1.Pпринциповийз ласерне зварювання
Лазерне зварювання можна досягти безперервними або імпульсними лазерними променями. Принцип лазерного зварювання можна розділити на теплопровідне зварювання та лазерне зварювання глибоким проникненням. Коли щільність потужності менше 104 ~ 105 Вт / см2, це зварювання теплопровідністю. У цей час глибина зварювання невелика, а швидкість зварювання повільна. Коли щільність потужності перевищує 105 ~ 107 Вт / см2, поверхня металу заглиблюється в ГГ "; порожнина ГГ"; під дією тепла, утворюючи зварювання глибоким плавленням. Швидке, широке співвідношення сторін.
Принцип теплової провідності лазерного зварювання полягає в тому, що лазерне випромінювання нагріває оброблювану поверхню, а тепло поверхні повертається до внутрішньої частини за рахунок теплової провідності. Контролюючи параметри лазера, такі як ширина лазерного імпульсу, енергія, пікова потужність та частота повторення, заготовка плавиться, утворюючи конкретний розплавлений пул.
Лазерні зварювальні апаратидля зварювання зубцями та металургійного листового зварювання в основному передбачається лазерне зварювання глибоким проникненням. Далі основна увага приділяється принципу лазерного зварювання глибоким проникненням.
Лазерне зварювання глибокого проникнення зазвичай використовує безперервний лазерний промінь для завершення з'єднання матеріалів. Металургійний фізичний процес дуже схожий на електронно-променеве зварювання, тобто механізм перетворення енергії добудований за допомогою" структура. При достатньо великій густині потужності лазерного опромінення матеріал випаровується і утворює невеликі отвори. Цей заповнений парою отвір схожий на чорне тіло, яке поглинає майже всю енергію падаючого променя. Температура рівноваги в порожнині досягає близько 2500 ° C. Тепло передається від зовнішньої стінки високотемпературної порожнини, яка розплавляє метал, що оточує порожнину. Маленький отвір заповнюється високотемпературною парою, що утворюється при безперервному випаровуванні матеріалу стіни під балкою. Чотири стінки невеликого отвору оточують розплавлений метал, а рідкий метал оточує твердий матеріал. (У більшості звичайних зварювальних процесів та лазерно-провідникового зварювання енергія спочатку (наноситься на поверхню заготовки, а потім передається всередину шляхом перенесення). Потік рідини та поверхневий натяг стінки поза стінки пор відповідають пару тиск, який постійно генерується в порожнині пор і підтримує динамічну рівновагу. Світловий промінь постійно потрапляє в малий отвір, а матеріал поза малим отвором безперервно тече. Коли промінь світла рухається, малий отвір завжди знаходиться в стаціонарному стані потоку. Тобто маленький отвір і розплавлений метал, що оточує стінку отвору, рухаються вперед із швидкістю прямої балки вперед. Розплавлений метал заповнює зазор, що залишився після видалення невеликого отвору і конденсується разом з ним, і утворюється зварений шов. це відбувається настільки швидко, що швидкість зварювання може легко досягати декількох метрів на хвилину.
2.Основні технологічні параметри зварювання глибоким проникненням лазером
(1)Лазерна потужність. Існує поріг густини енергії лазера при лазерному зварюванні. Нижче цього значення глибина проникнення дуже мала. Як тільки воно досягне або перевищить це значення, глибина проникнення буде значно збільшена. Плазма генерується лише тоді, коли щільність потужності лазера на заготовці перевищує поріг (залежно від матеріалу), що означає стабільне зварювання глибоким проникненням. Якщо потужність лазера нижча за цей поріг, відбувається лише плавлення поверхні заготовки, тобто зварювання виконується в стабільному типі теплопровідності. Однак, коли щільність потужності лазера близька до критичного стану для утворення невеликих отворів, поперемінно виконуються зварювання глибоким проникненням та електропровідне зварювання, що стає нестабільним процесом зварювання, що призводить до великих коливань глибини проникнення. При глибокому зварюванні лазером потужність лазера контролює як глибину проникнення, так і швидкість зварювання. Глибина проникнення зварного шва безпосередньо залежить від щільності потужності пучка і є функцією потужності падаючого пучка та фокусної плями пучка. Взагалі кажучи, для певного діаметра лазерного променя глибина проникнення зростає із збільшенням потужності пучка.
