Принцип на лазерно заваряване
Лазерното заваряване може да се постигне чрез непрекъснати или импулсни лазерни лъчи. Принципът на лазерното заваряване може да бъде разделен на заваряване с топлопроводимост и лазерно заваряване с дълбоко проникване. Когато плътността на мощността е по-малка от 104~105 W/cm2, това е заваряване с топлопроводимост. По това време дълбочината на проникване е плитка и скоростта на заваряване е бавна; когато плътността на мощността е по-голяма от 105~107 W/cm2, металната повърхност се потапя в "кухини" чрез нагряване, образувайки заваряване с дълбоко проникване, което има Характеристиките на бърза скорост на заваряване и голямо аспектно съотношение.
Принципът на топлопроводимото лазерно заваряване е: лазерното лъчение загрява повърхността, която ще се обработва, а повърхностната топлина се разпространява навътре чрез топлопроводимост. Чрез контролиране на ширината на лазерния импулс, енергията, пиковата мощност и честотата на повторение и други лазерни параметри, детайлът се разтопява, за да се образува специфична вана от стопилка. .
Машината за лазерно заваряване, използвана за заваряване на зъбни колела и металургично заваряване на тънки плочи, включва главно лазерно заваряване с дълбоко проникване. Следното се фокусира върху принципа на лазерното заваряване с дълбоко проникване.
Лазерното заваряване с дълбоко проникване обикновено използва непрекъснати лазерни лъчи за завършване на свързването на материалите и неговият металургичен физически процес е много подобен на заваряването с електронен лъч, т.е. механизмът за преобразуване на енергия е завършен чрез структурата "ключова дупка". При лазерно облъчване с достатъчно висока плътност на мощността материалът се изпарява и образува малки пори. Тази малка дупка, пълна с пара, е като черно тяло, поглъщащо почти цялата енергия на падащия лъч, а равновесната температура в кухината достига около 2500 0C. Топлината се предава от външната стена на високотемпературната кухина, за да разтопи метала около кухината. Малкият отвор е пълен с пара с висока температура, генерирана от непрекъснатото изпаряване на материала на стената под облъчването на лъча, стените на малкия отвор са заобиколени от разтопен метал, а течният метал е заобиколен от твърди материали (докато в повечето конвенционални процеси на заваряване и лазерно проводящо заваряване, енергията първо се отлага върху повърхността на детайла и след това се транспортира до вътрешността чрез предаване). Течният поток извън стената на порите и повърхностното напрежение на слоя на стената поддържат динамичен баланс с непрекъснато генерираното налягане на парите в кухината на порите. Лъчът непрекъснато навлиза в малкия отвор и материалът извън малкия отвор непрекъснато тече. Докато лъчът се движи, малкият отвор винаги е в стабилно състояние на поток. Тоест малкият отвор и разтопеният метал, заобикалящ стената на отвора, се движат напред с предната скорост на водещия лъч и разтопеният метал запълва празнината, оставена от малкия отвор, и след това кондензира, така че да се образува заварката. Всичко това от горния процес се случва толкова бързо, че скоростта на заваряване може лесно да достигне няколко метра в минута.
02
Основните параметри на процеса на лазерно заваряване с дълбоко проникване
1) Лазерна мощност. Има прагова стойност на плътността на лазерната енергия при лазерно заваряване. Под тази стойност дълбочината на проникване е много плитка. След като тази стойност бъде достигната или надвишена, дълбочината на проникване ще се увеличи значително. Плазмата се генерира само когато плътността на мощността на лазера върху детайла надвишава прагова стойност (в зависимост от материала), което бележи напредъка на стабилното заваряване с дълбоко проникване. Ако мощността на лазера е под този праг, се извършва само повърхностно разтопяване на детайла, т.е. заваряването става със стабилна топлопроводимост. Когато плътността на мощността на лазера е близо до критичното условие за образуване на малки дупки, заваряването с дълбоко проникване и заваряването с проводимост се извършват последователно, което се превръща в нестабилен процес на заваряване, което води до големи колебания в дълбочината на проникване. По време на лазерно заваряване с дълбоко проникване мощността на лазера контролира едновременно дълбочината на проникване и скоростта на заваряване. Проникването при заваряване е пряко свързано с плътността на мощността на лъча и е функция от мощността на падащия лъч и фокусното петно на лъча. Като цяло, за лазерен лъч с определен диаметър, дълбочината на проникване се увеличава с увеличаване на мощността на лъча.
2) Фокусно петно на лъча. Размерът на петното на лъча е една от най-важните променливи при лазерното заваряване, тъй като определя плътността на мощността. Но за лазерите с висока мощност измерването му е труден проблем, въпреки че има много техники за косвено измерване.
