Laser hàn các tham số quy trình chính

1) Công suất laser. Có một ngưỡng mật độ năng lượng laser trong hàn laser, bên dưới độ sâu của sự tan chảy là nông, và một khi giá trị này đạt được hoặc vượt quá, độ sâu của sự tan chảy tăng đáng kể. Chỉ khi mật độ công suất laser trên phôi vượt quá ngưỡng (phụ thuộc vật liệu), plasma được tạo ra, đánh dấu sự ổn định của hàn phản ứng tổng hợp sâu. Nếu công suất laser ở dưới ngưỡng này, phôi chỉ trải qua quá trình tan chảy bề mặt, tức là hàn tiến hành trong một loại truyền nhiệt ổn định. Khi mật độ công suất laser ở gần tình trạng nguy kịch của sự hình thành lỗ nhỏ, hàn và hàn phản ứng tổng hợp sâu thay thế và trở thành các quá trình hàn không ổn định, dẫn đến dao động lớn trong độ sâu tan chảy. Trong Laser Deep Fusion Hàn, công suất laser kiểm soát cả độ sâu thâm nhập và tốc độ hàn, như trong Hình 1. Độ sâu hàn của sự tan chảy có liên quan trực tiếp đến mật độ công suất chùm tia và là một chức năng của nguồn điện chùm tia và tiêu cự chùm tia tới. Nói chung, đối với một đường kính nhất định của chùm tia laser, độ sâu của sự tan chảy tăng khi công suất chùm tăng.

2) tiêu điểm chùm tia. Kích thước điểm của chùm tia là một trong những biến quan trọng nhất trong hàn laser, vì nó xác định mật độ công suất. Tuy nhiên, phép đo của nó là một thách thức đối với laser công suất cao, mặc dù nhiều kỹ thuật đo lường gián tiếp đã có sẵn.

Có thể tính toán kích thước điểm nhiễu nhiễu xạ tiêu điểm của chùm tia có thể được tính toán từ lý thuyết nhiễu xạ ánh sáng, nhưng điểm thực tế lớn hơn giá trị tính toán do sự hiện diện của quang sai ống kính tập trung. Phương pháp đo thực tế đơn giản nhất là phương pháp cấu hình đẳng nhiệt, đó là đo điểm tiêu cự và đường kính thủng sau khi đốt và xuyên qua một tấm polypropylen bằng giấy dày. Phương pháp này nên được đo bằng cách thực hành, làm chủ kích thước của công suất laser và thời gian của hành động chùm tia.

3) Giá trị hấp thụ vật liệu. Sự hấp thụ của laser bởi vật liệu phụ thuộc vào một số tính chất quan trọng của vật liệu, chẳng hạn như tốc độ hấp thụ, độ phản xạ, độ dẫn nhiệt, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ bay hơi, v.v ... quan trọng nhất là tốc độ hấp thụ.

Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ hấp thụ của vật liệu vào chùm tia laser bao gồm hai khía cạnh: thứ nhất là điện trở suất của vật liệu. Sau khi đo tốc độ hấp thụ của bề mặt được đánh bóng của vật liệu, người ta thấy rằng tốc độ hấp thụ vật liệu tỷ lệ thuận với căn bậc hai của hệ số điện trở suất, từ đó thay đổi theo nhiệt độ; Thứ hai, trạng thái bề mặt (hoặc hoàn thiện) của vật liệu có ảnh hưởng quan trọng hơn đến tốc độ hấp thụ của chùm tia, do đó có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu ứng hàn.

Bước sóng đầu ra của laser CO2 thường là 10,6μm, gốm, thủy tinh, cao su, nhựa và các kim loại khác trên tốc độ hấp thụ của nó ở nhiệt độ phòng rất cao, trong khi vật liệu kim loại ở nhiệt độ phòng khi hấp thụ của nó rất kém, cho đến khi vật liệu một khi nóng chảy hoặc thậm chí hóa hơi, sự hấp thụ của nó tăng mạnh. Việc sử dụng lớp phủ bề mặt hoặc tạo ra phương pháp màng oxit để cải thiện sự hấp thụ vật liệu vào chùm tia là rất hiệu quả.

4) Tốc độ hàn. Tốc độ hàn có tác động lớn đến độ sâu tan chảy, tăng tốc độ sẽ làm cho độ sâu tan chảy, nhưng tốc độ quá thấp và sẽ dẫn đến sự tan chảy quá mức của vật liệu, phôi được hàn xuyên qua. Do đó, một công suất laser nhất định và độ dày nhất định của một vật liệu cụ thể có phạm vi tốc độ hàn phù hợp và trong đó giá trị tốc độ tương ứng có thể thu được khi độ sâu tối đa của tan chảy. Hình 2 đưa ra mối quan hệ giữa tốc độ hàn và độ sâu tan chảy của 1018 thép.

