. Ju lättare den neutrala atomen, desto högre kollisionsfrekvens, desto högre är sammansatt hastighet; Å andra sidan är endast den höga joniseringsenergin i den skärmande gasen för att inte öka elektrondensiteten på grund av joniseringen av själva gasen.

Som framgår av tabellen varierar plasmamolstorleken med den skyddande gasen som används, med helium som den minsta, följt av kväve och den största när argon används. Ju större plasmastorlek, desto grundare smältdjupet. Anledningen till denna skillnad beror först på den olika graden av jonisering av gasmolekylerna och även på grund av skillnaden i diffusion av metallånga orsakad av de olika tätheterna hos skyddande gaser.

Helium är den minst joniserade och minst täta, och det fördriver snabbt den stigande metallånga från den smälta metallpoolen. Därför kan användningen av helium som en skärmningsgas maximera undertrycket av plasma och därmed öka smältdjupet och förbättra svetshastigheten; Det är inte lätt att orsaka porositet på grund av dess lätta vikt och förmåga att fly. Naturligtvis, från våra faktiska svetsresultat, är effekten av skydd med argongas inte dålig.

Plasmamoln på smältdjupet i den låga svetshastighetszonen är den mest uppenbara. När svetshastigheten ökar kommer dess inflytande att försvagas.

Skyddsgasen kastas ut genom munstycketsöppningen vid ett visst tryck för att nå arbetsstyckets yta. Den hydrodynamiska formen på munstycket och storleken på utloppets diameter är mycket viktiga. Den måste vara tillräckligt stor för att driva den sprayade skärmgasen för att täcka svetsytan, men för att effektivt skydda linsen och förhindra metallånga förorening eller metallsprut skador på linsen, bör munstycksstorleken också begränsas. Flödeshastigheten bör också kontrolleras, annars blir det laminära flödet av skärmningsgas turbulent och atmosfären blir involverad i den smälta poolen och så småningom bildar porositet.

För att förbättra skyddseffekten, också tillgängligt ytterligare lateralt sätt, det vill säga genom ett mindre diametermunstycke kommer den skyddande gasen till en viss vinkel direkt i det djupa smälta svetshålet. Den skärmande gasen undertrycker inte bara plasmamolnet på arbetsstyckets yta, utan utövar också ett inflytande på plasma i hålet och bildandet av det lilla hålet, vilket ytterligare ökar fusionsdjupet och får en djupare och bredare svets söm än är önskvärt. Denna metod kräver emellertid exakt kontroll av gasflödesstorlek och riktning, annars är det lätt att producera turbulens och skada smältpoolen, vilket resulterar i att svetsprocessen är svår att stabilisera.

6) Lins brännvidd. Svetsning används vanligtvis för att fokusera hur laserkonvergensen, det allmänna valet av 63 ~ 254mm (2,5 '~ 10 ') brännvidd på linsen. Fokuserad fläckstorlek är proportionell mot brännvidden, desto kortare brännvidd, desto mindre är platsen. Men brännvidden påverkar också fokaldjupet, det vill säga det brännande djupet ökar samtidigt med brännvidden, så den korta brännvidden kan förbättra effektdensiteten, men på grund av det lilla fokaldjupet måste avståndet mellan linsen och arbetsstycket hållas korrekt och det smältande djupet är inte stort. Due to the influence of the spatter generated during the welding process and the laser mode, the actual welding using the shortest depth of focus more focal length 126mm (5'). When the seam is large or the weld seam needs to be increased by increasing the spot size, a lens with a focal length of 254mm (10') can be selected, in which case a higher laser output power (power density) is required to achieve a deep melt small hole effekt.

När laserkraften överstiger 2kW, särskilt för CO2 -laserstrålen på 10,6 μm, på grund av användningen av speciella optiska material för att bilda det optiska systemet, för att undvika risken för optisk skada på fokuseringslinsen, väljer ofta reflektionsmetoden, i allmänhet med polerad kopparspegel för reflektorn. På grund av den effektiva kylningen rekommenderas det ofta för laserstrålfokusering med hög effekt.

7) Fokuspunktposition. Svetsning, för att bibehålla tillräcklig effektdensitet, är fokuspunktpositionen kritisk. Förändringar i fokuspunkten i förhållande till arbetsstyckets yta påverkar direkt svetsbredden och djupet. Figur 3 visar effekten av fokuspunktsposition på djupet på smält- och sömbredden på 1018 stål. I de flesta lasersvetsningsapplikationer är kontaktpunkten vanligtvis placerad ungefär 1/4 av det önskade smältdjupet under arbetsstyckets yta.

8) Laserstrålposition. När lasersvetsning av olika material kontrollerar laserstrålpositionen den slutliga kvaliteten på svetsen, särskilt när det gäller rumpfogar som är mer känsliga för detta än varvleden. Till exempel, när härdade stålväxlar svetsas till milda ståltrummor, kommer korrekt kontroll av laserstrålepositionen att underlätta produktionen av en svets med en övervägande lågkolkomponent, vilket har bättre sprickmotstånd. I vissa tillämpningar kräver geometrien på arbetsstycket som ska svetsas att laserstrålen avleds av en vinkel. När avböjningsvinkeln mellan strålaxeln och det ledplanet är inom 100 grader kommer inte absorptionen av laserenergi av arbetsstycket att påverkas.

9) Svetsstart och slutpunkt för laserkraften gradvis stigning, gradvis nedgångskontroll. Laserdjupfusionssvetsning, oavsett svetsdjupet, finns alltid fenomenet små hål. När svetsprocessen avslutas och strömbrytaren stängs av kommer en krater att visas 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 i svetsen.

För att förhindra ovanstående fenomen kan kraftstart- och stopppunkterna programmeras så att kraftstart- och stopptiderna blir justerbara, dvs startkraften ökas elektroniskt från noll till det inställda effektvärdet på kort tid och svetstiden justeras, och slutligen reduceras kraften gradvis från inställningen till nollvärdet när svetsningen är terminerad.