Основні параметри процесу лазерного зварювання

1) Потужність лазера. У лазерному зварюванні існує поріг щільності лазерної енергії, нижче якого глибина розплаву невелика, і коли це значення досягається або перевищується, глибина розплаву істотно збільшується. Лише коли щільність потужності лазера на деталі перевищує порогове значення (залежно від матеріалу), генерується плазма, що означає стабілізацію зварювання глибоким плавленням. Якщо потужність лазера нижче цього порогу, деталь зазнає лише поверхневого плавлення, тобто зварювання відбувається за стабільним типом теплопередачі. Коли щільність потужності лазера наближається до критичного стану утворення невеликих отворів, зварювання глибоким плавленням і кондуктивне зварювання чергуються і стають нестабільними процесами зварювання, що призводить до великих коливань глибини розплаву. Під час лазерного зварювання глибоким оплавленням потужність лазера контролює як глибину проникнення, так і швидкість зварювання, як показано на малюнку 1. Глибина зварювання розплаву безпосередньо пов’язана з щільністю потужності променя та є функцією потужності падаючого променя та фокусної точки променя. Загалом, для певного діаметра лазерного променя глибина розплаву збільшується зі збільшенням потужності променя.

2) Фокусна пляма променя. Розмір плями променя є однією з найважливіших змінних у лазерному зварюванні, оскільки він визначає щільність потужності. Однак його вимірювання є проблемою для високопотужних лазерів, хоча вже доступно багато методів непрямого вимірювання.

Розмір граничної плями фокальної дифракції променя можна розрахувати за теорією дифракції світла, але фактична пляма більша за розраховане значення через наявність аберації фокусуючої лінзи. Найпростішим реальним методом вимірювання є метод ізотермічного профілю, який полягає у вимірюванні фокусної плями та діаметра перфорації після спалювання та проникнення щільного паперу в поліпропіленову пластину. Цей метод слід виміряти практикою, освоївши величину потужності лазера і час дії променя.

3) Величина поглинання матеріалу. Поглинання лазера матеріалом залежить від деяких важливих властивостей матеріалу, таких як швидкість поглинання, відбивна здатність, теплопровідність, температура плавлення, температура випаровування тощо. Найважливішою є швидкість поглинання.

Фактори, що впливають на швидкість поглинання лазерного променя матеріалом, включають два аспекти: по-перше, питомий опір матеріалу. Після вимірювання швидкості поглинання полірованої поверхні матеріалу виявлено, що швидкість поглинання матеріалу пропорційна квадратному кореню з коефіцієнта питомого опору, який, у свою чергу, змінюється залежно від температури; по-друге, стан поверхні (або оздоблення) матеріалу має більш важливий вплив на швидкість поглинання променя, таким чином маючи значний вплив на ефект зварювання.

Вихідна довжина хвилі CO2-лазера зазвичай становить 10,6 мкм, швидкість поглинання кераміки, скла, гуми, пластику та інших неметалів при кімнатній температурі дуже висока, тоді як металеві матеріали при кімнатній температурі поглинають дуже погано, доки матеріал не розплавився або навіть не випарувався, його поглинання різко збільшилося. Використання методу поверхневого покриття або генерації оксидної плівки для покращення поглинання матеріалу променя є дуже ефективним.

4) швидкість зварювання. Швидкість зварювання має великий вплив на глибину плавлення, збільшення швидкості зробить глибину плавлення невеликою, але швидкість надто низька, що призведе до надмірного плавлення матеріалу, зварного шва. Отже, певна потужність лазера і певна товщина конкретного матеріалу має відповідний діапазон швидкості зварювання, і в якому відповідне значення швидкості може бути отримано при максимальній глибині розплаву. На малюнку 2 показано співвідношення між швидкістю зварювання та глибиною плавлення сталі 1018.

5) Захисний газ. Процес лазерного зварювання часто використовує інертний газ для захисту басейну розплаву, коли деякі матеріали зварюються незалежно від окислення поверхні, тоді також не розглядають захист, але для більшості застосувань часто використовують гелій, аргон, азот та інші гази для захисту, щоб заготовка від окислення під час процесу зварювання.

