1.Principod laser zavarivanje
Lasersko zavarivanje može se postići kontinuiranim ili impulsnim laserskim zrakama. Načelo laserskog zavarivanja možemo podijeliti na toplinsko vodljivo zavarivanje i lasersko zavarivanje dubokim prodorom. Kad je gustoća snage manja od 104 ~ 105 W / cm2, to je zavarivanje toplinskom provodnošću. Trenutno je dubina zavarivanja mala, a brzina zavarivanja spora. Kada je gustoća snage veća od 105 ~ 107W / cm2, metalna površina uvlači se u&"; šupljina GG"; pod djelovanjem topline, tvoreći duboko fuzijsko zavarivanje. Brz, širok omjer slike.
Načelo toplinsko-vodljivog laserskog zavarivanja je: lasersko zračenje zagrijava površinu koja se obrađuje, a površinska toplina toplinskom vodljivošću difundira u unutrašnjost. Kontrolom laserskih parametara kao što su širina laserskog impulsa, energija, vršna snaga i učestalost ponavljanja, obradak se topi da bi se dobio određeni rastopljeni bazen.
Strojevi za lasersko zavarivanjeza zavarivanje zupčanicima i metalurško zavarivanje limova uglavnom uključuje lasersko zavarivanje dubokim prodorom. Slijedi fokus na principu laserskog zavarivanja dubokim prodorom.
Lasersko zavarivanje dubokim prodorom obično koristi kontinuiranu lasersku zraku za dovršetak povezivanja materijala. Metalurški fizikalni postupak vrlo je sličan zavarivanju elektronskim snopom, tj. Mehanizam pretvorbe energije dovršen je pomoću&";&ključa"; struktura. Pod dovoljno visokim laserskim zračenjem gustoće snage, materijal isparava i stvara male rupe. Ova rupa ispunjena parom nalik je crnom tijelu, koje apsorbira gotovo svu energiju upadne zrake. Ravnotežna temperatura u šupljini doseže oko 2500 ° C. Toplina se prenosi s vanjskog zida visokotemperaturne šupljine, koja topi metal koji okružuje šupljinu. Mala rupa je ispunjena visokotemperaturnom parom koja nastaje kontinuiranim isparavanjem materijala zida ispod grede. Četiri zida male rupe okružuju rastaljeni metal, a tekući metal okružuje čvrsti materijal. (U većini konvencionalnih postupaka zavarivanja i lasersko-vodljivim zavarivanjem energija se prvo (taloži se na površini obratka, a zatim prijenosom prenosi u unutrašnjost). Protok tekućine i površinska napetost zida izvan zida pora u skladu su s parom tlak koji se kontinuirano generira u šupljini pora i održava dinamičku ravnotežu. Svjetlosna zraka neprekidno ulazi u malu rupu, a materijal izvan male rupe kontinuirano teče. Kako se svjetlosna zraka pomiče, mala rupa je uvijek u ustaljenom stanju protoka. Odnosno, mala rupa i rastaljeni metal koji okružuju zid rupe pomiču se naprijed brzinom prednje grede prema naprijed. Rastopljeni metal ispunjava prazninu koja je ostala nakon uklanjanja male rupe i kondenzira se s njom te nastaje zavar. Sve to se događa tako brzo da brzina zavarivanja može lako doseći nekoliko metara u minuti.
2.Glavni procesni parametri laserskog zavarivanja dubokim prodorom
(1)Snaga lasera. U laserskom zavarivanju postoji prag gustoće laserske energije. Ispod ove vrijednosti dubina prodiranja je vrlo plitka. Jednom kad dosegne ili premaši ovu vrijednost, dubina prodiranja će se uvelike povećati. Plazma se stvara samo kada gustoća laserske snage na izratku premaši prag (ovisno o materijalu), što znači stabilno zavarivanje dubokim prodorom. Ako je snaga lasera niža od ovog praga, dolazi samo do površinskog topljenja obratka, odnosno zavarivanje se izvodi u stabilnom tipu provođenja topline. Međutim, kada je gustoća snage lasera blizu kritičnog stanja za stvaranje malih rupa, naizmjenično se izvode zavarivanje dubokim prodorom i provodno zavarivanje, što postaje nestabilan postupak zavarivanja, što rezultira velikim fluktuacijama dubine prodiranja. U laserskom dubokom zavarivanju, snaga lasera kontrolira i dubinu prodiranja i brzinu zavarivanja. Dubina prodiranja zavara izravno je povezana s gustoćom snage snopa i funkcija je snage padajućeg snopa i žarišnog mjesta snopa. Općenito govoreći, za laserski snop određenog promjera dubina prodiranja se povećava s povećanjem snage snopa.