(2)Фокусне пляма променя. Розмір плями променя є однією з найважливіших змінних для лазерного зварювання, оскільки він визначає щільність потужності. Але для потужних лазерів його вимірювання є складною проблемою, хоча вже існує багато методів непрямого вимірювання.
Граничний розмір плями дифракції плями променя можна розрахувати згідно з теорією дифракції світла, але через аберацію фокусуючої лінзи фактичний розмір плями більший, ніж розраховане значення. Найпростіший метод вимірювання - ізотермічне профілювання, яке вимірює фокусну пляму та діаметр перфорації після випалювання та проникнення поліпропіленової дошки щільним папером. Цей метод полягає у вимірюванні потужності лазера та часу променя шляхом практики вимірювань.
(3)Значення поглинання матеріалу. Поглинання лазера матеріалом залежить від деяких важливих властивостей матеріалу, таких як поглинальна здатність, відбивна здатність, теплопровідність, температура плавлення, температура випаровування тощо. Найважливіша з них - поглинальна здатність.
Фактори, що впливають на швидкість поглинання лазерного променя матеріалом, включають два аспекти: По-перше, опір матеріалу' Після вимірювання поглинання полірованої поверхні матеріалу виявляється, що поглинання матеріалу пропорційне квадратному кореню опору, а питомий опір змінюється залежно від температури А; по-друге, поверхневий стан (або гладкість) матеріалу має більш важливий вплив на швидкість поглинання балки, що суттєво впливає на зварювальний ефект.
Вихідна довжина хвилі СО2-лазера зазвичай становить 10,6 мкм. Неметали, такі як кераміка, скло, гума та пластик, мають високу швидкість поглинання при кімнатній температурі, а металеві матеріали мають погану абсорбцію при кімнатній температурі, поки матеріал не розплавиться і навіть газ Його поглинання різко зросло.
Дуже ефективно поліпшити поглинання світлового променя методом поверхневого покриття або утворення на поверхні оксидної плівки.
(4)Швидкість зварювання. Швидкість зварювання має більший вплив на глибину проникнення. Збільшення швидкості зробить глибину проникнення меншою, але занадто низька швидкість спричинить надмірне плавлення матеріалу та зварювання заготовки. Отже, існує відповідний діапазон швидкостей зварювання для певного матеріалу з певною потужністю лазера та певною товщиною, і максимальна глибина проникнення може бути отримана за відповідного значення швидкості.
(5)Захисний газ. У процесі лазерного зварювання часто використовується інертний газ для захисту розплавленого басейну. При зварюванні деяких матеріалів на поверхневе окислення можна нехтувати, проте захист не розглядається, проте для більшості застосувань для захисту заготовки часто використовують гелій, аргон, азот та інші гази. Захищений від окислення під час зварювання.
Гелій не легко іонізується (більша енергія іонізації), що дозволяє лазеру плавно проходити, а енергія пучка безперешкодно досягає поверхні заготовки. Це найефективніший захисний газ, що використовується при лазерному зварюванні, але він дорожчий.
Аргон дешевший і має вищу щільність, тому захисний ефект кращий. Однак він схильний до високотемпературної іонізації металевої плазми. В результаті він захищає частину світлового променя від випромінювання на заготовку, зменшуючи ефективну потужність лазера для зварювання та пошкоджуючи швидкість зварювання та проникнення. Поверхні зварних швів, захищених аргоном, є більш гладкими, ніж захищені гелієм.
Азот є найдешевшим газом як захисний газ, але він не підходить для зварювання певних типів нержавіючої сталі, головним чином через металургійні проблеми, такі як поглинання, а іноді в області перекриття створюються пори.
Друга роль використання захисного газу - захист фокусуючої лінзи від забруднення парами металу та розпилення крапель рідини. Особливо під час потужного лазерного зварювання, оскільки викид стає дуже потужним, в цей час більш необхідним є захист лінзи.
Третя функція захисного газу - ефективно розсіювати плазмовий екран, генерований потужним лазерним зварюванням. Пара металу поглинає промінь лазера і іонізується в хмару плазми. Захисний газ, що оточує пару металу, також іонізується при нагріванні. Якщо плазми забагато, лазерний промінь певною мірою споживається плазмою. Плазма існує на робочій поверхні як друга енергія, що робить проникнення меншим, а поверхню зварювального басейну ширшою. Швидкість електронної рекомбінації збільшується за рахунок збільшення зіткнення електронів з іонами та нейтральними атомами, щоб зменшити електронну густину в плазмі. Чим легший нейтральний атом, тим вища частота зіткнень і вища швидкість рекомбінації; з іншого боку, лише захисний газ з високою енергією іонізації не збільшить електронну густину через іонізацію самого газу.
