1.Pprinsippav lasersveising
Lasersveising kan oppnås ved kontinuerlig eller pulserende laserstråler. Prinsippet om lasersveising kan deles i termisk ledningssveising og laser dyp penetrasjonssveising. Når effekttettheten er mindre enn 104 ~ 105W / cm2, er det varmeledningssveising. På dette tidspunktet er sveisedybden grunne og sveisehastigheten er langsom. Når effekttettheten er mer enn 105 ~ 107W / cm2, er metalloverflaten innfelt i et" hulrom" under påvirkning av varme, og danner en dyp fusjonssveising. Raskt, bredt sideforhold.
Prinsippet for varmeledningslaser sveising er: laserstrålingen varmer opp overflaten som skal behandles, og overflatevarmen diffunderes til innsiden av termisk ledning. Ved å kontrollere laserparametrene som laserpulsbredde, energi, toppeffekt og repetisjonsfrekvens, smelter arbeidsstykket til et spesifikt smeltet basseng.
Lasersveisemaskinerfor tannhjulsveising og metallurgisk sveising involverer hovedsakelig laser dyp penetrasjon sveising. Følgende fokuserer på prinsippet om lasers dyp penetrasjonssveising.
Laser dyp penetrasjon sveising bruker vanligvis en kontinuerlig laserstråle for å fullføre forbindelsen av materialer. Den metallurgiske fysiske prosessen er veldig lik elektronstrålesveising, det vil si at energiomdannelsesmekanismen fullføres gjennom en" nøkkelhull" struktur. Under tilstrekkelig høy stråletetthet laserbestråling fordamper materialet og danner små hull. Dette dampfylte hullet er som en svart kropp, som absorberer nesten all energien fra den innfallende strålen. Likevektstemperaturen i hulrommet når omtrent 2500 ° C. Varme overføres fra ytterveggen til høytemperaturhulen, som smelter metallet som omgir hulrommet. Det lille hullet er fylt med høy temperatur damp generert ved kontinuerlig fordampning av veggmaterialet under bjelken. De fire veggene i det lille hullet omgir det smeltede metallet, og det flytende metallet omgir det faste materialet. (I de fleste konvensjonelle sveiseprosesser og laserledningssveising blir energien først (Avsatt på overflaten til arbeidsstykket, og deretter overført til det indre ved overføring). Væskestrømmen og veggoverflatespenningen utenfor poreveggen stemmer overens med dampen trykk som kontinuerlig genereres i porehulen og opprettholder dynamisk likevekt. Lysstrålen kommer kontinuerlig inn i det lille hullet, og materialet utenfor det lille hullet flyter kontinuerlig. Når lysstrålen beveger seg, er det lille hullet alltid i jevn flyt. Det vil si at det lille hullet og det smeltede metallet som omgir hullveggen beveger seg fremover med fremoverhastigheten til den fremre bjelken. Det smeltede metallet fyller gapet som er igjen etter at det lille hullet er fjernet og kondenserer med det, og det dannes en sveis. av dette skjer så raskt at sveisehastigheten lett kan nå flere meter i minuttet.
2.De viktigste prosessparametrene for laser dyp penetrasjon sveising
(1)Laserkraft. Det er en terskel for laserens energitetthet i lasersveising. Under denne verdien er penetrasjonsdybden veldig grunne. Når den når eller overstiger denne verdien, vil penetrasjonsdybden bli sterkt økt. Plasma genereres bare når laserstrømtettheten på arbeidsstykket overstiger en terskel (materialavhengig), noe som betyr stabil dyp penetrasjonssveising. Hvis laserkraften er lavere enn denne terskelen, oppstår bare overflatesmeltingen av arbeidsstykket, det vil si sveisingen utføres i en stabil varmeledningstype. Imidlertid når laserstrømtettheten er nær den kritiske tilstanden for dannelse av små hull, utføres dyp penetrasjonssveising og ledende sveising vekselvis, noe som blir en ustabil sveiseprosess, noe som resulterer i store svingninger i penetrasjonsdybde. Ved laserdypsveising styrer laserkraften både penetrasjonsdybde og sveisehastighet. Sveisens gjennomtrengningsdybde er direkte relatert til stråleeffekttettheten og er en funksjon av den innfallende strålekraften og strålefokuspunktet. Generelt sett øker penetrasjonsdybden for en bestemt laserstråle når stråleeffekten øker.
(2)Brennpunktets fokuspunkt. Strålepunktstørrelse er en av de viktigste variablene for lasersveising fordi den bestemmer effekttettheten. Men for lasere med høy effekt er dens måling et vanskelig problem, selv om det allerede er mange indirekte måleteknikker.