5) Khí bảo vệ. Quá trình hàn laser thường sử dụng khí trơ để bảo vệ hồ tan chảy, khi một số vật liệu hàn bất kể quá trình oxy hóa bề mặt, thì cũng không xem xét bảo vệ, nhưng đối với hầu hết các ứng dụng thường được sử dụng helium, argon, nitơ và các loại khí khác để bảo vệ, do đó phôi khỏi quá trình hàn trong quá trình hàn.

Helium không dễ bị ion hóa (năng lượng ion hóa cao), cho phép laser đi qua và năng lượng chùm tia để tiếp cận bề mặt của phôi không bị cản trở. Nó là khí bảo vệ hiệu quả nhất được sử dụng trong hàn laser, nhưng đắt hơn.

Argon rẻ hơn và dày đặc hơn, vì vậy nó bảo vệ tốt hơn. Tuy nhiên, nó dễ bị ion hóa plasma kim loại nhiệt độ cao, dẫn đến việc che chắn một phần của chùm tia đối với phôi, làm giảm công suất laser hiệu quả để hàn và cũng làm suy yếu tốc độ hàn và độ sâu của sự tan chảy. Bề mặt của phần hàn mịn hơn với bảo vệ argon so với bảo vệ helium.

Nitơ là khí che chắn rẻ nhất, nhưng nó không phù hợp với một số loại hàn thép không gỉ, chủ yếu là do các vấn đề về mặt kim loại, chẳng hạn như sự hấp thụ, đôi khi tạo ra độ xốp trong vùng LAP.

Vai trò thứ hai của việc sử dụng khí che chắn là bảo vệ ống kính lấy nét khỏi ô nhiễm hơi kim loại và phun các giọt nóng chảy chất lỏng. Điều này đặc biệt cần thiết trong hàn laser công suất cao, nơi Ejecta trở nên rất mạnh mẽ.

Chức năng thứ ba của khí che chắn là nó có hiệu quả trong việc phân tán việc che chắn plasma được sản xuất bởi hàn laser công suất cao. Hơi kim loại hấp thụ chùm tia laser và ion hóa thành một đám mây plasma, và khí che chắn xung quanh hơi kim loại cũng được ion hóa bởi nhiệt. Nếu có quá nhiều plasma, chùm tia laser được tiêu thụ bởi huyết tương ở một mức độ nào đó. Sự hiện diện của huyết tương như một năng lượng thứ hai trên bề mặt làm việc làm cho độ sâu của sự tan chảy và bề mặt hồ hàn rộng hơn. Tốc độ tạo phức electron được tăng lên bằng cách tăng số lượng va chạm ba cơ thể điện tử và nguyên tử trung tính để giảm mật độ electron trong huyết tương. Nguyên tử trung tính càng nhẹ, tần số va chạm càng cao, tốc độ ghép càng cao; Mặt khác, chỉ có năng lượng ion hóa cao của khí che chắn, để không làm tăng mật độ electron do sự ion hóa của chính khí.

Như có thể thấy từ bảng, kích thước đám mây plasma thay đổi theo khí bảo vệ được sử dụng, với helium là nhỏ nhất, tiếp theo là nitơ và lớn nhất khi sử dụng argon. Kích thước plasma càng lớn, độ sâu nóng chảy càng nông. Lý do cho sự khác biệt này trước tiên là do mức độ ion hóa khác nhau của các phân tử khí và cũng do sự khác biệt trong sự khuếch tán của hơi kim loại do mật độ khác nhau của khí bảo vệ.

Helium là ít ion hóa nhất và ít dày đặc nhất, và nó nhanh chóng xua tan hơi kim loại tăng từ bể kim loại nóng chảy. Do đó, việc sử dụng helium làm khí che chắn có thể tối đa hóa việc ức chế huyết tương, do đó làm tăng độ sâu của sự tan chảy và cải thiện tốc độ hàn; Không dễ để gây ra độ xốp vì trọng lượng nhẹ và khả năng thoát ra. Tất nhiên, từ kết quả hàn thực tế của chúng tôi, ảnh hưởng của việc bảo vệ với khí argon là không tệ.

Đám mây plasma trên độ sâu của sự tan chảy trong vùng tốc độ hàn thấp là rõ ràng nhất. Khi tốc độ hàn tăng, ảnh hưởng của nó sẽ bị suy yếu.

Khí che chắn được đẩy ra qua vòi phun ở một áp lực nhất định để đạt đến bề mặt phôi. Hình dạng thủy động lực học của vòi và kích thước của đường kính của ổ cắm là rất quan trọng. Nó phải đủ lớn để điều khiển khí che chắn phun để che phủ bề mặt hàn, nhưng để bảo vệ ống kính một cách hiệu quả và ngăn ngừa ô nhiễm hơi kim loại hoặc thiệt hại của kim loại cho ống kính, kích thước vòi phun cũng nên bị hạn chế. Tốc độ dòng chảy cũng nên được kiểm soát, nếu không dòng khí của khí bảo vệ trở nên hỗn loạn và bầu khí quyển tham gia vào bể nóng chảy, cuối cùng hình thành độ xốp.

