Lazerinio suvirinimo principas
Lazerinis suvirinimas gali būti atliekamas nuolatiniais arba impulsiniais lazerio spinduliais. Lazerinio suvirinimo principas gali būti suskirstytas į šilumos laidumo suvirinimą ir lazerinį giluminį suvirinimą. Kai galios tankis yra mažesnis nei 104–105 W/cm2, tai yra šilumos laidumo suvirinimas. Šiuo metu įsiskverbimo gylis yra mažas, o suvirinimo greitis yra lėtas; Kai galios tankis yra didesnis nei 105–107 W/cm2, metalinis paviršius kaitinant įleidžiamas į „ertmes“, suformuojant gilų įsiskverbimo suvirinimą, kuris pasižymi greitu suvirinimo greičiu ir dideliu kraštinių santykiu.
Šilumos laidumo lazerinio suvirinimo principas yra toks: lazerio spinduliuotė įkaitina apdorotą paviršių, o paviršiaus šiluma per šilumos laidumą pasklinda į vidų. Valdant lazerio impulso plotį, energiją, didžiausią galią ir pasikartojimo dažnį bei kitus lazerio parametrus, ruošinys išlydomas, kad susidarytų konkretus išlydytas baseinas. .
Lazerinio suvirinimo aparatas, naudojamas krumpliaračių suvirinimui ir metalurginiam plonų plokščių suvirinimui, daugiausia apima giluminį lazerinį suvirinimą. Toliau daugiausia dėmesio skiriama lazerinio giluminio suvirinimo principui.
Lazerinis giluminio įsiskverbimo suvirinimas paprastai naudoja nepertraukiamus lazerio spindulius, kad užbaigtų medžiagų sujungimą, o jo metalurginis fizinis procesas yra labai panašus į elektronų pluošto suvirinimą, tai yra, energijos konversijos mechanizmas užbaigiamas per „rakto skylės“ struktūrą. Švitinant pakankamai didelio galingumo tankio lazeriu, medžiaga išgaruoja ir suformuoja mažas poras. Ši maža skylė, pilna garų, yra tarsi juodas kūnas, sugeriantis beveik visą krintančio pluošto energiją, o pusiausvyros temperatūra ertmėje siekia apie 2500 0C. Šiluma perduodama iš išorinės aukštos temperatūros ertmės sienelės, kad ištirptų ertmę supantis metalas. Mažoji skylė užpildyta aukštos temperatūros garais, susidarančius nuolat garinant sienos medžiagą, apšvitinant siją, mažos skylės sienelės yra apsuptos išlydyto metalo, o skystas metalas yra apsuptas kietų medžiagų (o dauguma įprastų suvirinimo procesų ir laidinio suvirinimo lazeriu, energija pirmiausia nusėda ant ruošinio paviršiaus, o tada perduodama į vidų). Skysčio srautas už porų sienelės ir sienelės sluoksnio paviršiaus įtempimas palaiko dinaminę pusiausvyrą su nuolat generuojamu garų slėgiu porų ertmėje. Spindulys nuolat patenka į mažą skylę, o medžiaga, esanti už mažos skylės, nuolat teka. Kai spindulys juda, maža skylė visada yra stabilaus srauto būsenoje. Tai reiškia, kad maža skylė ir išlydytas metalas, supantis skylės sienelę, juda pirmyn priekinio pluošto greičiu, o išlydytas metalas užpildo mažos skylės paliktą tarpą ir tada kondensuojasi, kad susidarytų suvirinimo siūlė. Visas šis procesas vyksta taip greitai, kad suvirinimo greitis gali lengvai pasiekti kelis metrus per minutę.
02
Pagrindiniai lazerinio giluminio suvirinimo proceso parametrai
1) Lazerio galia. Suvirinant lazeriu yra ribinė lazerio energijos tankio vertė. Žemiau šios vertės įsiskverbimo gylis yra labai mažas. Pasiekus arba viršijus šią vertę, įsiskverbimo gylis labai padidės. Plazma susidaro tik tada, kai lazerio galios tankis ant ruošinio viršija ribinę vertę (priklausomai nuo medžiagos), kuri žymi stabilaus giluminio suvirinimo eigą. Jei lazerio galia yra mažesnė už šią ribą, vyksta tik ruošinio paviršiaus lydymasis, ty suvirinimas vyksta esant stabiliam šilumos laidumui. Kai lazerio galios tankis yra artimas kritinei mažų skylučių susidarymo sąlygai, pakaitomis atliekamas giluminis suvirinimas ir laidinis suvirinimas, kuris tampa nestabiliu suvirinimo procesu, dėl kurio atsiranda dideli įsiskverbimo gylio svyravimai. Lazerinio giluminio suvirinimo metu lazerio galia tuo pačiu metu valdo įsiskverbimo gylį ir suvirinimo greitį. Suvirinimo prasiskverbimas yra tiesiogiai susijęs su pluošto galios tankiu ir yra krintančio pluošto galios ir spindulio židinio taško funkcija. Apskritai, tam tikro skersmens lazerio spindulio įsiskverbimo gylis didėja didėjant spindulio galiai.