Strålens spotdiffraksjonsgrense spotstørrelse kan beregnes i henhold til teorien om lysdiffraksjon, men på grunn av aberrasjonen av fokuseringslinsen er den faktiske spotstørrelsen større enn den beregnede verdien. Den enkleste målemetoden er isotermisk profilering, som måler brennpunktet og perforeringsdiameteren etter brenning og penetrering av et polypropylenbrett med tykt papir. Denne metoden er å måle laserkraften og strålens tid gjennom målepraksis.
(3)Materiell absorpsjonsverdi. Absorpsjonen av en laser av et materiale avhenger av noen viktige egenskaper ved materialet, slik som absorpsjonsevne, reflektivitet, termisk ledningsevne, smeltetemperatur, fordampningstemperatur, etc. Den viktigste av disse er absorpsjonsevne.
Faktorene som påvirker absorpsjonshastigheten til en laserstråle av materiale inkluderer to aspekter: For det første materialet' s resistivitet. Etter å ha målt absorbansen til den polerte overflaten av materialet, er det funnet at absorbansen til materialet er proporsjonal med kvadratroten av resistiviteten, og resistiviteten varierer med temperatur og endringer; for det andre har overflatetilstanden (eller glattheten) av materialet en viktigere innflytelse på stråleabsorpsjonshastigheten, noe som har en betydelig effekt på sveiseeffekten.
Utgangsbølgelengden til en CO2-laser er vanligvis 10,6 μm. Ikke-metaller som keramikk, glass, gummi og plast har høy absorpsjonshastighet ved romtemperatur, og metallmaterialer har dårlig absorpsjon ved romtemperatur til materialet smelter og til og med gass Dens absorpsjon har økt kraftig.
Det er veldig effektivt å forbedre absorpsjonen av lysstrålen ved hjelp av metoden for overflatebelegg eller dannelsen av en oksidfilm på overflaten.
(4)Sveisehastighet. Sveisehastighet har større innvirkning på gjennomtrengningsdybde. Hvis du øker hastigheten, vil penetrasjonsdybden bli grunnere, men for lav hastighet vil føre til overdreven smelting av materialet og sveising av arbeidsstykket. Derfor er det et passende sveisehastighetsområde for et bestemt materiale med en viss laserkraft og en viss tykkelse, og den maksimale penetrasjonsdybden kan oppnås med den tilsvarende hastighetsverdien.
(5)Beskyttende gass. Lasersveiseprosessen bruker ofte inert gass for å beskytte det smeltede bassenget. Når noen materialer er sveiset, kan overflateoksidasjonen ignoreres, men beskyttelse blir ikke vurdert, men for de fleste bruksområder brukes ofte helium, argon, nitrogen og andre gasser for å beskytte arbeidsstykket. Beskyttet mot oksidasjon under sveising.
Helium er ikke lett ionisert (høyere ioniseringsenergi), noe som gjør at laseren kan passere jevnt, og strålenergien når overflaten på arbeidsstykket uhindret. Dette er den mest effektive beskyttelsesgassen som brukes i lasersveising, men den er dyrere.
Argon er billigere og har høyere tetthet, så beskyttelseseffekten er bedre. Imidlertid er det utsatt for høy temperatur metallplasmaionisering. Som et resultat beskytter den en del av lysstrålen mot å bli utstrålt til arbeidsstykket, noe som reduserer den effektive laserkraften for sveising, og ødelegger sveisehastigheten og penetrasjonen. Overflater av sveiser beskyttet med argon er jevnere enn de som er beskyttet med helium.
Nitrogen er den billigste gassen som beskyttelsesgass, men den er ikke egnet for sveising av visse typer rustfritt stål, hovedsakelig på grunn av metallurgiske problemer, som absorpsjon, og noen ganger blir det dannet porer i overlappingsområdet.
Den andre rollen ved å bruke en beskyttende gass er å beskytte den fokuserende linsen mot metalldampforurensning og spruting av væskedråper. Spesielt under kraftig lasersveising, da utkastingen blir veldig kraftig, er det mer nødvendig å beskytte linsen på dette tidspunktet.
Den tredje funksjonen til beskyttelsesgassen er å effektivt fjerne plasmaskjermen som genereres av lasersveising med høy effekt. Metaldampen absorberer laserstrålen og ioniserer i en plasmasky. Beskyttelsesgassen som omgir metaldampen ioniseres også ved oppvarming. Hvis det er for mye plasma, forbrukes laserstrålen av plasmaet til en viss grad. Plasma eksisterer på arbeidsflaten som den andre energien, noe som gjør penetrasjonen grunnere og overflaten av sveisebassenget bredere. Elektronrekombineringshastigheten økes ved å øke kollisjonen mellom elektroner med ioner og nøytrale atomer for å redusere elektrontettheten i plasmaet. Jo lettere det nøytrale atomet, jo høyere kollisjonsfrekvensen og jo høyere rekombinasjonsfrekvensen; på den annen side vil bare beskyttelsesgassen med høy ioniseringsenergi ikke øke elektrontettheten på grunn av ioniseringen av selve gassen.