(2)Žarišno mjesto snopa. Veličina točkaste grede jedna je od najvažnijih varijabli za lasersko zavarivanje jer ona određuje gustoću snage. No za lasere velike snage njegovo je mjerenje težak problem, iako već postoji mnogo tehnika neizravnog mjerenja.
Veličina granične točke difrakcije zraka zraka može se izračunati prema teoriji difrakcije svjetlosti, ali zbog aberacije fokusne leće stvarna veličina točke veća je od izračunate vrijednosti. Najjednostavnija metoda mjerenja je izotermno profiliranje, kojim se mjeri žarišno mjesto i promjer perforacije nakon izgaranja i prodiranja polipropilenske ploče s debelim papirom. Ova metoda je mjerenje snage lasera i vremena snopa kroz praksu mjerenja.
(3)Vrijednost apsorpcije materijala. Apsorpcija lasera materijalom ovisi o nekim važnim svojstvima materijala, kao što su apsorptivnost, reflektivnost, toplinska vodljivost, temperatura topljenja, temperatura isparavanja itd. Najvažnija od njih je apsorptivnost.
Čimbenici koji utječu na brzinu apsorpcije laserske zrake materijalom uključuju dva aspekta: Prvo, otpornost materijala' Nakon mjerenja apsorbancije polirane površine materijala, utvrđeno je da je apsorbancija materijala proporcionalna kvadratnom korijenu otpornosti, a otpornost varira s temperaturom i promjenama; drugo, površinsko stanje (ili glatkoća) materijala ima važniji utjecaj na brzinu apsorpcije snopa, što značajno utječe na učinak zavarivanja.
Izlazna valna duljina CO2 lasera obično je 10,6 μm. Nemetali poput keramike, stakla, gume i plastike imaju visoku brzinu apsorpcije na sobnoj temperaturi, a metalni materijali imaju slabu apsorpciju na sobnoj temperaturi sve dok se materijal ne otopi, pa čak i plin Njegova apsorpcija se naglo povećala.
Vrlo je učinkovito poboljšati apsorpciju svjetlosne zrake metodom površinskog premaza ili stvaranjem oksidnog filma na površini.
(4)Brzina zavarivanja. Brzina zavarivanja ima veći utjecaj na dubinu prodiranja. Povećavanje brzine učinit će dubinu prodiranja manjom, ali preniska brzina uzrokovat će prekomjerno topljenje materijala i zavarivanje obratka. Stoga postoji prikladan raspon brzina zavarivanja za određeni materijal s određenom snagom lasera i određenom debljinom, a maksimalna dubina prodiranja može se dobiti pri odgovarajućoj vrijednosti brzine.
(5)Zaštitni plin. U postupku laserskog zavarivanja često se koristi inertni plin za zaštitu rastaljenog bazena. Kad se neki materijali zavare, površinska oksidacija može se zanemariti, ali zaštita se ne razmatra, ali za većinu primjena često se za zaštitu izratka koriste helij, argon, dušik i drugi plinovi. Zaštićeno od oksidacije tijekom zavarivanja.
Helij nije lako ionizirati (veća energija ionizacije), što omogućuje laseru da neometano prolazi, a energija snopa neometano dopire do površine obratka. Ovo je najučinkovitiji zaštitni plin koji se koristi u laserskom zavarivanju, ali je skuplji.
Argon je jeftiniji i ima veću gustoću, pa je i zaštitni učinak bolji. Međutim, osjetljiv je na visokotemperaturnu ionizaciju metalne plazme. Kao rezultat toga, on štiti dio zrake svjetlosti od zračenja na obradak, smanjujući efektivnu snagu lasera za zavarivanje i oštećujući brzinu i prodor zavarivanja. Površine zavara zaštićenih argonom glatke su od onih zaštićenih helijem.
Dušik je najjeftiniji plin kao zaštitni plin, ali nije prikladan za zavarivanje određenih vrsta nehrđajućeg čelika, uglavnom zbog metalurških problema, poput apsorpcije, a ponekad se stvaraju pore u području preklapanja.
Druga uloga upotrebe zaštitnog plina je zaštita leće za fokusiranje od onečišćenja metalne pare i prskanja kapljica tekućine. Pogotovo tijekom laserskog zavarivanja velike snage, jer izbacivanje postaje vrlo snažno, u ovo je vrijeme potrebno zaštititi leću.
Treća funkcija zaštitnog plina je učinkovito uklanjanje plazemskog štita generiranog snažnim laserskim zavarivanjem. Para metala upija lasersku zraku i ionizira se u oblak plazme. Zaštitni plin koji okružuje metalnu paru također se ionizira zagrijavanjem. Ako ima previše plazme, laserska zraka u određenoj mjeri troši plazmu. Plazma postoji na radnoj površini kao druga energija, što čini prodor plićim, a površinu bazena za zavarivanje širim. Brzina rekombinacije elektrona povećava se povećavanjem sudara elektrona s ionima i neutralnim atomima, kako bi se smanjila gustoća elektrona u plazmi. Što je neutralni atom lakši, to je veća učestalost sudara i veća je brzina rekombinacije; s druge strane, samo zaštitni plin s velikom ionizacijskom energijom neće povećati elektronsku gustoću zbog ionizacije samog plina.
