1.Pпринципот ласер заваряване
Лазерното заваряване може да се постигне чрез непрекъснати или импулсни лазерни лъчи. Принципът на лазерното заваряване може да бъде разделен на топлопроводимо заваряване и лазерно заваряване с дълбоко проникване. Когато плътността на мощността е по-малка от 104 ~ 105W / cm2, това е топлопроводимо заваряване. По това време дълбочината на заваряване е малка и скоростта на заваряване е бавна. Когато плътността на мощността е повече от 105 ~ 107W / cm2, металната повърхност е вдлъбната в" кухина" под действието на топлина, образувайки дълбоко заваряване с топене. Бързо, широко съотношение.
Принципът на лазерното заваряване с топлопроводимост е: лазерното лъчение загрява повърхността, която ще се обработва, и повърхностната топлина се дифузира отвътре чрез топлопроводимост. Чрез контролиране на лазерните параметри като широчината на лазерния импулс, енергията, върховата мощност и честотата на повторение, детайлът се разтопява, за да образува специфичен разтопен басейн.
Машини за лазерно заваряванеза заваряване със зъбни колела и металургично заваряване с ламарина основно се включва лазерно заваряване с дълбоко проникване. По-долу се фокусира върху принципа на лазерното заваряване с дълбоко проникване.
Лазерното заваряване с дълбоко проникване обикновено използва непрекъснат лазерен лъч за завършване на свързването на материалите. Металургичният физически процес е много подобен на електронно-лъчевото заваряване, т.е. механизмът за преобразуване на енергията е завършен чрез" структура. При лазерно облъчване с достатъчно висока плътност на мощността материалът се изпарява и образува малки дупки. Тази изпълнена с пара дупка е като черно тяло, което поглъща почти цялата енергия на падащия лъч. Равновесната температура в кухината достига около 2500 ° C. Топлината се предава от външната стена на високотемпературната кухина, която топи метала, заобикалящ кухината. Малкият отвор се запълва с високотемпературна пара, генерирана от непрекъснато изпаряване на материала на стената под гредата. Четирите стени на малката дупка заобикалят разтопения метал, а течният метал заобикаля твърдия материал. (При повечето конвенционални заваръчни процеси и лазерно проводимо заваряване енергията първо се отлага (отлага се на повърхността на детайла и след това се прехвърля във вътрешността чрез пренасяне). Потокът на течността и повърхностното напрежение на стената извън стената на порите са в съответствие с парата налягане, непрекъснато генерирано в порестата кухина и поддържащо динамично равновесие. Светлинният лъч непрекъснато навлиза в малката дупка, а материалът извън малката дупка непрекъснато тече. Когато светлинният лъч се движи, малката дупка винаги е в стабилно състояние на потока. Тоест, малкият отвор и разтопеният метал, заобикалящ стената на отвора, се движат напред със скоростта напред на водещия лъч. Разтопеният метал запълва празнината, останала след отстраняването на малкия отвор и кондензира с него, и се образува заварка. Всички от това се случва толкова бързо, че скоростта на заваряване може лесно да достигне няколко метра в минута.
2.Основните параметри на процеса на лазерно заваряване с дълбоко проникване
(1)Лазерна мощност. Има лазерен праг на енергийна плътност при лазерно заваряване. Под тази стойност дълбочината на проникване е много малка. След като достигне или надвиши тази стойност, дълбочината на проникване ще бъде значително увеличена. Плазмата се генерира само когато плътността на лазерната мощност върху детайла надвишава праг (зависим от материала), което означава стабилно заваряване с дълбоко проникване. Ако мощността на лазера е по-ниска от този праг, се получава само повърхностно топене на детайла, т.е. заваряването се извършва в стабилен тип топлопроводимост. Когато обаче плътността на мощността на лазера е близо до критичното състояние за образуването на малки отвори, се заменят последователно заваряване с дълбоко проникване и проводимо заваряване, което се превръща в нестабилен процес на заваряване, което води до големи колебания в дълбочината на проникване. При дълбоко заваряване с лазер мощността на лазера контролира както дълбочината на проникване, така и скоростта на заваряване. Дълбочината на проникване на заваръчния шев е пряко свързана с плътността на мощността на лъча и е функция от мощността на падащия лъч и фокусното място на лъча. Най-общо казано за лазерен лъч с определен диаметър дълбочината на проникване се увеличава с увеличаване на мощността на лъча.