Ограниченият от дифракция размер на петното на фокуса на лъча може да се изчисли съгласно теорията за дифракцията на светлината, но поради наличието на аберация на фокусиращата леща, действителният размер на петното е по-голям от изчислената стойност. Най-простият практически метод е методът на изотермично профилиране, който измерва фокусното петно и диаметъра на перфорацията след овъгляване и проникване в полипропиленова плоча с дебела хартия. Този метод трябва да овладее лазерната мощност и времето на действие на лъча чрез измервателна практика.
3) Стойност на абсорбцията на материала. Поглъщането на лазерна светлина от материали зависи от някои важни свойства на материалите, като абсорбция, отразяваща способност, топлопроводимост, температура на топене, температура на изпарение и др., най-важното от които е абсорбцията.
Факторите, които влияят върху степента на абсорбция на материала от лазерния лъч, включват два аспекта: първият е съпротивлението на материала. След измерване на степента на абсорбция на полираната повърхност на материала се установява, че степента на абсорбция на материала е пропорционална на корен квадратен от съпротивлението и съпротивлението варира в зависимост от температурата. Второ, състоянието на повърхността (или гладкостта) на материала има по-важно влияние върху степента на поглъщане на лъча, което има значителен ефект върху ефекта на заваряване.
Изходната дължина на вълната на CO2 лазер обикновено е 10,6 μm. Степента на абсорбция на керамика, стъкло, каучук, пластмаса и други неметали е много висока при стайна температура, докато степента на абсорбция на метални материали е много ниска при стайна температура, докато материалът се разтопи или дори газ. Неговата абсорбция се увеличава драстично. Много е ефективно да се подобри абсорбцията на светлинните лъчи от материала чрез използване на повърхностно покритие или образуване на повърхностен оксиден филм.
4) Скорост на заваряване. Скоростта на заваряване оказва голямо влияние върху дълбочината на проникване. Увеличаването на скоростта ще направи проникването плитко, но ако скоростта е твърде ниска, материалът ще бъде претопен и детайлът ще бъде заварен. Следователно има подходящ диапазон на скоростта на заваряване за конкретен материал с определена мощност на лазера и определена дебелина и максималната дълбочина на проникване може да се получи при съответната стойност на скоростта. Фигура 10-2 показва връзката между скоростта на заваряване и дълбочината на проникване на стомана 1018.
5) Защитен газ. Инертният газ често се използва за защита на разтопения басейн в процеса на лазерно заваряване. Когато някои материали се заваряват независимо от повърхностното окисляване, защитата може да не се вземе предвид, но за повечето приложения хелий, аргон, азот и други газове често се използват като защита, за да се направи детайлът защитен от окисление по време на запояване.
Хелият не се йонизира лесно (по-висока енергия на йонизация), което позволява на лазера да преминава безпроблемно и енергията на лъча достига безпрепятствено повърхността на обработвания детайл. Това е най-ефективният защитен газ, използван при лазерно заваряване, но е по-скъп.
Газът аргон е по-евтин и по-плътен, така че защитният ефект е по-добър. Въпреки това, той е податлив на високотемпературна метална плазмена йонизация, която предпазва част от лъча от удряне на детайла, намалява ефективната лазерна мощност за заваряване и също така уврежда скоростта на заваряване и проникването. Повърхността на заварката, защитена с аргон, е по-гладка от тази, когато е защитена с хелий.
Азотът е най-евтиният защитен газ, но не е подходящ за заваряване на някои видове неръждаема стомана, главно поради металургични проблеми, като абсорбция, която понякога създава порьозност в зоната на припокриване.
Втората функция на използването на защитен газ е да предпази фокусиращата леща от замърсяване с метални пари и разпръскване на течни капчици. Особено при високомощно лазерно заваряване, тъй като изхвърлянето става много мощно, е по-необходимо да се защити лещата в този момент.
Третата функция на защитния газ е, че той е много ефективен при разсейването на плазмения щит, произведен от лазерно заваряване с висока мощност. Металните пари абсорбират лазерния лъч и се йонизират в плазмен облак, а защитният газ около металните пари също се йонизира поради топлина. Ако има твърде много плазма, лазерният лъч се поглъща донякъде от плазмата. Плазмата съществува върху работната повърхност като втора енергия, което прави проникването плитко и повърхността на заваръчната вана се разширява. Скоростта на рекомбинация на електроните се увеличава чрез увеличаване на сблъсъците на три тела на електрони с йони и неутрални атоми, за да се намали електронната плътност в плазмата. Колкото по-леки са неутралните атоми, толкова по-висока е честотата на сблъсъка и по-високата скорост на рекомбинация; от друга страна, само защитният газ с висока енергия на йонизация няма да увеличи електронната плътност поради йонизацията на самия газ.