Helium har den laveste ioniseringen og den laveste tettheten, og den kan raskt fjerne den stigende metallgassen som dannes fra det smeltede metallbassenget. Bruk av helium som beskyttelsesgass kan derfor undertrykke plasmaet maksimalt, og derved øke penetrasjonsdybden og sveisehastigheten. den kan unnslippe på grunn av sin lette vekt og er ikke lett å forårsake porer. Selvfølgelig, fra effekten av den faktiske sveisingen vår, er effekten av å beskytte med argon ikke dårlig.
Effekten av plasmaskyen på penetrasjon er tydeligst i regionen med lav sveisehastighet. Når sveisehastigheten øker, reduseres effekten.
Beskyttelsesgassen kastes ut på overflaten av arbeidsstykket gjennom dysen med et visst trykk. Munnstykkets hydrodynamiske form og utløpets diameter er veldig viktig. Den må være stor nok til å drive den beskyttede beskyttelsesgassen til å dekke sveiseoverflaten, men for å effektivt beskytte linsen og forhindre at metalldampforurensning eller metallspatter skader linsen, må dysestørrelsen også være begrenset. Strømningshastigheten må også kontrolleres, ellers blir beskyttelsesgassens laminære strøm turbulent, atmosfæren trekkes inn i det smeltede bassenget, og til slutt dannes porene.
For å forbedre beskyttelseseffekten kan en ekstra sideblåsingsmetode også brukes, det vil si at en beskyttelsesgass injiseres direkte i det lille hullet med dyp penetrasjonssveising gjennom en dyse med liten diameter i en viss vinkel. Beskyttelsesgassen undertrykker ikke bare plasmaskyen på overflaten av arbeidsstykket, men påvirker også plasmaet inne i hullene og dannelsen av små hull, og inntrengningsdybden økes ytterligere for å oppnå en ideell sveis med en dybde- til bredde-sammenligning. Imidlertid krever denne metoden nøyaktig kontroll av størrelsen og retningen på gassstrømmen, ellers vil det sannsynligvis oppstå turbulens og skade det smeltede bassenget, noe som gjør sveiseprosessen vanskelig å stabilisere.
(6)Brennvidde på objektivet. Ved sveising brukes fokusering vanligvis til å konvergere laseren. Vanligvis brukes en linse med en brennvidde på 63 ~ 254 mm (2,5&"; ~ 10 GG"). Brennpunktets størrelse er direkte proporsjonal med brennvidden. Jo kortere brennvidde, jo mindre er brennpunktet. Brennvidde påvirker imidlertid også brennvidde, det vil si at brennvidde øker synkront med brennvidde, slik at en kort brennvidde kan øke effekttettheten, men fordi brennvidden er liten, er avstanden mellom linsen og arbeidsstykket må vedlikeholdes nøyaktig, og gjennomtrengningsdybden er ikke stor. På grunn av effekten av sprut og lasermodus som genereres under sveisingen, er den korteste brennedybden som brukes i faktisk sveising, for det meste en brennvidde på 126 mm (5 ”). Når sømmen er stor, eller det er nødvendig å øke sveisen ved å øke punktstørrelsen, velger du et objektiv med en brennvidde på 254 mm (10 ”). I dette tilfellet kreves en høyere laserutgangseffekt (effekttetthet) for å oppnå den dypsmelte pinhole-effekten.
Når laserkraften overstiger 2kW, spesielt for CO2-laserstrålen på 10,6 μm, på grunn av bruken av spesielle optiske materialer for å danne det optiske systemet, for å unngå risikoen for optisk skade på fokuseringslinsen, er refleksjonsfokuseringsmetoden ofte brukt, og polerte kobberspeil brukes vanligvis som speil. På grunn av effektiv kjøling anbefales det ofte for laserstrålefokusering med høy effekt.
(7)Fokusposisjon. For å opprettholde tilstrekkelig effekttetthet under sveising er fokusposisjonen kritisk. Endringen av den relative posisjonen til fokus og arbeidsstykkets overflate påvirker direkte bredden og dybden på sveisen.
I de fleste lasersveiseapplikasjoner er fokuspunktets posisjon vanligvis satt til omtrent 1/4 av den nødvendige penetrasjonsdybden under overflaten til arbeidsstykket.
