Параметри основного процесу лазерного зварювання

1) Лазерна потужність. У лазерному зварюванні є поріг щільності лазерної енергії, нижче якого глибина розплаву неглибока, і як тільки це значення буде досягнуто або перевищене, глибина розплаву значно зростає. Тільки тоді, коли щільність лазерної потужності на заготовці перевищує поріг (залежне від матеріалу), генерується плазма, що позначає стабілізацію глибокого зварювання. Якщо лазерна потужність нижче цього порогу, заготовка лише зазнає плавлення на поверхню, тобто зварювання триває в стабільному типі теплопередачі. Коли щільність лазерної потужності знаходиться поблизу критичного стану утворення невеликих отворів, зварювання глибокого синтезу та зварювання провідності чергуються і стають нестабільними процесами зварювання, що призводить до великих коливань глибини розплаву. У зваренні лазерного глибокого синтезу лазерна потужність контролює як глибину проникнення, так і швидкість зварювання, як показано на малюнку 1. Глибина зварювання розплаву безпосередньо пов'язана з щільністю потужності променя і є функцією живлення пучка падаючого променя та фокусного місця променя. Загалом, для певного діаметра лазерного променя глибина розплаву збільшується зі збільшенням потужності променя.

2) Фокусне місце променя. Розмір плями променя - одна з найважливіших змінних лазерного зварювання, оскільки він визначає щільність потужності. Однак його вимірювання є проблемою для лазерів високої потужності, хоча багато непрямих методів вимірювання вже доступні.

Фокусна дифракційна дифракційна кількість розміру плями може бути обчислена з теорії дифракції світла, але фактична пляма більша, ніж обчислене значення через наявність аберації фокусування об'єктива. Найпростішим методом реального вимірювання є метод ізотермічного профілю, який полягає у вимірюванні фокусного плями та перфорації після спалювання та проникнення поліпропіленової пластини з товстим папером. Цей метод слід вимірювати практикою, освоєння розміру лазерної потужності та часу дії променя.

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

Фактори, що впливають на швидкість поглинання матеріалу на лазерний промінь, включають два аспекти: по -перше, опір матеріалу. Після вимірювання швидкості поглинання відшліфованої поверхні матеріалу встановлено, що швидкість поглинання матеріалу пропорційна квадратному кореню коефіцієнта опору, який, в свою чергу, змінюється залежно від температури; По -друге, стан поверхні (або обробку) матеріалу має важливіший вплив на швидкість поглинання променя, таким чином, що має значний вплив на ефект зварювання.

Довжина виходу з лазерної хвилі CO2 зазвичай становить 10,6 мкм, кераміка, скло, гума, пластик та інші неметали при швидкості поглинання при кімнатній температурі дуже високі, тоді як металеві матеріали при кімнатній температурі при його поглинанні дуже поганий, поки матеріал, що колись розплавиться або навіть випаровується, його поглинання різко збільшиться. Використання поверхневого покриття або генерації поверхні методу оксидної плівки для поліпшення поглинання матеріалу до променя є дуже ефективним.

4) Швидкість зварювання. Швидкість зварювання має великий вплив на глибину розплаву, збільшення швидкості зробить глибину розплаву неглибоку, але швидкість занадто низька і призведе до надмірного плавлення матеріалу, зварювання заготовки. Тому певна лазерна потужність і певна товщина певного матеріалу має відповідний діапазон швидкості зварювання, і в якій відповідне значення швидкості можна отримати, коли максимальна глибина розплаву. На малюнку 2 наведено залежність між швидкістю зварювання та глибиною розплаву 1018 сталі.

5) Захисний газ. Процес лазерного зварювання часто використовує інертний газ для захисту басейну розплаву, коли деякі матеріали, зварені незалежно від окислення поверхні, потім також не розглядають захист, але для більшості застосувань часто використовуються гелію, аргон, азот та інші гази для захисту, так що заготовка від окислення під час процесу зварювання.