Размерът на плазмения облак варира в зависимост от използвания защитен газ, като хелият е най-малкият, азотът е вторият, а аргонът е най-големият. Колкото по-голям е размерът на плазмата, толкова по-плитко е проникването. Причината за тази разлика се дължи на първо място на различната степен на йонизация на газовите молекули, а също и на разликата в дифузията на металните пари, причинена от различните плътности на защитния газ.
Хелият е най-малко йонизираният газ с най-малка плътност и той бързо прогонва издигащите се метални пари, генерирани от банята с разтопен метал. Следователно, използването на хелий като защитен газ може да потисне плазмата в най-голяма степен, като по този начин увеличи дълбочината на проникване и увеличи скоростта на заваряване; поради лекото си тегло, той може да избяга и не е лесно да причини пори. Разбира се, от нашия действителен заваръчен ефект, ефектът от аргоновата защита не е лош.
Ефектът на плазмения облак върху проникването е най-очевиден в зоната с ниска скорост на заваряване. Ефектът му намалява с увеличаване на скоростта на заваряване.
Защитният газ се впръсква при определено налягане през дюзата, за да достигне повърхността на детайла. Хидродинамичната форма на дюзата и диаметърът на изхода са много важни. Тя трябва да е достатъчно голяма, за да задвижи разпръснатия защитен газ, за да покрие заваръчната повърхност, но за да се защити ефективно лещата и да се предотврати замърсяване на метални пари или повреда на лещата от пръскане на метал, размерът на дюзата също трябва да бъде ограничен. Скоростта на потока също трябва да се контролира, в противен случай ламинарният поток на защитния газ ще стане турбулентен и атмосферата ще бъде включена в разтопения басейн, като в крайна сметка ще образува пори.
За да се подобри защитният ефект, може да се използва и допълнителен метод на странично издухване, тоест чрез дюза с по-малък диаметър защитният газ се инжектира директно в малкия отвор на заварката с дълбоко проникване под определен ъгъл. Защитният газ не само потиска плазмения облак на повърхността на детайла, но също така оказва влияние върху образуването на плазма и малки отвори в отвора, допълнително увеличава дълбочината на проникване и получава заваръчен шев с идеално съотношение дълбочина-широчина . Въпреки това, този метод изисква прецизен контрол на размера и посоката на въздушния поток, в противен случай има вероятност да възникне турбулентен поток и да разруши разтопения басейн, което затруднява стабилизирането на процеса на заваряване.
6) Фокусно разстояние на обектива. Методът на фокусиране обикновено се използва за кондензиране на лазера по време на заваряване и обикновено се използва леща с фокусно разстояние от 63~254mm (2,5"~10"). Размерът на фокусното петно е пропорционален на фокусното разстояние, колкото по-късо е фокусното разстояние, толкова по-малко е петното. Но фокусното разстояние също влияе върху фокусната дълбочина, тоест фокусната дълбочина се увеличава синхронно с фокусното разстояние, така че късото фокусно разстояние може да увеличи плътността на мощността, но поради малката фокусна дълбочина, разстоянието между лещата и детайла трябва да се поддържа прецизно и дълбочината на проникване да не е голяма. Поради влиянието на пръски и лазерен режим, генериран в процеса на заваряване, най-късата фокусна дълбочина, използвана при действителното заваряване, е предимно фокусното разстояние от 126 mm (5"). Когато съединението е голямо или заваръчният шев трябва да се увеличи чрез увеличаване размера на точката, можете да изберете обектив с фокусно разстояние 254 mm (10"). В този случай, за да се постигне ефектът на дълбоко проникване, е необходима по-висока лазерна изходна мощност (плътност на мощността).
Когато мощността на лазера надвишава 2 kW, особено за 10,6 μm CO2 лазерен лъч, поради използването на специални оптични материали за формиране на оптичната система, за да се избегне рискът от оптично увреждане на фокусиращата леща, методът на отразяващо фокусиране често е използвани, а полирано медно огледало обикновено се използва като рефлектор. Често се препоръчва за фокусиране на мощни лазерни лъчи поради ефективното охлаждане.
7) Позиция на фокуса. При заваряване позицията на фокуса е критична, за да се поддържа достатъчна плътност на мощността. Промените в относителната позиция на фокусната точка и повърхността на детайла пряко влияят върху ширината и дълбочината на заваръчния шев. Фигура 2-6 показва ефекта от позицията на фокус върху дълбочината на проникване и ширината на шева на 1018 стомана.
В повечето приложения за лазерно заваряване фокусната точка обикновено се намира приблизително на 1/4 от желаната дълбочина на проникване под повърхността на детайла.