2) Spindulio židinio taškas. Spindulio taško dydis yra vienas iš svarbiausių lazerinio suvirinimo kintamųjų, nes jis lemia galios tankį. Tačiau didelės galios lazeriams jo matavimas yra sudėtinga problema, nors yra daug netiesioginių matavimo metodų.
Difrakcija ribojamas spindulio židinio taško dydis gali būti apskaičiuotas pagal šviesos difrakcijos teoriją, tačiau dėl fokusavimo objektyvo aberacijos faktinis taško dydis yra didesnis nei apskaičiuota vertė. Paprasčiausias praktinis metodas yra izoterminio profiliavimo metodas, kurio metu matuojamas židinio taškas ir perforacijos skersmuo po suanglėjimo ir storu popieriumi prasiskverbimo į polipropileno plokštę. Šis metodas turi įvaldyti lazerio galią ir spindulio veikimo laiką atliekant matavimo praktiką.
3) Medžiagos absorbcijos vertė. Medžiagų lazerio šviesos sugertis priklauso nuo kai kurių svarbių medžiagų savybių, tokių kaip sugertis, atspindėjimas, šilumos laidumas, lydymosi temperatūra, garavimo temperatūra ir kt., iš kurių svarbiausia yra sugertis.
Veiksniai, turintys įtakos medžiagos sugerties greičiui lazerio spindulyje, apima du aspektus: pirmasis yra medžiagos savitoji varža. Išmatavus medžiagos poliruoto paviršiaus sugerties greitį, nustatoma, kad medžiagos sugerties greitis yra proporcingas varžos kvadratinei šaknis, o varža kinta priklausomai nuo temperatūros. Antra, medžiagos paviršiaus būklė (arba lygumas) turi didesnę įtaką spindulio sugerties greičiui, o tai turi reikšmingos įtakos suvirinimo efektui.
CO2 lazerio išėjimo bangos ilgis paprastai yra 10,6 μm. Keramikos, stiklo, gumos, plastiko ir kitų nemetalų sugėrimo greitis kambario temperatūroje yra labai didelis, o metalinių medžiagų absorbcijos greitis yra labai prastas kambario temperatūroje, kol medžiaga išsilydo ar net dujos. Jos absorbcija smarkiai padidėja. Labai efektyvu pagerinti medžiagos šviesos spindulių sugertį naudojant paviršiaus dangą arba paviršiaus oksido plėvelę.
4) Suvirinimo greitis. Suvirinimo greitis turi didelę įtaką įsiskverbimo gyliui. Padidinus greitį, prasiskverbimas bus negilus, tačiau jei greitis bus per mažas, medžiaga per daug išsilydys ir ruošinys bus suvirintas. Todėl yra tinkamas suvirinimo greičio diapazonas konkrečiai medžiagai, turinčiai tam tikrą lazerio galią ir tam tikrą storį, o maksimalų įsiskverbimo gylį galima gauti esant atitinkamai greičio vertei. Paveiksle 10-2 parodytas ryšys tarp suvirinimo greičio ir 1018 plieno įsiskverbimo gylio.
5) Apsauginės dujos. Inertinės dujos dažnai naudojamos apsaugoti išlydytą baseiną lazerinio suvirinimo procese. Kai kai kurios medžiagos suvirinamos nepaisant paviršiaus oksidacijos, apsauga gali būti nesvarstytina, tačiau daugeliu atvejų helis, argonas, azotas ir kitos dujos dažnai naudojamos kaip apsauga ruošiniui gaminti. Apsaugotas nuo oksidacijos litavimo metu.
Helis nėra lengvai jonizuojamas (didesnė jonizacijos energija), todėl lazeris prasiskverbia sklandžiai, o pluošto energija netrukdomai pasiekia ruošinio paviršių. Tai efektyviausios apsauginės dujos, naudojamos suvirinant lazeriu, tačiau jos yra brangesnės.