Гелій не легко іонізується (енергія іонізації висока), що дозволяє проходити лазеру, а енергія променя досягає поверхні заготовки безперешкодно. Це найефективніший екранований газ, що використовується в лазерному зварюванні, але дорожче.

Аргон дешевший і густий, тому він захищає краще. Однак він сприйнятливий до високотемпературної металевої плазмової іонізації, що призводить до екранування частини променя до заготовки, зменшуючи ефективну лазерну потужність для зварювання, а також погіршуючи швидкість зварювання та глибину розплаву. Поверхня зварної частини більш гладка із захистом аргону, ніж із захистом гелію.

Азот - це найдешевший екранований газ, але він не підходить для деяких видів зварювання з нержавіючої сталі, головним чином через металургійні проблеми, такі як поглинання, яке іноді виробляє пористість у зоні кола.

Друга роль використання екрануючого газу полягає у захисті фокусувальної лінзи від забруднення пари металу та розпилення рідинних розплавлених крапель. Особливо це необхідно при лазерному зварюванні з високою потужністю, де викид стає дуже потужною.

Третя функція екрануючого газу полягає в тому, що вона ефективна для диспергування плазмового екранування, що виробляється за допомогою потужного лазерного зварювання. Пара металу поглинає лазерний промінь і іонізується в плазмову хмару, а екрануючий газ навколо металевої пари також іонізується теплом. Якщо занадто багато плазми присутня, лазерний промінь певною мірою споживається плазмою. Наявність плазми як другої енергії на робочій поверхні робить глибину розплаву дрібнішим, а поверхня шва басейну ширшою. Швидкість комплексування електронів збільшується за рахунок збільшення кількості зіткнень електронного іонного та нейтрального атома для зменшення щільності електронів у плазмі. Чим легше нейтральний атом, тим вище частота зіткнення, тим вище швидкість сполуки; З іншого боку, лише енергія високої іонізації екрануючого газу, щоб не збільшити щільність електронів за рахунок іонізації самого газу.

Як видно з таблиці, розмір хмари плазми змінюється залежно від використовуваного захисного газу, при цьому геліум є найменшим, а потім азотом, і найбільшим, коли використовується аргон. Чим більший розмір плазми, тим дрібніша глибина плавлення. Причина цієї різниці полягає в тому, що полягає в різній мірі іонізації молекул газу, а також через різницю дифузії пари металу, спричиненої різними щільністю захисних газів.

Гелій - це найменш іонізований і найменш щільний, і він швидко розвіяє пари підйому металу з розплавленого металевого басейну. Тому використання гелію як екрануючого газу може максимізувати придушення плазми, тим самим збільшуючи глибину розплаву та покращуючи швидкість зварювання; Нелегко викликати пористість через її легку вагу та здатність уникати. Звичайно, з наших фактичних результатів зварювання ефект захисту від газу аргону непоганий.

Плазмова хмара на глибині розплаву в зоні швидкості зварювання є найбільш очевидною. Коли швидкість зварювання збільшується, його вплив буде ослаблений.

Кінцевий газ викидається через отвір насадки при певному тиску, щоб досягти поверхні заготовки. Гідродинамічна форма насадки та розмір діаметра виходу дуже важливі. Він повинен бути достатньо великим, щоб керувати розпиленим екрануючим газом для покриття зварювальної поверхні, але для ефективного захисту об'єктива та запобігання забрудненню парів металу або пошкодження металевих розбризків об'єктива також повинен бути обмежений. Швидкість потоку також повинна контролюватися, інакше ламінарний потік екрануючого газу стає турбулентним, а атмосфера бере участь у розплавленому басейні, врешті -решт утворюючи пористість.

Для поліпшення ефекту захисту, також доступний додатковий шлях з бічним видуванням, тобто через насадку меншого діаметра буде захисним газом до певного кута безпосередньо в глибокий розплавлений отвір зварного шва. Екранний газ не тільки пригнічує плазмову хмару на поверхні заготовки, але й чинить вплив на плазму в отворі та утворення невеликого отвору, що ще більше збільшує глибину злиття та отримання більш глибокого і ширшого шва зварного шва, ніж бажано. Однак цей метод вимагає точного контролю розміру та напрямку потоку газу, інакше легко виробляти турбулентність і пошкодити басейн розплаву, в результаті чого процес зварювання важко стабілізувати.

