Lazer kaynak ana proses parametreleri

1) Lazer gücü. Lazer kaynağında, altında eriyik derinliğinin sığ olduğu bir lazer enerjisi yoğunluğu eşiği vardır ve bu değere ulaşıldığında veya aşıldığında eriyik derinliği önemli ölçüde artar. Yalnızca iş parçası üzerindeki lazer güç yoğunluğu eşiği aştığında (malzemeye bağlı olarak), derin füzyon kaynağının stabilizasyonunu gösteren plazma üretilir. Lazer gücü bu eşiğin altındaysa iş parçası yalnızca yüzeyde erimeye uğrar, yani kaynak stabil bir ısı transfer tipinde ilerler. Lazer güç yoğunluğu küçük delik oluşumunun kritik koşuluna yaklaştığında, derin ergitme kaynağı ve iletim kaynağı dönüşümlü olarak kararsız kaynak işlemleri haline gelir ve bu da eriyik derinliğinde büyük dalgalanmalara neden olur. Lazer derin füzyon kaynağında, lazer gücü, Şekil 1'de gösterildiği gibi hem nüfuz etme derinliğini hem de kaynak hızını kontrol eder. Eriyiğin kaynak derinliği doğrudan ışın gücü yoğunluğuyla ilişkilidir ve gelen ışın gücünün ve ışın odak noktasının bir fonksiyonudur. Genel olarak lazer ışınının belirli bir çapı için ışın gücü arttıkça erime derinliği de artar.

2) Işın odak noktası. Işın noktası boyutu, güç yoğunluğunu belirlediği için lazer kaynağında en önemli değişkenlerden biridir. Bununla birlikte, birçok dolaylı ölçüm tekniği halihazırda mevcut olmasına rağmen, ölçümü yüksek güçlü lazerler için bir zorluktur.

Işın odak kırınım sınırı nokta boyutu, ışık kırınım teorisinden hesaplanabilir, ancak gerçek nokta, odaklama merceği sapmasının varlığı nedeniyle hesaplanan değerden daha büyüktür. En basit gerçek ölçüm yöntemi, kalın kağıtlı bir polipropilen plakanın yakılıp delinmesinden sonra odak noktasını ve delik çapını ölçmek olan izotermal profil yöntemidir. Bu yöntem, lazer gücünün boyutuna ve ışın hareketinin süresine hakim olarak pratik yaparak ölçülmelidir.

3) Malzeme emme değeri. Lazerin malzeme tarafından soğurulması malzemenin soğurma oranı, yansıtma, ısıl iletkenlik, erime sıcaklığı, buharlaşma sıcaklığı vb. gibi bazı önemli özelliklerine bağlıdır. Bunlardan en önemlisi soğurma oranıdır.

Malzemenin lazer ışınını absorbe etme oranını etkileyen faktörler iki hususu içerir: birincisi, malzemenin direnci. Malzemenin cilalı yüzeyinin emme oranı ölçüldükten sonra, malzeme emme oranının direnç katsayısının karekökü ile orantılı olduğu ve bunun da sıcaklığa göre değiştiği bulunmuştur; ikinci olarak, malzemenin yüzey durumu (veya cilası), kirişin emme oranı üzerinde daha önemli bir etkiye sahiptir, dolayısıyla kaynak etkisi üzerinde önemli bir etkiye sahiptir.

CO2 lazer çıkış dalga boyu genellikle 10.6μm'dir, seramik, cam, kauçuk, plastik ve diğer metal olmayanların oda sıcaklığında emilim oranı çok yüksektir, metal malzemelerin ise oda sıcaklığında emilimi çok zayıftır, malzeme bir kez eriyene veya hatta buharlaşana kadar emilimi keskin bir şekilde artmıştır. Malzemenin kirişe emilimini arttırmak için yüzey kaplama veya oksit film yüzey oluşturma yönteminin kullanılması çok etkilidir.

4) kaynak hızı. Kaynak hızının eriyik derinliği üzerinde büyük etkisi vardır; hızın arttırılması eriyik derinliğinin sığ olmasına neden olur, ancak hız çok düşüktür ve malzemenin aşırı erimesine, iş parçasının kaynak yapılmasına neden olur. Bu nedenle, belirli bir lazer gücü ve belirli bir kalınlıktaki belirli bir malzeme, uygun bir kaynak hızı aralığına sahiptir ve buna karşılık gelen hız değeri, maksimum erime derinliğinde elde edilebilir. Şekil 2'de 1018 çeliğinin kaynak hızı ile erime derinliği arasındaki ilişki verilmektedir.

5) Koruyucu gaz. Lazer kaynak işlemi genellikle eriyik havuzunu korumak için inert gaz kullanır, bazı malzemeler yüzey oksidasyonundan bağımsız olarak kaynaklandığında, koruma da dikkate alınmaz, ancak çoğu uygulama için genellikle koruma için helyum, argon, nitrojen ve diğer gazlar kullanılır, böylece iş parçası kaynak işlemi sırasında oksidasyondan korunur.