Гелій важко іонізується (енергія іонізації висока), що дозволяє лазеру проходити крізь нього, а енергія променя безперешкодно досягає поверхні деталі. Це найефективніший захисний газ, який використовується при лазерному зварюванні, але коштує дорожче.

Аргон дешевше і щільніше, тому краще захищає. Однак він сприйнятливий до високотемпературної плазмової іонізації металу, що призводить до екранування частини променя до заготовки, зниження ефективної потужності лазера для зварювання, а також погіршує швидкість зварювання та глибину розплаву. З аргоновим захистом поверхня зварюваної деталі більш гладка, ніж з гелієвим.

Азот є найдешевшим захисним газом, але він не підходить для деяких типів зварювання нержавіючої сталі, головним чином через металургійні проблеми, такі як поглинання, яке іноді створює пористість у зоні нахлеста.

Друга роль використання захисного газу полягає в захисті фокусуючої лінзи від забруднення парами металу та розпилення крапель розплавленої рідини. Це особливо необхідно при лазерному зварюванні високої потужності, де викид стає дуже потужним.

Третя функція захисного газу полягає в тому, що він ефективний у розсіюванні плазмового екранування, створеного потужним лазерним зварюванням. Пара металу поглинає лазерний промінь і іонізується в плазмову хмару, а захисний газ навколо пари металу також іонізується теплом. Якщо плазми занадто багато, лазерний промінь певною мірою поглинається плазмою. Наявність плазми як другої енергії на робочій поверхні робить глибину розплаву меншою, а поверхню зварювальної ванни ширшою. Швидкість комплексоутворення електронів збільшується за рахунок збільшення кількості зіткнень трьох тіл між електроном і іоном і нейтрального атома, щоб зменшити щільність електронів у плазмі. Чим легший нейтральний атом, тим вища частота зіткнень, тим вища швидкість сполуки; з іншого боку, тільки висока енергія іонізації захисного газу, щоб не збільшити щільність електронів через іонізацію самого газу.

Як видно з таблиці, розмір плазмової хмари змінюється залежно від використовуваного захисного газу, при цьому гелій є найменшим, за ним йде азот, і найбільшим, коли використовується аргон. Чим більший розмір плазми, тим менша глибина плавлення. Причиною цієї різниці є, по-перше, різний ступінь іонізації молекул газу, а також відмінність у дифузії парів металу, викликана різною щільністю захисних газів.

Гелій є найменш іонізованим і найменш щільним, і він швидко розсіює пари металу, що піднімаються з басейну розплавленого металу. Таким чином, використання гелію як захисного газу може максимізувати придушення плазми, тим самим збільшуючи глибину розплаву та покращуючи швидкість зварювання; нелегко викликати пористість через його малу вагу та здатність витікати. Звичайно, судячи з наших фактичних результатів зварювання, ефект захисту за допомогою газу аргону непоганий.

Плазмова хмара на глибині розплаву в зоні низьких швидкостей зварювання є найбільш очевидною. При збільшенні швидкості зварювання його вплив буде слабшати.

Захисний газ викидається через отвір сопла під певним тиском, щоб досягти поверхні заготовки. Велике значення має гідродинамічна форма насадки і розмір діаметра випускного отвору. Воно має бути достатньо великим, щоб розпилений захисний газ покривав зварювальну поверхню, але для того, щоб ефективно захистити лінзу та запобігти забрудненню парами металу або пошкодженню лінзи металевими бризками, розмір сопла також має бути обмеженим. Швидкість потоку також слід контролювати, інакше ламінарний потік захисного газу стає турбулентним, і атмосфера потрапляє в розплавлену ванну, зрештою утворюючи пористість.