Argono dujos yra pigesnės ir tankesnės, todėl apsaugos efektas geresnis. Tačiau jis yra jautrus aukštos temperatūros metalo plazmos jonizacijai, kuri apsaugo dalį pluošto nuo smūgio į ruošinį, sumažina efektyvią lazerio galią suvirinant, taip pat pažeidžia suvirinimo greitį ir prasiskverbimą. Argonu apsaugotas suvirinimo paviršius yra lygesnis nei apsaugotas heliu.
Azotas yra pigiausios apsauginės dujos, tačiau jos netinka suvirinti kai kurių rūšių nerūdijantį plieną, daugiausia dėl metalurginių problemų, tokių kaip absorbcija, dėl kurios kartais susidaro poringumas persidengimo srityje.
Antroji apsauginių dujų naudojimo funkcija yra apsaugoti fokusavimo lęšį nuo metalo garų užteršimo ir skysčio lašelių purškimo. Ypač didelio galingumo lazerinio suvirinimo metu, nes išstūmimas tampa labai galingas, šiuo metu labiau reikia apsaugoti objektyvą.
Trečioji apsauginių dujų funkcija yra ta, kad jos labai efektyviai išsklaido plazminį ekraną, susidariusį suvirinant didelės galios lazeriu. Metalo garai sugeria lazerio spindulį ir jonizuojasi į plazmos debesį, o apsauginės dujos aplink metalo garus taip pat jonizuojasi dėl karščio. Jei yra per daug plazmos, lazerio spindulį šiek tiek sunaudoja plazma. Plazma yra ant darbinio paviršiaus kaip antroji energija, dėl kurios prasiskverbimas yra negilus, o suvirinimo baseino paviršius išplatėja. Elektronų rekombinacijos greitis padidinamas didinant trijų kūnų elektronų susidūrimus su jonais ir neutraliais atomais, siekiant sumažinti elektronų tankį plazmoje. Kuo lengvesni neutralūs atomai, tuo didesnis susidūrimo dažnis ir didesnis rekombinacijos greitis; kita vertus, tik apsauginės dujos, turinčios didelę jonizacijos energiją, nepadidins elektronų tankio dėl pačių dujų jonizacijos.
Plazmos debesies dydis skiriasi priklausomai nuo naudojamų apsauginių dujų: helis yra mažiausias, azotas yra antras, o argonas yra didžiausias. Kuo didesnis plazmos dydis, tuo mažesnis įsiskverbimas. Šio skirtumo priežastis visų pirma yra dėl skirtingo dujų molekulių jonizacijos laipsnio, taip pat dėl metalo garų difuzijos skirtumo, kurį sukelia skirtingas apsauginių dujų tankis.
Helis yra mažiausiai jonizuotos ir mažiausiai tankios dujos ir greitai pašalina kylančius metalo garus, susidarančius iš išlydyto metalo vonios. Todėl helio naudojimas kaip apsauginės dujos gali maksimaliai nuslopinti plazmą, taip padidindamas įsiskverbimo gylį ir padidindamas suvirinimo greitį; dėl savo lengvo svorio gali išbėgti ir nėra lengva sukelti poras. Žinoma, iš tikro suvirinimo poveikio argono apsaugos poveikis nėra blogas.
Plazmos debesies poveikis prasiskverbimui yra akivaizdžiausias mažo suvirinimo greičio srityje. Didėjant suvirinimo greičiui, jo poveikis silpnėja.
Apsauginės dujos tam tikru slėgiu įpurškiamos per antgalį, kad pasiektų ruošinio paviršių. Labai svarbi yra antgalio hidrodinaminė forma ir išleidimo angos skersmuo. Jis turi būti pakankamai didelis, kad išpurškiamos apsauginės dujos uždengtų suvirinimo paviršių, tačiau norint veiksmingai apsaugoti lęšį ir išvengti metalo garų užteršimo ar metalo purslų, kurie nepažeistų objektyvo, purkštuko dydis taip pat turėtų būti apribotas. Srauto greitis taip pat turėtų būti kontroliuojamas, nes priešingu atveju laminarinis apsauginių dujų srautas taps turbulentinis, o atmosfera bus įtraukta į išlydytą baseiną ir galiausiai susidarys poras.