(2)Фокусно място на лъча. Размерът на лъчевите лъчи е една от най-важните променливи за лазерното заваряване, тъй като определя плътността на мощността. Но за лазерите с висока мощност измерването му е труден проблем, въпреки че вече има много техники за непряко измерване.
Граничният размер на петна на дифракцията на лъча може да бъде изчислен според теорията на дифракцията на светлината, но поради аберацията на фокусиращата леща действителният размер на петно е по-голям от изчислената стойност. Най-простият метод за измерване е изотермичното профилиране, което измерва фокусното място и диаметъра на перфорацията след изгаряне и проникване на полипропиленова дъска с дебела хартия. Този метод е да се измери мощността на лазера и времето на лъча чрез измервателна практика.
(3)Стойност на абсорбция на материала. Абсорбцията на лазер от материал зависи от някои важни свойства на материала, като абсорбция, отражателна способност, топлопроводимост, температура на топене, температура на изпаряване и др. Най-важната от тях е абсорбцията.
Факторите, които влияят върху скоростта на поглъщане на лазерен лъч от материал, включват два аспекта: Първо, съпротивлението на материала' След измерване на абсорбцията на полираната повърхност на материала се установява, че абсорбцията на материала е пропорционална на квадратния корен на съпротивлението и съпротивлението варира в зависимост от температурата и промените; второ, състоянието на повърхността (или гладкостта) на материала оказва по-важно влияние върху скоростта на поглъщане на лъча, което има значителен ефект върху ефекта на заваряване.
Дължината на вълната на изход на CO2 лазер обикновено е 10,6 μm. Неметалите като керамика, стъкло, каучук и пластмаса имат висока степен на абсорбция при стайна температура, а металните материали имат лоша абсорбция при стайна температура, докато материалът се разтопи и дори газ Абсорбцията му рязко се увеличи.
Много е ефективно да се подобри поглъщането на светлинния лъч чрез метода на повърхностното покритие или образуването на оксиден филм на повърхността.
(4)Скорост на заваряване. Скоростта на заваряване има по-голямо влияние върху дълбочината на проникване. Увеличаването на скоростта ще направи дълбочината на проникване по-плитка, но твърде ниската скорост ще доведе до прекомерно топене на материала и заваряване на детайла. Следователно има подходящ диапазон на скоростта на заваряване за определен материал с определена мощност на лазера и определена дебелина, като максималната дълбочина на проникване може да бъде получена при съответната стойност на скоростта.
(5)Защитен газ. В процеса на лазерно заваряване често се използва инертен газ за защита на разтопения басейн. Когато някои материали са заварени, повърхностното окисляване може да бъде пренебрегнато, но защитата не се разглежда, но за повечето приложения хелий, аргон, азот и други газове често се използват за защита на детайла. Защитено от окисляване по време на заваряване.
Хелийът не се йонизира лесно (по-висока йонизационна енергия), което позволява на лазера да премине плавно и енергията на лъча достига безпрепятствено повърхността на детайла. Това е най-ефективният защитен газ, използван при лазерно заваряване, но е по-скъп.
Аргонът е по-евтин и има по-висока плътност, така че защитният ефект е по-добър. Въпреки това, той е податлив на високотемпературна йонизация на металната плазма. В резултат на това той предпазва част от светлинния лъч от излъчване към детайла, намалявайки ефективната мощност на лазера за заваряване и увреждайки скоростта и проникването на заваряването. Повърхностите на заваръчните шевове, защитени с аргон, са по-гладки от тези, защитени с хелий.
Азотът е най-евтиният газ като защитен газ, но не е подходящ за заваряване на някои видове неръждаема стомана, главно поради металургични проблеми, като абсорбция, а понякога се създават пори в областта на припокриване.
Втората роля на използването на защитен газ е да предпази фокусиращата леща от замърсяване с метални пари и разпрашаване на течни капчици. Особено по време на мощно лазерно заваряване, тъй като изхвърлянето става много мощно, по-необходимо е да защитите лещата по това време.
Третата функция на защитния газ е ефективно да разсее плазмения екран, генериран от мощно лазерно заваряване. Металната пара поглъща лазерния лъч и йонизира в плазмен облак. Защитният газ, заобикалящ металните пари, също се йонизира чрез нагряване. Ако има твърде много плазма, лазерният лъч се консумира от плазмата до известна степен. Плазмата съществува на работната повърхност като втората енергия, което прави проникването по-плитко и повърхността на заваръчния басейн по-широка. Скоростта на електронна рекомбинация се увеличава чрез увеличаване на сблъсъка на електрони с йони и неутрални атоми, така че да се намали електронната плътност в плазмата. Колкото по-лек е неутралният атом, толкова по-висока е честотата на сблъсък и толкова по-висока е скоростта на рекомбинация; от друга страна, само защитният газ с висока йонизационна енергия няма да увеличи електронната плътност поради йонизацията на самия газ.