Гелій має найменшу іонізацію і найнижчу щільність, і він може швидко видаляти висхідні пари металу, що утворюються з басейну розплавленого металу. Отже, використання гелію як захисного газу може максимально придушити плазму, збільшуючи тим самим глибину проникнення та швидкість зварювання; він може втекти через свою малу вагу і нелегко викликати пори. Звичайно, від ефекту нашого фактичного зварювання ефект захисту аргоном непоганий.
Вплив хмари плазми на проникнення найбільш очевидний в області низьких швидкостей зварювання. Зі збільшенням швидкості зварювання його ефекти зменшуються.
Захисний газ викидається на поверхню заготовки через сопло з певним тиском. Гідродинамічна форма форсунки та діаметр отвору дуже важливі. Він повинен бути достатньо великим для руху розпиленого захисного газу, щоб покрити зварювальну поверхню, але для того, щоб ефективно захистити лінзу та запобігти забрудненню лінзи парами металу або бризками металу, розмір сопла також повинен бути обмежений. Слід також контролювати швидкість потоку, інакше ламінарний потік захисного газу стає турбулентним, атмосфера втягується в розплавлений басейн і, зрештою, утворюються пори.
Для поліпшення захисного ефекту також може бути використаний додатковий метод бічного продування, тобто захисний газ безпосередньо впорскується в невеликий отвір зварювання глибокого проникнення через сопло малого діаметра під певним кутом. Захисний газ не тільки пригнічує плазмову хмару на поверхні заготовки, але також впливає на плазму всередині отворів та утворення невеликих отворів, а глибина проникнення додатково збільшується для отримання ідеального зварного шва з глибиною порівняння за шириною. Однак цей метод вимагає точного контролю величини та напрямку потоку газу, інакше можлива поява турбулентності та пошкодження розплавленого басейну, що ускладнює стабілізацію процесу зварювання.
(6)Фокусна відстань об’єктива. При зварюванні зазвичай використовується фокусування для сходження лазера. Як правило, використовується лінза з фокусною відстанню 63 ~ 254 мм (2,5 ГГ на ~ 10 ГГ на квадрат). Розмір фокусної плями прямо пропорційний фокусній відстані. Чим коротша фокусна відстань, тим менша фокусна пляма. Однак фокусна відстань також впливає на фокусну глибину, тобто фокусна глибина збільшується синхронно з фокусною відстанню, тому коротка фокусна відстань може збільшити щільність потужності, але оскільки фокусна глибина невелика, відстань між лінзою та заготовка повинна бути точно утримана, а глибина проникнення не велика. Через вплив бризок і лазерних режимів, що утворюються під час зварювання, найкоротша фокусна глибина, яка використовується при фактичному зварюванні, в основному становить фокусна відстань 126 мм (5 ”). Коли шов великий або потрібно збільшити зварювальний шов, збільшивши розмір плями, виберіть лінзу з фокусною відстанню 254 мм (10 ”). У цьому випадку, для досягнення ефекту глибокого розплавлення, необхідна більша вихідна потужність лазера (щільність потужності).
Коли потужність лазера перевищує 2 кВт, особливо для пучка лазера СО2 10,6 мкм, завдяки використанню спеціальних оптичних матеріалів для формування оптичної системи, щоб уникнути ризику оптичного пошкодження фокусуючої лінзи, застосовується метод фокусування відбиття часто використовуються, а поліровані мідні дзеркала зазвичай використовують як дзеркала. Завдяки ефективному охолодженню його часто рекомендують використовувати для потужного фокусування лазерного променя.
(7)Позиція фокусу. Для підтримання достатньої щільності потужності під час зварювання критичне положення фокусування. Зміна взаємного положення фокусу і поверхні заготовки безпосередньо впливає на ширину і глибину зварного шва.
У більшості застосувань лазерного зварювання положення фокусної точки зазвичай встановлюється приблизно на 1/4 необхідної глибини проникнення під поверхню заготовки.