Helij ima najmanju ionizaciju i najmanju gustoću, a može brzo ukloniti i porastu metalnu paru koja se stvara iz bazena rastopljenih metala. Stoga upotreba helija kao zaštitnog plina može maksimalno potisnuti plazmu, povećavajući pritom dubinu prodiranja i brzinu zavarivanja; može pobjeći zbog svoje male težine i nije lako izazvati pore. Naravno, od učinka našeg stvarnog zavarivanja, učinak zaštite argonom nije loš.
Učinak oblaka plazme na prodor najočitiji je u području male brzine zavarivanja. Kako se brzina zavarivanja povećava, njegovi se učinci smanjuju.
Zaštitni plin izbacuje se na površinu obratka kroz mlaznicu uz određeni pritisak. Hidrodinamički oblik mlaznice i promjer izlaza vrlo su važni. Mora biti dovoljno velik da pokreće raspršeni zaštitni plin da pokrije površinu za zavarivanje, ali kako bi se učinkovito zaštitila leća i spriječilo zagađenje metalne pare ili raspršivanje metala od leće, veličina mlaznice također mora biti ograničena. Također se mora kontrolirati protok, u suprotnom, laminarni protok zaštitnog plina postaje turbulentan, atmosfera se uvlači u rastopljeni bazen i na kraju nastaju pore.
Da bi se poboljšao zaštitni učinak, može se koristiti i dodatni bočni način puhanja, odnosno zaštitni plin se izravno ubrizgava u malu rupu zavarivanja dubokog prodora kroz mlaznicu malog promjera pod određenim kutom. Zaštitni plin ne samo da potiskuje oblak plazme na površini obratka, već također utječe na plazmu unutar rupa i stvaranje malih rupa, a dubina prodiranja se dodatno povećava kako bi se dobio idealan zavar s dubinom usporedba po širini. Međutim, ova metoda zahtijeva preciznu kontrolu veličine i smjera protoka plina, inače će vjerojatno doći do turbulencije i oštećenja rastopljenog bazena, što otežava stabiliziranje postupka zavarivanja.
(6)Žarišna duljina leće. Pri zavarivanju obično se koristi fokus za konvergenciju lasera. Općenito se koristi leća sa žarišnom daljinom od 63 ~ 254 mm (2,5&"; ~ 10 GG"). Veličina žarišne točke je izravno proporcionalna žarišnoj duljini. Što je žarišna duljina kraća, žarišna točka je manja. Međutim, žarišna duljina utječe i na žarišnu dubinu, tj. Žarišna dubina povećava se sinkrono sa žarišnom duljinom, pa kratka žarišna duljina može povećati gustoću snage, ali budući da je žarišna dubina mala, udaljenost između leće i obradak se mora točno održavati, a dubina prodiranja nije velika. Zbog učinaka prskanja i laserskih načina rada koji se stvaraju tijekom zavarivanja, najkraća žarišna dubina koja se koristi u stvarnom zavarivanju uglavnom je žarišna duljina od 126 mm (5 "). Kada je šav velik ili je potrebno povećati zavar povećavanjem veličine mjesta, odaberite leću žarišne duljine 254 mm (10 ”). U tom je slučaju, da bi se postigao efekt rupe u dubokom taljenju, potrebna veća laserska izlazna snaga (gustoća snage).
Kada snaga lasera prelazi 2kW, posebno za snop CO2 lasera od 10,6μm, zbog upotrebe posebnih optičkih materijala za formiranje optičkog sustava, kako bi se izbjegao rizik od optičkog oštećenja leće za fokusiranje, metoda fokusiranja refleksije je često se koriste, a polirani bakreni retrovizori obično se koriste kao ogledala. Zbog učinkovitog hlađenja, često se preporučuje za fokusiranje laserskih zraka velike snage.
(7)Položaj fokusa. Kako bi se održala dovoljna gustoća snage tijekom zavarivanja, položaj fokusa je presudan. Promjena relativnog položaja fokusa i površine obratka izravno utječe na širinu i dubinu zavara.
U većini primjena laserskog zavarivanja položaj žarišne točke obično se postavlja na oko 1/4 potrebne dubine prodiranja ispod površine obratka.