Хелийът има най-ниска йонизация и най-ниска плътност и може бързо да отстрани надигащите се метални пари, генерирани от стопения метален басейн. Следователно, използването на хелий като защитен газ може да потисне плазмата в максимална степен, като по този начин увеличава дълбочината на проникване и скоростта на заваряване; той може да избяга поради лекотата си и не е лесно да причини пори. Разбира се, от ефекта на нашето действително заваряване, ефектът на защита с аргон не е лош.
Ефектът на плазмения облак върху проникването е най-очевиден в областта с ниска скорост на заваряване. С увеличаване на скоростта на заваряване ефектите му намаляват.
Защитният газ се изхвърля към повърхността на детайла през дюзата с определено налягане. Хидродинамичната форма на дюзата и диаметърът на изхода са много важни. Той трябва да е достатъчно голям, за да задвижва пръскания защитен газ, за да покрие заваръчната повърхност, но за да се защити ефективно лещата и да се предотврати замърсяването на лещите с метални пари или метални пръски, размерът на дюзата също трябва да бъде ограничен. Скоростта на потока също трябва да се контролира, в противен случай ламинарният поток на защитния газ става турбулентен, атмосферата се изтегля в разтопения басейн и в крайна сметка се образуват пори.
За да се подобри защитният ефект, може да се използва и допълнителен метод за странично издухване, т.е. защитен газ се инжектира директно в малкия отвор за заваряване с дълбоко проникване през дюза с малък диаметър под определен ъгъл. Защитният газ не само потиска плазмения облак на повърхността на детайла, но също така оказва влияние върху плазмата вътре в отворите и образуването на малки отвори, а дълбочината на проникване допълнително се увеличава, за да се получи идеален заваръчен шев с дълбочина - сравнение по ширина. Този метод обаче изисква прецизен контрол на величината и посоката на газовия поток, в противен случай има вероятност да възникнат турбуленции и да повредят разтопения басейн, което затруднява стабилизирането на процеса на заваряване.
(6)Фокусно разстояние на обектива. При заваряване обикновено се използва фокусиране за сближаване на лазера. Обикновено се използва обектив с фокусно разстояние 63 ~ 254 mm (2,5" ~ 10"). Размерът на фокусното петно е право пропорционален на фокусното разстояние. Колкото по-кратко е фокусното разстояние, толкова по-малко е фокусното място. Фокусното разстояние обаче влияе и върху фокусната дълбочина, тоест фокусната дълбочина се увеличава синхронно с фокусното разстояние, така че краткото фокусно разстояние може да увеличи плътността на мощността, но тъй като фокусната дълбочина е малка, разстоянието между лещата и детайлът трябва да се поддържа точно и дълбочината на проникване не е голяма. Поради ефектите на пръски и лазерни режими, генерирани по време на заваряване, най-късата фокусна дълбочина, използвана при действителното заваряване, е предимно фокусно разстояние от 126 mm (5 ”). Когато шевът е голям или е необходимо да се увеличи заваряването чрез увеличаване на размера на петно, изберете леща с фокусно разстояние 254 мм (10 ”). В този случай, за да се постигне ефектът на дълбоко разтопяване, е необходима по-висока изходна мощност на лазера (плътност на мощността).
Когато мощността на лазера надвишава 2kW, особено за СО2 лазерния лъч от 10,6 μm, поради използването на специални оптични материали за формиране на оптичната система, за да се избегне рискът от оптично увреждане на фокусиращата леща, методът на фокусиране на отражението е често използвани, а полираните медни огледала обикновено се използват като огледала. Поради ефективното си охлаждане, често се препоръчва за фокусиране с мощни лазерни лъчи.
(7)Позиция на фокус. За да се поддържа достатъчна плътност на мощността по време на заваряване, положението на фокусиране е критично. Промяната на относителното положение на фокуса и повърхността на детайла пряко влияе върху ширината и дълбочината на заваръчния шев.
В повечето приложения за лазерно заваряване положението на фокусната точка обикновено се задава на около 1/4 от необходимата дълбочина на проникване под повърхността на детайла.