Helyum kolayca iyonize olmaz (iyonlaşma enerjisi yüksektir), bu da lazerin geçmesine ve ışın enerjisinin iş parçasının yüzeyine engellenmeden ulaşmasını sağlar. Lazer kaynakta kullanılan en etkili koruyucu gazdır ancak daha pahalıdır.

Argon daha ucuz ve daha yoğun olduğundan daha iyi korur. Bununla birlikte, yüksek sıcaklıktaki metal plazma iyonizasyonuna duyarlıdır, bu da ışının bir kısmının iş parçasına karşı korunmasına, kaynak için etkili lazer gücünün azalmasına ve ayrıca kaynak hızının ve erime derinliğinin bozulmasına neden olur. Kaynaklı parçanın yüzeyi argon korumasında helyum korumasına göre daha pürüzsüzdür.

Azot en ucuz koruyucu gazdır ancak bazı paslanmaz çelik kaynak türleri için uygun değildir; bunun başlıca nedeni, bazen bindirme bölgesinde gözeneklilik oluşturan emme gibi metalurjik problemlerdir.

Koruyucu gaz kullanmanın ikinci rolü, odaklama merceğini metal buhar kirliliğinden ve sıvı erimiş damlacıkların sıçramasından korumaktır. Bu özellikle ejectanın çok güçlü olduğu yüksek güçlü lazer kaynağında gereklidir.

Koruyucu gazın üçüncü bir işlevi, yüksek güçlü lazer kaynağıyla üretilen plazma koruyucunun dağıtılmasında etkili olmasıdır. Metal buharı lazer ışınını emer ve bir plazma bulutu halinde iyonize olur ve metal buharının etrafındaki koruyucu gaz da ısı tarafından iyonize olur. Çok fazla plazma mevcutsa, lazer ışını plazma tarafından bir dereceye kadar tüketilir. Plazmanın çalışma yüzeyinde ikinci bir enerji olarak bulunması, eriyik derinliğini daha sığ ve kaynak havuzu yüzeyini daha geniş hale getirir. Plazmadaki elektron yoğunluğunu azaltmak için elektron-iyon ve nötr-atom üç cisim çarpışmalarının sayısı arttırılarak elektron kompleksleşme hızı arttırılır. Nötr atom ne kadar hafif olursa çarpışma frekansı o kadar yüksek, bileşik oranı da o kadar yüksek olur; Öte yandan, gazın kendisinin iyonlaşması nedeniyle elektron yoğunluğunun artmaması için koruyucu gazın yalnızca yüksek iyonizasyon enerjisi kullanılır.

Tablodan görülebileceği gibi, plazma bulutunun boyutu kullanılan koruyucu gaza göre değişir; en küçük olanı helyumdur, onu nitrojen takip eder ve argon kullanıldığında en büyüğü olur. Plazma boyutu ne kadar büyük olursa erime derinliği de o kadar sığ olur. Bu farklılığın nedeni öncelikle gaz moleküllerinin iyonizasyon derecelerinin farklı olmasından ve ayrıca koruyucu gazların farklı yoğunluklarından kaynaklanan metal buharının difüzyon farklılığından kaynaklanmaktadır.

Helyum en az iyonize olan ve en az yoğun olanıdır ve erimiş metal havuzundan yükselen metal buharını hızla dağıtır. Bu nedenle, helyumun koruyucu gaz olarak kullanılması, plazmanın baskılanmasını en üst düzeye çıkarabilir, böylece eriyik derinliğini arttırabilir ve kaynak hızını iyileştirebilir; hafifliği ve kaçabilme özelliği nedeniyle gözenekliliğe neden olması kolay değildir. Elbette gerçek kaynak sonuçlarımıza göre argon gazıyla korumanın etkisi kötü değil.

Düşük kaynak hızı bölgesinde erime derinliğindeki plazma bulutu en belirgin olanıdır. Kaynak hızı arttığında etkisi zayıflayacaktır.

Koruyucu gaz, iş parçası yüzeyine ulaşmak için nozul açıklığından belirli bir basınçta püskürtülür. Nozulun hidrodinamik şekli ve çıkışın çapının boyutu çok önemlidir. Püskürtülen koruyucu gazı kaynak yüzeyini kaplayacak şekilde yönlendirecek kadar büyük olmalıdır, ancak merceği etkili bir şekilde korumak ve metal buharı kirlenmesini veya merceğe metal sıçraması hasarını önlemek için meme boyutu da sınırlı olmalıdır. Akış hızı da kontrol edilmelidir, aksi takdirde koruyucu gazın laminer akışı türbülanslı hale gelir ve atmosfer erimiş havuza karışarak sonunda gözeneklilik oluşturur.