Để cải thiện hiệu ứng bảo vệ, cũng có sẵn cách thổi thêm bên, nghĩa là, thông qua vòi có đường kính nhỏ hơn sẽ là khí bảo vệ đến một góc nhất định trực tiếp vào lỗ hàn nóng chảy sâu. Khí che chắn không chỉ ngăn chặn đám mây plasma trên bề mặt phôi, mà còn gây ảnh hưởng đến plasma trong lỗ và sự hình thành của lỗ nhỏ, làm tăng thêm độ sâu của phản ứng tổng hợp và thu được một đường nối hàn sâu hơn và rộng hơn mong muốn. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi phải kiểm soát chính xác kích thước và hướng dòng khí, nếu không thì dễ dàng tạo ra nhiễu loạn và làm hỏng bể tan, dẫn đến quá trình hàn rất khó để ổn định.

6) Độ dài tiêu cự của ống kính. Hàn thường được sử dụng để tập trung theo cách hội tụ laser, lựa chọn chung của 63 ~ 254mm (2,5 '~ 10 ') tiêu cự của ống kính. Kích thước điểm tập trung tỷ lệ thuận với độ dài tiêu cự, chiều dài tiêu cự càng ngắn, điểm càng nhỏ. Nhưng chiều dài tiêu cự cũng ảnh hưởng đến độ sâu tiêu cự, nghĩa là độ sâu tiêu cự tăng đồng thời với chiều dài tiêu cự, do đó độ dài tiêu cự ngắn có thể cải thiện mật độ công suất, nhưng vì độ sâu tiêu cự nhỏ, khoảng cách giữa ống kính và cơ quan phải được duy trì chính xác. Do ảnh hưởng của spatter được tạo ra trong quá trình hàn và chế độ laser, hàn thực tế sử dụng độ sâu tiêu cự ngắn nhất tiêu cự hơn 126mm (5 '). hiệu ứng lỗ.

Khi công suất laser vượt quá 2kW, đặc biệt đối với chùm tia laser CO2 10,6μm, do sử dụng các vật liệu quang đặc biệt để tạo thành hệ thống quang học, để tránh nguy cơ bị tổn thương quang học cho ống kính lấy nét, thường chọn phương pháp lấy nét phản xạ, thường sử dụng gương đồng được đánh bóng cho phản xạ. Do làm mát hiệu quả, nó thường được khuyến nghị cho việc lấy nét chùm tia laser công suất cao.

7) Vị trí tiêu điểm. Hàn, để duy trì mật độ năng lượng đủ, vị trí tiêu điểm là rất quan trọng. Thay đổi vị trí của tiêu điểm so với bề mặt phôi ảnh hưởng trực tiếp đến chiều rộng và độ sâu hàn. Hình 3 cho thấy ảnh hưởng của vị trí tiêu điểm đến độ sâu của độ tan và chiều rộng đường may của 1018 thép. Trong hầu hết các ứng dụng hàn laser, tiêu điểm thường được định vị khoảng 1/4 độ sâu mong muốn của sự tan chảy bên dưới bề mặt phôi.

8) Vị trí chùm tia laser. Khi hàn laser các vật liệu khác nhau, vị trí chùm tia laser kiểm soát chất lượng cuối cùng của mối hàn, đặc biệt là trong trường hợp khớp mông nhạy cảm hơn so với khớp LAP. Ví dụ, khi các bánh răng thép cứng được hàn vào trống thép nhẹ, việc kiểm soát đúng vị trí chùm tia laser sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc sản xuất mối hàn với thành phần carbon chủ yếu thấp, có khả năng chống nứt tốt hơn. Trong một số ứng dụng, hình học của phôi được hàn đòi hỏi chùm tia laser phải bị lệch bởi một góc. Khi góc lệch giữa trục chùm tia và mặt phẳng khớp nằm trong phạm vi 100 độ, sự hấp thụ năng lượng laser của phôi sẽ không bị ảnh hưởng.

9) Điểm bắt đầu hàn và điểm cuối của năng lượng laser tăng dần, kiểm soát giảm dần. Laser Hàn tổng hợp sâu, bất kể độ sâu của mối hàn, hiện tượng của các lỗ nhỏ luôn tồn tại. Khi quá trình hàn bị chấm dứt và công tắc nguồn bị tắt, một miệng núi lửa sẽ xuất hiện ở cuối mối hàn. Ngoài ra, khi lớp hàn laser bao phủ mối hàn ban đầu, sẽ có sự hấp thụ quá mức của chùm tia laser, dẫn đến quá nóng hoặc độ xốp của mối hàn.

Để ngăn chặn các hiện tượng trên, các điểm khởi động và điểm dừng năng lượng có thể được lập trình để thời gian khởi động và dừng năng lượng trở nên có thể điều chỉnh, tức là công suất khởi động được tăng lên điện tử từ 0 đến giá trị công suất đã đặt trong một khoảng thời gian ngắn và thời gian hàn được điều chỉnh và cuối cùng công suất được giảm dần từ giá trị điện.