(8)Положение на лазерния лъч. При лазерно заваряване на различни материали, позицията на лазерния лъч контролира крайното качество на заваръчния шев, особено в случаите на челни съединения, които са по-чувствителни от случаите на криви съединения. Например, когато закалените стоманени зъбни колела са заварени към барабани с ниска въглеродна стомана, правилното управление на позицията на лазерния лъч ще бъде от полза за производството на заварки, съставени главно от нисковъглеродни компоненти, които имат по-добра устойчивост на пукнатини. В някои приложения геометрията на заварения детайл 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, поглъщането на лазерната енергия на детайла'
(9)Мощността на лазера в началото и в края на заваряването се контролира постепенно. При лазерното дълбоко заваряване дупките винаги съществуват, независимо от дълбочината на заваряването. Когато процесът на заваряване бъде прекратен и превключвателят на захранването е изключен, в края на заваръчния шев ще се появят трапчинки. Освен това, когато лазерният заваръчен слой покрива оригиналния заваръчен шев, може да възникне прекомерно поглъщане на лазерния лъч, което да доведе до прегряване на заваръчния шев или генериране на порьозност.
To за да се предотврати гореспоменатото явление, може да се направи програма за началната и крайната точка на мощността, така че времето за начало и край на мощността да може да се регулира, т.е. стартовата мощност се увеличава от нула до зададената стойност на мощността за кратко време чрез електронни методи и заваряването се регулира Time и накрая мощността постепенно намалява от зададената мощност до нула, когато заваряването се прекрати.
3.Характеристики, предимства и недостатъци на лазерно заваряване с дълбоко плавяне
(1)Характеристики на лазерното заваряване с дълбоко проникване
①Високо съотношение. Тъй като разтопеният метал се образува около цилиндричната кухина с висока температура на парата и се простира към детайла, заваръчният шев става дълбок и тесен.
②Минимално влагане на топлина. Тъй като температурата в малките отвори е много висока, процесът на топене се случва много бързо, подадената топлина към обработвания детайл е много ниска, а зоната на изкривяване на топлината и засегнатата топлина е малка.
③Висока плътност. Тъй като малките отвори, запълнени с високотемпературна пара, са благоприятни за разбъркване на заваръчния басейн и изтичане на газ, което води до образуване на безпропорционни заварки. Високата скорост на охлаждане след заваряване улеснява миниатюризирането на заваръчната структура.
④Силни заварки. Поради горещия източник на топлина и достатъчната абсорбция на неметални компоненти, съдържанието на примеси е намалено, размерът на включенията и тяхното разпределение в стопения басейн се променят. Процесът на заваряване не изисква електроди или пълнителни проводници, а зоната на топене е по-малко замърсена, което прави якостта и якостта на заваряване поне еквивалентни или дори по-големи от основния метал.
⑤Прецизен контрол. Тъй като фокусното място е малко, заваръчният шев може да бъде позициониран с висока точност. Лазерният изход няма" инерция" и може да бъде спрян и рестартиран при високи скорости. Технологията за преместване на гредата с ЦПУ може да заварява сложни детайли.
⑥Процес на безконтактно заваряване в атмосфера. Тъй като енергията идва от фотонния лъч и няма физически контакт с детайла, върху детайла не се прилага външна сила. В допълнение, както магнитният, така и въздухът нямат ефект върху лазера.
(2)Aпредимства на лазерното дълбоко заваряване
①Фокусираните лазери имат много по-висока плътност на мощността в сравнение с конвенционалните методи, което води до по-бързи скорости на заваряване, по-малко засегнати от топлината зони и деформации и заваряване на трудно заваряеми материали като титан.
②Тъй като лъчът е лесен за предаване и управление, няма нужда да се сменят често заваръчната горелка и дюзата и не е необходим вакуум за заваряване с електронни лъчи, което значително намалява спомагателното време за изключване, така че коефициентът на натоварване и ефективността на производството са високи.
③Благодарение на пречистващия ефект и високата скорост на охлаждане, заваръчният шев има висока якост, издръжливост и цялостни характеристики.
④Поради ниското средно влагане на топлина и високата точност на обработка, разходите за преработка могат да бъдат намалени; освен това разходите за лазерно заваряване също са по-ниски, което може да намали разходите за обработка на детайла.
⑤Той може ефективно да контролира интензивността на лъча и фино позициониране и е лесно да се реализира автоматична работа.
(3)Недостатъци на лазерното дълбоко заваряване
①Wдълбочина на нанасянееОграничен.
②Изискванията за сглобяване на детайла са високи.
③Oинвестиция в лазерни системивисоко е.