Siekiant pagerinti apsauginį efektą, galima naudoti ir papildomą šoninio pūtimo būdą, ty per mažesnio skersmens antgalį apsauginės dujos tam tikru kampu įpurškiamos tiesiai į mažą giluminio suvirinimo angą. Apsauginės dujos ne tik slopina plazmos debesį ruošinio paviršiuje, bet ir daro įtaką plazmos susidarymui bei mažoms skylutėms skylėje, dar labiau padidina įsiskverbimo gylį ir sukuria idealų gylio ir pločio santykį suvirinimo siūlę. . Tačiau šis metodas reikalauja tiksliai kontroliuoti oro srauto dydį ir kryptį, kitaip greičiausiai atsiras turbulentinis srautas ir sunaikins išsilydžiusį baseiną, todėl suvirinimo procesą sunku stabilizuoti.
6) Objektyvo židinio nuotolis. Fokusavimo metodas paprastai naudojamas lazerio kondensavimui suvirinimo metu, o objektyvas, kurio židinio nuotolis yra 63–254 mm (2,5–10 colių). Fokusavimo taško dydis yra proporcingas židinio nuotoliui, kuo trumpesnis židinio nuotolis, tuo taškas mažesnis. Tačiau židinio nuotolis taip pat turi įtakos židinio gyliui, tai yra, židinio gylis didėja sinchroniškai su židinio nuotoliu, todėl trumpas židinio nuotolis gali padidinti galios tankį, tačiau dėl mažo židinio gylio atstumas tarp objektyvo ir ruošinio turi būti tiksliai prižiūrimas, o įsiskverbimo gylis nėra didelis. Dėl suvirinimo procese susidarančių purslų ir lazerio režimo įtakos trumpiausias suvirinimo židinio gylis dažniausiai yra 126 mm (5 colių) židinio nuotolis. Kai jungtis yra didelė arba suvirinimo siūlę reikia padidinti didinant taško dydį, galite pasirinkti objektyvą, kurio židinio nuotolis yra 254 mm (10 colių). Šiuo atveju, norint pasiekti gilaus įsiskverbimo skylės efektą, reikalinga didesnė lazerio išėjimo galia (galios tankis).
Kai lazerio galia viršija 2 kW, ypač 10,6 μm CO2 lazerio spinduliui, dėl specialių optinių medžiagų naudojimo optinei sistemai formuoti, kad būtų išvengta optinio fokusavimo lęšio pažeidimo pavojaus, dažnai naudojamas atspindintis fokusavimo metodas. naudojamas, o kaip atšvaitas paprastai naudojamas poliruoto vario veidrodis. Dėl efektyvaus aušinimo dažnai rekomenduojama sufokusuoti didelės galios lazerio spindulius.
7) Fokusavimo padėtis. Suvirinant fokusavimo padėtis yra labai svarbi siekiant išlaikyti pakankamą galios tankį. Židinio taško ir ruošinio paviršiaus santykinės padėties pokyčiai tiesiogiai veikia suvirinimo plotį ir gylį. Paveikslėlyje 2-6 parodyta fokusavimo padėties įtaka 1018 plieno įsiskverbimo gyliui ir siūlės pločiui.
Daugumoje lazerinio suvirinimo programų židinio taškas paprastai yra maždaug 1/4 norimo įsiskverbimo gylio žemiau ruošinio paviršiaus.
8) Lazerio spindulio padėtis. Lazeriu suvirinant skirtingas medžiagas, lazerio spindulio padėtis kontroliuoja galutinę suvirinimo kokybę, ypač kai tai yra sandūriniai sujungimai, o ne juosmeninės jungtys. Pavyzdžiui, kai grūdinto plieno krumpliaratis suvirinamas prie švelnaus plieno būgno, tinkamas lazerio spindulio padėties valdymas padės pagaminti suvirinimo siūlę su daugiausia mažai anglies turinčiu komponentu, kuris yra santykinai atsparus įtrūkimams. Kai kuriais atvejais suvirinamo ruošinio geometrija reikalauja, kad lazerio spindulys būtų nukreiptas kampu. Kai nuokrypio kampas tarp pluošto ašies ir jungties plokštumos yra 100 laipsnių ribose, ruošinio lazerio energijos sugertis neturės įtakos.
9) Laipsniškas lazerio galios kilimo ir kritimo valdymas suvirinimo pradžios ir pabaigos taškuose. Atliekant giluminį suvirinimą lazeriu, mažos skylės visada yra, nepaisant suvirinimo gylio. Kai suvirinimo procesas baigiamas ir maitinimo jungiklis išjungiamas, suvirinimo pabaigoje atsiras duobė. Be to, kai suvirinimo lazeriu sluoksnis padengia pradinę suvirinimo siūlę, lazerio spindulys sugers per daug, todėl suvirinimas perkais arba susidarys poros.