(8)Položaj laserske zrake. Kod laserskog zavarivanja različitih materijala, položaj laserske zrake kontrolira konačnu kvalitetu zavara, posebno u slučaju čeonih spojeva, koji su osjetljiviji od slučajeva preklopnih spojeva. Primjerice, kada se zupčanici iz kaljenog čelika zavare na bubnjeve od nisko-ugljičnog čelika, ispravna kontrola položaja laserske zrake bit će korisna za proizvodnju zavara koji se uglavnom sastoje od komponenata s niskim udjelom ugljika, koji imaju bolju otpornost na pukotine. U nekim primjenama, geometrija zavarenog obratka zahtijeva da se laserska zraka skrene pod kutom. Kada je kut otklona između osi snopa i ravnine zgloba unutar 100 stupnjeva, apsorpcija laserske energije obratka'
(9)Snaga lasera na početku i na kraju zavarivanja kontrolira se postupno. U laserskom dubokom zavarivanju rupe uvijek postoje bez obzira na dubinu zavara. Kad se postupak zavarivanja završi i prekidač za napajanje isključi, na kraju zavara pojavit će se rupice. Uz to, kada sloj laserskog zavarivanja prekriva izvorni šav za zavarivanje, može doći do pretjerane apsorpcije laserske zrake, što rezultira pregrijavanjem zavarivanja ili stvaranjem poroznosti.
To da se spriječi pojava gore spomenutog fenomena, može se napraviti program za početnu i završnu točku snage, tako da se može podesiti vrijeme početka i završetka snage, odnosno početna snaga se povećava s nule na postavljena vrijednost snage u kratkom vremenu elektroničkim metodama, a zavarivanje se podešava Vrijeme, i na kraju se snaga postupno smanjuje s postavljene snage na nulu kada se zavarivanje prekine.
3.Značajke, prednosti i nedostaci zavarivanja dubokim fuzijskim laserom
(1)Karakteristike laserskog zavarivanja dubokim prodorom
①Visok omjer slike. Budući da se rastaljeni metal formira oko cilindrične šupljine pare s visokom temperaturom i proteže se prema izratku, šav za zavarivanje postaje dubok i uski.
②Minimalni unos topline. Budući da je temperatura u malim rupama vrlo visoka, postupak topljenja događa se vrlo brzo, unos topline u obradak vrlo je nizak, a zona izobličenja topline i utjecaja topline je mala.
③Visoka gustoća. Budući da male rupe ispunjene visokotemperaturnom parom pogoduju miješanju bazena za zavarivanje i istjecanju plina, što rezultira stvaranjem zavara za probijanje bez pora. Velika brzina hlađenja nakon zavarivanja olakšava minijaturizaciju zavarene strukture.
④Čvrsti zavari. Zbog vrućeg izvora topline i dovoljne apsorpcije nemetalnih komponenata smanjuje se sadržaj nečistoća, mijenja se veličina inkluzija i njihova raspodjela u rastaljenom bazenu. Za postupak zavarivanja nisu potrebne elektrode ili žice za punjenje, a zona taljenja manje je onečišćena, što čini čvrstoću i žilavost zavara barem jednakom ili čak većom od matičnog metala.
⑤Precizna kontrola. Budući da je žarišno mjesto malo, zavar se može postaviti s velikom preciznošću. Laserski izlaz nema&"; inercija GG"; a može se zaustaviti i ponovno pokrenuti pri velikim brzinama. CNC tehnologija premještanja greda može zavarivati složene izratke.
⑥Postupak zavarivanja u beskontaktnoj atmosferi. Budući da energija dolazi od snopa fotona i nema fizičkog kontakta s obratkom, na obradak se ne primjenjuje vanjska sila. Uz to, i magnetni i zrak nemaju utjecaja na laser.
(2)Aprednosti laserskog dubokog zavarivanja
①Fokusirani laseri imaju puno veću gustoću snage od konvencionalnih metoda, što rezultira bržim brzinama zavarivanja, manje područja pod utjecajem topline i deformacijama te zavarivanjem materijala koji se teško zavaruju, poput titana.
②Budući da se snop lako prenosi i kontrolira, nema potrebe za čestom izmjenom gorionika i mlaznice, a za zavarivanje elektronskim snopom nije potreban vakuum, što značajno smanjuje pomoćno vrijeme isključivanja, pa faktor opterećenja i učinkovitost proizvodnje su visoke.
③Zbog učinka pročišćavanja i velike brzine hlađenja, zavar ima visoku čvrstoću, žilavost i sveobuhvatne performanse.
④Zbog niskog prosječnog unosa topline i visoke preciznosti obrade, troškovi obrade mogu se smanjiti; osim toga, troškovi rada laserskog zavarivanja također su niži, što može smanjiti troškove obrade obratka.
⑤Može učinkovito kontrolirati intenzitet snopa i fino pozicioniranje, a lako je ostvariti automatski rad.
(3)Mane laserskog dubokog zavarivanja
①Wdubina izlijevanjajeOgraničena.
②Zahtjevi za montažu obratka su visoki.
③One-vremensko ulaganje u laserske sustaveje visoko.