Для того, щоб підвищити захисний ефект, також доступний додатковий бічний спосіб продування, тобто через сопло меншого діаметру буде подаватися захисний газ під певним кутом безпосередньо в глибокий розплавлений зварний отвір. Захисний газ не тільки пригнічує хмару плазми на поверхні заготовки, але також впливає на плазму в отворі та утворення невеликого отвору, додатково збільшуючи глибину проплавлення та отримуючи більш глибокий і широкий зварний шов, ніж бажано. Однак цей метод вимагає точного контролю розміру та напрямку газового потоку, інакше легко створити турбулентність і пошкодити ванну розплаву, в результаті чого процес зварювання важко стабілізувати.

6) Фокусна відстань лінзи. Зварювання зазвичай використовується для фокусування способу конвергенції лазера, загальний вибір 63 ~ 254 мм (2,5 '~ 10') фокусної відстані лінзи. Розмір сфокусованої плями пропорційний фокусній відстані, чим коротша фокусна відстань, тим менша пляма. Але фокусна відстань також впливає на фокусну глибину, тобто фокусна глибина збільшується одночасно з фокусною відстанню, тому коротка фокусна відстань може покращити щільність потужності, але через невелику фокусну глибину відстань між лінзою та заготівлею повинна точно підтримуватися, а глибина плавлення не велика. Через вплив бризок, що утворюються під час процесу зварювання та режиму лазера, фактичне зварювання використовує найкоротшу глибину фокусування більше 126 мм (5'). Якщо шов великий або зварний шов потрібно збільшити за рахунок збільшення розміру плями, можна вибрати лінзу з фокусною відстанню 254 мм (10'), у цьому випадку для досягнення глибокого плавлення потрібна вища вихідна потужність лазера (щільність потужності). ефект маленької дірки.

Коли потужність лазера перевищує 2 кВт, особливо для лазерного променя CO2 10,6 мкм, через використання спеціальних оптичних матеріалів для формування оптичної системи, щоб уникнути ризику оптичного пошкодження фокусуючої лінзи, часто вибирають метод фокусування відбиття, як правило, використовуючи поліроване мідне дзеркало для відбивача. Завдяки ефективному охолодженню його часто рекомендують для фокусування лазерного променя високої потужності.

7) положення фокусної точки. Під час зварювання, щоб підтримувати достатню щільність потужності, положення фокусної точки є критичним. Зміни положення фокусної точки відносно поверхні заготовки безпосередньо впливають на ширину і глибину шва. На рисунку 3 показано вплив положення фокусної точки на глибину розплаву та ширину шва сталі 1018. У більшості застосувань лазерного зварювання фокусна точка зазвичай розташована приблизно на 1/4 бажаної глибини розплаву нижче поверхні заготовки.

8) Положення лазерного променя. Під час лазерного зварювання різних матеріалів положення лазерного променя контролює кінцеву якість зварювання, особливо у випадку стикових з’єднань, які більш чутливі до цього, ніж з’єднання внахлест. Наприклад, коли зубчасті колеса із загартованої сталі приварюються до барабанів з м’якої сталі, правильний контроль положення лазерного променя сприятиме виготовленню зварного шва з переважно низьким вмістом вуглецю, який має кращу стійкість до розтріскування. У деяких випадках геометрія заготовки, що зварюється, вимагає відхилення лазерного променя на певний кут. Коли кут відхилення між віссю променя та площиною з’єднання знаходиться в межах 100 градусів, це не вплине на поглинання лазерної енергії деталлю.

9) Початок і кінцева точка зварювання потужності лазера поступово зростає, поступове зниження контролю. Лазерне зварювання глибоким плавленням, незалежно від глибини зварного шва, явище малих отворів завжди існує. Після завершення процесу зварювання та вимкнення живлення в кінці зварювального шва з’явиться кратер. Крім того, коли шар лазерного зварювання покриває оригінальний зварний шов, буде надмірне поглинання лазерного променя, що призведе до перегріву або пористості зварного шва.

Щоб запобігти вищевказаним явищам, точки запуску та зупинки живлення можна запрограмувати таким чином, щоб час запуску та зупинки потужності став регульованим, тобто початкова потужність електронним способом збільшується від нуля до встановленого значення потужності за короткий проміжок часу, і регулюється час зварювання, і, нарешті, потужність поступово зменшується від встановленої потужності до нульового значення, коли зварювання припиняється.