Siekiant išvengti aukščiau nurodyto reiškinio, galios pradžios ir pabaigos taškai gali būti užprogramuoti taip, kad maitinimo pradžios ir pabaigos laikas būtų reguliuojamas, tai yra, pradinė galia elektroniniu būdu padidinama nuo nulio iki nustatytos galios vertės per trumpą laiką, ir suvirinimą galima reguliuoti. Laikas ir galiausiai galia palaipsniui mažinama nuo nustatytos galios iki nulio, kai suvirinimas baigiamas.
03
Lazerinio giluminio suvirinimo savybės ir privalumai bei trūkumai
Lazerinio giluminio suvirinimo ypatybės
1) Didelis kraštinių santykis. Kai išlydytas metalas susidaro aplink cilindrinę karštų garų ertmę ir tęsiasi ruošinio link, suvirinimo siūlė tampa gili ir siaura.
2) Minimalus šilumos suvartojimas. Kadangi mažoje skylėje temperatūra yra labai aukšta, lydymosi procesas vyksta itin greitai, šilumos patekimas į ruošinį yra labai mažas, o šiluminė deformacija ir šilumos paveikta zona nedidelė.
3) Didelis tankis. Kadangi mažos poros, užpildytos aukštos temperatūros garais, yra palankios suvirinimo baseino sujudimui ir dujų išsiskyrimui, todėl įsiskverbia siūlė be porų. Didelis aušinimo greitis po suvirinimo gali lengvai padaryti suvirinimo struktūrą smulkesnę.
4) Stiprios suvirinimo siūlės. Dėl liepsnojančio šilumos šaltinio ir pakankamo nemetalinių komponentų sugėrimo sumažėja priemaišų kiekis, keičiasi inkliuzų dydis ir pasiskirstymas išlydytame baseine. Suvirinimo procesui nereikia elektrodų ar užpildo laidų, o lydymosi zona yra mažiau užteršta, todėl suvirinimo siūlės stiprumas ir kietumas yra bent jau tokie pat arba net didesni nei pagrindinio metalo.
5) Tikslus valdymas. Kadangi sufokusuota šviesos vieta yra maža, suvirinimo siūlę galima nustatyti labai tiksliai. Lazerio išvestis neturi „inercijos“, ją galima sustabdyti ir paleisti iš naujo dideliu greičiu, o sudėtingą ruošinį galima suvirinti skaitmeninio valdymo pluošto judėjimo technologija.
6) Nekontaktinio atmosferinio suvirinimo procesas. Kadangi energija gaunama iš fotonų pluošto, nėra fizinio kontakto su ruošiniu, todėl ruošiniui neveikiama jokia išorinė jėga. Be to, magnetizmas ir oras neturi jokios įtakos lazerio šviesai.
Lazerinio giluminio suvirinimo privalumai
1) Kadangi fokusuoto lazerio galios tankis yra daug didesnis nei įprastiniais metodais, suvirinimo greitis yra greitas, šilumos paveikta zona ir deformacijos yra mažos, taip pat galima suvirinti sunkiai suvirinamas medžiagas, tokias kaip titanas.
2) Kadangi spindulį lengva perduoti ir valdyti, nereikia dažnai keisti degiklio ir antgalio, o elektronų pluošto suvirinimui nereikia vakuumo, o tai žymiai sumažina pagalbinį prastovos laiką, todėl apkrovos koeficientas ir gamybos efektyvumas yra aukštas.
3) Dėl valymo efekto ir didelio aušinimo greičio suvirinimo stiprumas, tvirtumas ir visapusiškas našumas yra aukšti.
4) Dėl mažo vidutinio šilumos kiekio ir didelio apdorojimo tikslumo galima sumažinti perdirbimo išlaidas; be to, suvirinimo lazeriu eksploatacinės išlaidos taip pat yra mažos, o tai gali sumažinti ruošinio apdorojimo išlaidas.
5) Jis gali efektyviai valdyti spindulio intensyvumą ir tikslią padėties nustatymą, be to, lengva atlikti automatinį veikimą.
Lazerinio giluminio suvirinimo trūkumai
1) Suvirinimo gylis ribotas.
2) Ruošinio surinkimo reikalavimai yra aukšti.
3) Vienkartinė investicija į lazerinę sistemą yra gana didelė