8) Позиция на лазерния лъч. При лазерно заваряване на различни материали, позицията на лазерния лъч контролира крайното качество на заваръчния шев, особено в случай на челни фуги, отколкото при фуги с препокриване. Например, когато зъбно колело от закалена стомана е заварено към барабан от мека стомана, правилният контрол на позицията на лазерния лъч ще помогне да се получи заваръчен шев с преобладаващо нисковъглероден компонент, който е относително устойчив на напукване. В някои приложения геометрията на детайла, който ще се заварява, изисква лазерният лъч да бъде отклонен под ъгъл. Когато ъгълът на отклонение между оста на лъча и равнината на съединението е в рамките на 100 градуса, абсорбцията на лазерна енергия от детайла няма да бъде засегната.
9) Контрол на постепенно нарастване и спадане на лазерната мощност в началната и крайната точка на заваряване. По време на лазерно заваряване с дълбоко проникване винаги има малки дупки, независимо от дълбочината на заваръчния шев. Когато процесът на заваряване бъде прекратен и превключвателят на захранването е изключен, в края на заваръчния шев ще се появи вдлъбнатина. В допълнение, когато слоят за лазерно заваряване покрива оригиналния заваръчен шев, ще настъпи прекомерно поглъщане на лазерния лъч, което ще доведе до прегряване на заваръчния шев или образуване на пори.
За да се предотврати възникването на горното явление, точките за стартиране и спиране на мощността могат да бъдат програмирани, за да направят времето за начало и край на мощността регулируеми, т.е. първоначалната мощност се увеличава по електронен път от нула до зададената стойност на мощността за кратко време, и заваряването може да се регулира. Време и накрая мощността постепенно се намалява от зададената мощност до нула, когато заваряването приключи.
03
Характеристики, предимства и недостатъци на лазерното заваряване с дълбоко проникване
Характеристики на лазерното заваряване с дълбоко проникване
1) Високо съотношение на страните. Тъй като разтопеният метал се образува около цилиндричната кухина от гореща пара и се простира към детайла, заваръчният шев става дълбок и тесен.
2) Минимално вложена топлина. Тъй като температурата в малкия отвор е много висока, процесът на топене протича изключително бързо, входящата топлина в детайла е много ниска, а термичната деформация и зоната на топлинно влияние са малки.
3) Висока плътност. Тъй като малките пори, пълни с високотемпературна пара, благоприятстват разбъркването на заваръчната вана и изтичането на газ, което води до заваръчен шев без пори. Високата скорост на охлаждане след заваряване може лесно да направи структурата на заваръчния шев по-фина.
4) Силни заварки. Поради пламтящия източник на топлина и достатъчната абсорбция на неметални компоненти, съдържанието на примеси е намалено и размерът на включванията и тяхното разпределение в разтопения басейн се променят. Процесът на заваряване не изисква електроди или телове за пълнене, а зоната на топене е по-малко замърсена, така че здравината и якостта на заваръчния шев са поне равни или дори по-високи от тези на основния метал.
5) Прецизен контрол. Тъй като фокусираното светлинно петно е малко, заваръчният шев може да бъде позициониран с висока точност. Лазерният изход няма "инерция", той може да бъде спрян и рестартиран при висока скорост, а сложният детайл може да бъде заварен с технологията за движение на лъча с цифрово управление.
6) Процес на безконтактно атмосферно заваряване. Тъй като енергията идва от фотонния лъч, няма физически контакт с детайла, така че към детайла не се прилага външна сила. Освен това магнетизмът и въздухът нямат ефект върху лазерната светлина.
Предимства на лазерното заваряване с дълбоко проникване
1) Тъй като фокусираният лазер има много по-висока плътност на мощността от конвенционалните методи, скоростта на заваряване е бърза, засегнатата от топлина зона и деформация са малки и трудни за заваряване материали като титан също могат да бъдат заварявани.
2) Тъй като лъчът е лесен за предаване и управление и няма нужда от честа смяна на горелката и дюзата и не е необходим вакуум за заваряване с електронен лъч, което значително намалява допълнителното време на престой, така че факторът на натоварване и ефективността на производството е висока.
3) Поради ефекта на пречистване и високата скорост на охлаждане, якостта на заварката, издръжливостта и цялостната производителност са високи.
4) Поради ниската средна входяща топлина и високата прецизност на обработката, разходите за повторна обработка могат да бъдат намалени; в допълнение, оперативните разходи за лазерно заваряване също са ниски, което може да намали разходите за обработка на детайла.
5) Може ефективно да контролира интензитета на лъча и финото позициониране и е лесно да се реализира автоматична работа.
Недостатъци на лазерното заваряване с дълбоко проникване
1) Дълбочината на заваряване е ограничена.
2) Изискванията за сглобяване на детайла са високи.
3) Еднократната инвестиция на лазерната система е относително висока