(8)Положення лазерного променя. При лазерному зварюванні різних матеріалів положення лазерного променя контролює остаточну якість зварного шва, особливо у випадку стикових з'єднань, які є більш чутливими, ніж у випадку колінних з'єднань. Наприклад, коли зварені сталеві шестерні приварені до барабанів із низьковуглецевою сталлю, правильний контроль положення лазерного променя буде корисним для виготовлення зварних швів, в основному з низьковуглецевих компонентів, які мають кращу стійкість до тріщин. У деяких додатках геометрія зварюваної заготовки вимагає відхилення променя лазера на кут. Коли кут відхилення між віссю променя і площиною з'єднання знаходиться в межах 100 градусів, заготовка' поглинання лазерної енергії не постраждає.
(9)Потужність лазера на початку та в кінці зварювання контролюється поступово. При лазерному глибокому зварюванні отвори завжди існують незалежно від глибини зварювання. Коли процес зварювання припиняється і вимикач живлення вимикається, в кінці зварного шва з’являться ямочки. Крім того, коли шар лазерного зварювання покриває вихідний зварювальний шов, може статися надмірне поглинання лазерного променя, що призводить до перегріву зварного шва або утворення пористості.
To щоб запобігти виникненню вищезгаданого явища, можна створити програму для початкової та кінцевої точок потужності, так що час початку і закінчення потужності може бути відрегульований, тобто стартова потужність збільшена з нуля до встановлене значення потужності за короткий час електронними методами, і зварювання регулюється Час, і, нарешті, потужність поступово зменшується з заданої потужності до нуля, коли зварювання припиняється.
3.Особливості, переваги та недоліки лазерного зварювання глибоким плавленням
(1)Характеристика лазерного зварювання глибоким проникненням
①Високе співвідношення сторін. Оскільки розплавлений метал утворюється навколо циліндричної високотемпературної порожнини пари і поширюється в напрямку заготовки, шов зварного шва стає глибоким і вузьким.
②Мінімальне споживання тепла. Оскільки температура в маленьких отворах дуже висока, процес плавлення відбувається дуже швидко, тепло, яке надходить до заготовки, є дуже низьким, а зона спотворення тепла та теплового впливу невелика.
③Висока щільність. Оскільки невеликі отвори, заповнені парою з високою температурою, сприяють перемішуванню зварювального басейну та виходу газу, що призводить до утворення безпірних зварних швів. Висока швидкість охолодження після зварювання полегшує мініатюризацію зварної конструкції.
④Міцні шви. Через гаряче джерело тепла та достатнє поглинання неметалевих компонентів зменшується вміст домішок, змінюється розмір включень та їх розподіл у розплавленому басейні. Для зварювального процесу не потрібні електроди або присадочні дроти, а зона плавлення менш забруднена, завдяки чому міцність і в'язкість шва принаймні еквівалентні або навіть більші, ніж вихідний метал.
⑤Точний контроль. Оскільки фокусна пляма невелика, зварювальний шов може розташовуватися з високою точністю. Лазерний вихід не має" інерція" і може бути зупинений і перезапущений на високих швидкостях. Технологія переміщення балок з ЧПУ дозволяє зварювати складні заготовки.
⑥Процес зварювання в безконтактній атмосфері. Оскільки енергія надходить від пучка фотонів, і немає фізичного контакту із заготовкою, до заготовки не застосовується зовнішня сила. Крім того, як магніт, так і повітря не впливають на лазер.
(2)Aпереваги лазерного глибокого зварювання
①Фокусовані лазери мають набагато вищу щільність потужності, ніж звичайні методи, що призводить до більш швидких швидкостей зварювання, менших температурних зон і деформацій, а також зварювання важко зварюваних матеріалів, таких як титан.
②Оскільки промінь легко передавати і керувати ним, немає необхідності часто міняти зварювальний пальник і форсунку, а також не потрібен вакуум для зварювання електронно-променевим променем, що значно скорочує допоміжний час відключення, тому коефіцієнт навантаження та ефективність виробництва високі.
③Завдяки ефекту очищення та високій швидкості охолодження, зварений шов має високу міцність, в'язкість і всебічну продуктивність.
④Завдяки низькій середній витраті тепла та високій точності обробки, витрати на переробку можуть бути зменшені; крім того, витрати на експлуатацію лазерного зварювання також нижчі, що може зменшити витрати на обробку заготовки.
⑤Він може ефективно контролювати інтенсивність променя і точне позиціонування, а також легко реалізувати автоматичну роботу.
(3)Недоліки лазерного глибокого зварювання
①Wглибина виїмкиєОбмежений.
②Вимоги до складання заготовки високі.
③Oодноразові інвестиції в лазерні системиє високим.