Koruma etkisini arttırmak için, ilave bir yanal üfleme yolu da mevcuttur, yani daha küçük çaplı bir ağızlık yoluyla koruyucu gaz belirli bir açıyla doğrudan derin erimiş kaynak deliğine verilecektir. Koruyucu gaz sadece iş parçasının yüzeyindeki plazma bulutunu bastırmakla kalmaz, aynı zamanda delikteki plazma ve küçük deliğin oluşumu üzerinde de etki yaparak füzyon derinliğini daha da arttırır ve arzu edilenden daha derin ve daha geniş bir kaynak dikişi elde eder. Bununla birlikte, bu yöntem gaz akış boyutunun ve yönünün hassas kontrolünü gerektirir, aksi takdirde türbülans oluşturmak ve eriyik havuzuna zarar vermek kolaydır, bu da kaynak işleminin stabilize edilmesinin zorlaşmasına neden olur.

6) Objektif odak uzaklığı. Kaynak genellikle lazer yakınsama yoluna odaklanmak için kullanılır, genel seçim lensin 63 ~ 254mm (2,5 '~ 10') odak uzaklığıdır. Odaklanan nokta boyutu odak uzaklığıyla orantılıdır; odak uzaklığı ne kadar kısa olursa nokta o kadar küçük olur. Ancak odak uzaklığı aynı zamanda odak derinliğini de etkiler, yani odak derinliği odak uzaklığıyla aynı anda artar, böylece kısa odak uzaklığı güç yoğunluğunu artırabilir, ancak küçük odak derinliği nedeniyle mercek ile iş parçası arasındaki mesafe doğru bir şekilde korunmalıdır ve erime derinliği büyük değildir. Kaynak işlemi ve lazer modu sırasında oluşan sıçramanın etkisi nedeniyle, en kısa odak derinliğini kullanarak 126 mm'den (5') daha fazla odak uzaklığını kullanan gerçek kaynak. Dikiş büyük olduğunda veya nokta boyutunu artırarak kaynak dikişinin arttırılması gerektiğinde, odak uzaklığı 254 mm (10') olan bir lens seçilebilir; bu durumda derin erime küçük delik efekti elde etmek için daha yüksek bir lazer çıkış gücü (güç yoğunluğu) gerekir.

Lazer gücü, özellikle 10,6μm CO2 lazer ışını için 2kW'ı aştığında, optik sistemi oluşturmak için özel optik malzemelerin kullanılması nedeniyle, odaklama merceğinin optik hasar görme riskini önlemek için genellikle yansıma odaklama yöntemini seçin, genellikle reflektör için cilalı bakır ayna kullanın. Etkili soğutma nedeniyle, yüksek güçlü lazer ışınının odaklanması için sıklıkla tavsiye edilir.

7) odak noktası konumu. Kaynakta yeterli güç yoğunluğunun korunabilmesi için odak noktasının konumu kritiktir. Odak noktasının iş parçası yüzeyine göre konumundaki değişiklikler kaynak genişliğini ve derinliğini doğrudan etkiler. Şekil 3, odak noktası konumunun 1018 çeliğinin erime derinliği ve dikiş genişliği üzerindeki etkisini göstermektedir. Çoğu lazer kaynak uygulamasında odak noktası tipik olarak iş parçası yüzeyinin altında istenen erime derinliğinin yaklaşık 1/4'ü kadar konumlandırılır.

8) Lazer ışınının konumu. Farklı malzemeleri lazerle kaynaklarken, lazer ışınının konumu, özellikle buna bindirmeli bağlantılardan daha duyarlı olan alın bağlantılarında, kaynağın nihai kalitesini kontrol eder. Örneğin, sertleştirilmiş çelik dişliler yumuşak çelik tamburlara kaynaklandığında, lazer ışınının konumunun uygun şekilde kontrol edilmesi, daha iyi çatlama direncine sahip, ağırlıklı olarak düşük karbon bileşenli bir kaynağın üretilmesini kolaylaştıracaktır. Bazı uygulamalarda, kaynak yapılacak iş parçasının geometrisi, lazer ışınının belirli bir açıyla saptırılmasını gerektirir. Işın ekseni ile bağlantı düzlemi arasındaki sapma açısı 100 derece içinde olduğunda, lazer enerjisinin iş parçası tarafından emilmesi etkilenmeyecektir.

9) Lazer gücünün kaynak başlangıç ​​ve bitiş noktası kademeli yükselişi, kademeli düşüş kontrolü. Lazer derin füzyon kaynağı, kaynağın derinliğine bakılmaksızın, küçük delik olgusu her zaman mevcuttur. Kaynak işlemi sonlandırılıp elektrik düğmesi kapatıldığında kaynağın sonunda bir krater oluşacaktır. Ek olarak, lazer kaynak katmanı orijinal kaynağı kapladığında, lazer ışınının aşırı emilmesi söz konusu olacak ve bu da kaynağın aşırı ısınmasına veya gözenekli olmasına neden olacaktır.

Yukarıdaki olayları önlemek için güç başlatma ve durdurma noktaları, güç başlatma ve durdurma süreleri ayarlanabilir hale gelecek şekilde programlanabilir, yani başlatma gücü elektronik olarak kısa sürede sıfırdan ayarlanan güç değerine yükseltilir ve kaynak süresi ayarlanır ve son olarak kaynak sonlandırıldığında güç kademeli olarak ayarlanan güçten sıfır değerine düşürülür.