(8)Laserstråleposisjon. Ved lasersveising av forskjellige materialer, kontrollerer laserstrålens posisjon den endelige kvaliteten på sveisen, spesielt når det gjelder stødfuger, som er mer følsomme enn tilfellet med fangfuger. For eksempel, når tannhjul av herdet stål er sveiset til ståltrommel med lite karbon, vil riktig kontroll av laserstrålens posisjon være gunstig for produksjonen av sveiser hovedsakelig sammensatt av komponenter med lite karbon, som har bedre sprekkmotstand. I noen applikasjoner krever geometrien til det sveisede arbeidsstykket at laserstrålen avbøyes med en vinkel. Når avbøyningsvinkelen mellom stråleaksen og leddplanet er innenfor 100 grader, vil ikke arbeidsstykket' s absorpsjon av laserenergi påvirkes.
(9)Laserkraften ved begynnelsen og slutten av sveisen styres gradvis. Ved laser-dypsveising eksisterer det alltid hull i hullet uansett dybden på sveisen. Når sveiseprosessen avsluttes og strømbryteren er slått av, vises fordypninger på slutten av sveisen. I tillegg, når lasersveiselaget dekker den originale sveisesømmen, kan overdreven absorpsjon av laserstrålen oppstå, noe som resulterer i overoppheting av sveisen eller generering av porøsitet.
To forhindre at ovennevnte fenomen oppstår, kan det lages et program for start- og sluttpunktene til kraften, slik at start- og sluttiden til kraften kan justeres, det vil si at startkraften økes fra null til den innstilte effektverdien på kort tid ved elektroniske metoder, og sveisingen justeres Tid, og til slutt reduseres effekten gradvis fra den innstilte effekten til null når sveisen avsluttes.
3.Funksjoner, fordeler og ulemper ved sveising av laser dypfusjon
(1)Kjennetegn ved laser dyp penetrasjon sveising
①Høyt sideforhold. Fordi det smeltede metallet er dannet rundt det sylindriske damphulen ved høy temperatur og strekker seg mot arbeidsstykket, blir sveisesømmen dyp og smal.
②Minimum varmeinngang. Fordi temperaturen i de små hullene er veldig høy, oppstår smelteprosessen veldig raskt, varmetilførselen til arbeidsstykket er veldig lav, og varmeforvrengningen og varmepåvirket sone er liten.
③Høy tetthet. Fordi de små hullene fylt med høy temperatur damp bidrar til sveising av bassenget og gassutslipp, noe som resulterer i dannelse av porefrie penetrasjonssveiser. Den høye kjølehastigheten etter sveising gjør det enkelt å miniatyrisere sveisestrukturen.
④Sterke sveiser. På grunn av den varme varmekilden og tilstrekkelig absorpsjon av ikke-metalliske komponenter, reduseres innholdet av urenheter, størrelsen på inneslutningene og deres fordeling i det smeltede bassenget endres. Sveiseprosessen krever ikke elektroder eller fylltråder, og smeltesonen er mindre forurenset, noe som gjør sveisestyrken og seigheten minst tilsvarer eller til og med større enn det opprinnelige metallet.
⑤Nøyaktig kontroll. Fordi fokuspunktet er lite, kan sveisen plasseres med høy nøyaktighet. Laserutgangen har ingen" treghet" og kan stoppes og startes på nytt i høye hastigheter. CNC-strålebevegelsesteknologien kan sveise komplekse arbeidsstykker.
⑥Berøringsfri sveiseprosess. Fordi energien kommer fra fotonstrålen og det ikke er noen fysisk kontakt med arbeidsstykket, blir ingen ytre kraft påført arbeidsstykket. I tillegg har både magnetisk og luft ingen effekt på laseren.
(2)Advantages av laser dyp sveising
①Fokuserte lasere har en mye høyere effekttetthet enn konvensjonelle metoder, noe som resulterer i raskere sveisehastigheter, mindre varmepåvirkede soner og deformasjon, og sveising av vanskelige å sveise materialer som titan.
②Fordi strålen er enkel å overføre og kontrollere, er det ikke nødvendig å bytte sveisebrenner og dyse ofte, og det er ikke behov for vakuum for elektronstrålesveising, noe som reduserer hjelpetiden for nedleggelse betydelig, så belastningsfaktoren og produksjonseffektiviteten er høye.
③På grunn av renseeffekten og den høye kjølehastigheten, har sveisen høy styrke, seighet og omfattende ytelse.
④På grunn av den lave gjennomsnittlige varmetilførselen og den høye bearbeidingsnøyaktigheten, kan prosesseringskostnadene reduseres; i tillegg er driftskostnadene for lasersveising også lavere, noe som kan redusere prosesseringskostnadene for emnet.
⑤Det kan effektivt kontrollere stråleintensiteten og finposisjonering, og det er lett å realisere automatisk drift.
(3)Ulemper med laser dyp sveising
①WeldingsdybdeerBegrenset.
②Kravene til montering av arbeidsemne er høye.
③Ony investering i lasersystemerer høy.