6) Фокусна відстань об'єктива. Зварювання зазвичай використовується для фокусування того, як лазерна конвергенція, загальний вибір 63 ~ 254 мм (2,5 '~ 10 ') фокусної відстань об'єктива. Цілеспрямований розмір плями пропорційний фокусній відстані, тим коротше фокусна відстань, тим менша пляма. Але фокусна відстань також впливає на фокусну глибину, тобто фокусна глибина одночасно збільшується з фокусною відстань, тому коротка фокусна відстань може покращити щільність потужності, але через невелику фокусну глибину відстань між лінзою та заготовкою повинна бути точно підтримувана, а глибина плавлення не є великою. Через вплив бризок, що утворюється в процесі зварювання, та лазерного режиму, фактичне зварювання з використанням найкоротшої глибини фокусування більш фокусної відстань 126 мм (5 '). Коли шов великий або шва зварного шва потрібно збільшити за рахунок збільшення розміру плями, об'єктив з фокусною тривалістю 254 мм (10 ') може бути вибрано малі, що має вищу силу сили (10 '. Ефект отвору.

Коли лазерна потужність перевищує 2 кВт, особливо для 10,6 мкм лазерного променя CO2, завдяки використанню спеціальних оптичних матеріалів для формування оптичної системи, щоб уникнути ризику оптичного пошкодження лінзи фокусування, часто вибирають метод фокусування відбиття, як правило, використовуючи поліроване мідне дзеркало для рефлектора. Через ефективне охолодження його часто рекомендують для фокусування лазерного променя високої потужності.

7) положення фокусної точки. Зварювання, щоб підтримувати достатню щільність потужності, положення фокусування є критичним. Зміни в положенні фокусної точки відносно поверхні заготовки безпосередньо впливають на ширину та глибину зварювання. На малюнку 3 показано вплив положення фокусної точки на глибину розплаву та ширини шва 1018 сталі. У більшості лазерних зварювальних застосувань фокус, як правило, розміщується приблизно 1/4 бажаної глибини розплаву нижче поверхні заготовки.

8) положення лазерного променя. Коли лазерне зварювання різних матеріалів, положення лазерного променя контролює кінцеву якість зварного шва, особливо у випадку стиків, які є більш чутливими до цього, ніж колінні стики. Наприклад, коли загартовані сталеві шестерні зварені до м'яких сталевих барабанів, належне управління положенням лазерного променя полегшить виробництво зварного шва з переважно низьким вуглецевим компонентом, який має кращу стійкість до тріщин. У деяких додатках геометрія заготовки, яку потрібно зварювати, вимагає відхилення лазерного променя під кутом. Коли кут відхилення між віссю променя та площиною суглоба знаходиться в межах 100 градусів, поглинання лазерної енергії заготовкою не вплине.

9) Зварювальне початок і кінцева точка лазерного поступового підйому, поступовий контроль зниження. Лазерне глибоке злиття зварювання, незалежно від глибини зварювання, явище невеликих дірок завжди існує. Коли процес зварювання буде припинено і вимикається вимикач живлення, в кінці зварного шва з’явиться кратер. Крім того, коли лазерний шар зварювання покриває початкове зварювання, відбудеться надмірне поглинання лазерного променя, що призводить до перегріву або пористості зварювання.

Щоб запобігти вищезазначеним явищам, точки запуску та зупинки потужності можуть бути запрограмовані так, що час запуску та зупинки потужності стали регульованими, тобто вихідна потужність в електронному вигляді збільшується з нуля до встановленого значення потужності за короткий проміжок часу, а час зварювання регулюється, і нарешті потужність поступово скорочується від встановленої потужності до нульового значення, коли зведення термінується.