Lasersvejsningsprincip
Lasersvejsning kan opnås med kontinuerlige eller pulserende laserstråler. Princippet om lasersvejsning kan opdeles i varmeledningssvejsning og laser dyb penetrationssvejsning. Når effekttætheden er mindre end 104~105 W/cm2, er det varmeledningssvejsning. På dette tidspunkt er indtrængningsdybden lav, og svejsehastigheden er langsom; når effekttætheden er større end 105~107 W/cm2, sænkes metaloverfladen ned i "hulrum" ved opvarmning, hvilket danner dyb penetrationssvejsning, som har karakteristika af hurtig svejsehastighed og stort billedformat.
Princippet for varmeledningslasersvejsning er: laserstråling opvarmer overfladen, der skal behandles, og overfladevarmen diffunderer til indersiden gennem varmeledning. Ved at styre laserpulsbredden, energien, spidseffekten og gentagelsesfrekvensen og andre laserparametre smeltes emnet til en specifik smeltet pool. .
Lasersvejsemaskinen, der bruges til tandhjulssvejsning og metallurgisk tyndpladesvejsning, involverer hovedsageligt lasersvejsning med dyb penetration. Det følgende fokuserer på princippet om laser dyb penetration svejsning.
Lasersvejsning med dyb penetration bruger generelt kontinuerlige laserstråler til at fuldføre forbindelsen af materialer, og dens metallurgiske fysiske proces ligner meget elektronstrålesvejsning, det vil sige, at energikonverteringsmekanismen afsluttes gennem "nøglehuls"-strukturen. Ved laserbestråling med tilstrækkelig høj effekttæthed fordamper materialet og danner små porer. Dette lille hul fuld af damp er som en sort krop, der absorberer næsten al energien fra den indfaldende stråle, og ligevægtstemperaturen i hulrummet når omkring 2500 0C. Varmen overføres fra den ydre væg af højtemperaturhulrummet for at smelte metallet, der omgiver hulrummet. Det lille hul er fyldt med højtemperaturdamp genereret af den kontinuerlige fordampning af vægmaterialet under strålens bestråling, væggene i det lille hul er omgivet af smeltet metal, og det flydende metal er omgivet af faste materialer (mens i de fleste konventionelle svejseprocesser og laserledningssvejsning, energien først aflejret på overfladen af emnet og derefter transporteret til det indre ved transmission). Væskestrømmen uden for porevæggen og væglagets overfladespænding opretholder en dynamisk balance med det kontinuerligt genererede damptryk i porehulen. Strålen går kontinuerligt ind i det lille hul, og materialet uden for det lille hul flyder kontinuerligt. Når strålen bevæger sig, er det lille hul altid i en stabil strømningstilstand. Det vil sige, at det lille hul og det smeltede metal, der omgiver hulvæggen, bevæger sig fremad med den fremadgående hastighed af den forreste bjælke, og det smeltede metal udfylder hullet efter det lille hul og kondenserer derefter, så svejsningen dannes. Alt dette af ovenstående proces sker så hurtigt, at svejsehastighederne nemt kan nå flere meter i minuttet.
02
De vigtigste procesparametre for laser dyb penetration svejsning
1) Laserkraft. Der er en tærskelværdi for laserenergitæthed ved lasersvejsning. Under denne værdi er indtrængningsdybden meget lav. Når denne værdi er nået eller overskredet, vil indtrængningsdybden blive kraftigt forøget. Plasma genereres kun, når lasereffekttætheden på emnet overstiger en tærskelværdi (afhængigt af materialet), som markerer fremskridtet med stabil dyb penetrationssvejsning. Hvis lasereffekten er under denne tærskel, sker der kun overfladesmeltning af emnet, dvs. svejsning sker med stabil varmeledning. Når lasereffekttætheden er tæt på den kritiske betingelse for dannelse af små huller, udføres dyb penetrationssvejsning og ledningssvejsning skiftevis, hvilket bliver en ustabil svejseproces, hvilket resulterer i store udsving i penetrationsdybden. Under laser dyb penetrationssvejsning styrer laserkraften indtrængningsdybden og svejsehastigheden på samme tid. Svejsegennemtrængning er direkte relateret til stråleeffekttæthed og er en funktion af indfaldende stråleeffekt og strålefokuspunkt. Generelt for en laserstråle med en vis diameter øges penetrationsdybden, når stråleeffekten øges.
2) Stråle brændpunkt. Strålepunktstørrelsen er en af de vigtigste variabler ved lasersvejsning, fordi den bestemmer effekttætheden. Men for højeffektlasere er måling et vanskeligt problem, selvom der er mange indirekte måleteknikker.
Den diffraktionsbegrænsede pletstørrelse af strålefokuset kan beregnes i henhold til lysdiffraktionsteorien, men på grund af eksistensen af fokuseringslinseaberration er den faktiske pletstørrelse større end den beregnede værdi. Den enkleste praktiske metode er den isotermiske profileringsmetode, som måler brændpunktet og perforeringsdiameteren efter forkulning og gennemtrængning af en polypropylenplade med tykt papir. Denne metode skal mestre laserkraften og tidspunktet for strålevirkning gennem målingspraksis.
3) Materialeabsorptionsværdi. Materialernes absorption af laserlys afhænger af nogle vigtige egenskaber ved materialer, såsom absorptionsevne, reflektivitet, termisk ledningsevne, smeltetemperatur, fordampningstemperatur osv., hvoraf den vigtigste er absorptionsevne.
De faktorer, der påvirker absorptionshastigheden af materialet til laserstrålen, omfatter to aspekter: den første er materialets resistivitet. Efter måling af absorptionshastigheden af den polerede overflade af materialet, viser det sig, at absorptionshastigheden af materialet er proportional med kvadratroden af resistiviteten, og resistiviteten varierer med temperaturen. For det andet har materialets overfladetilstand (eller glathed) en vigtigere indflydelse på stråleabsorptionshastigheden, hvilket har en væsentlig effekt på svejseeffekten.
Udgangsbølgelængden af en CO2-laser er normalt 10,6 μm. Absorptionshastigheden af keramik, glas, gummi, plast og andre ikke-metaller er meget høj ved stuetemperatur, mens absorptionshastigheden af metalmaterialer er meget dårlig ved stuetemperatur, indtil materialet er smeltet eller endda gas. Dets absorption øges dramatisk. Det er meget effektivt at forbedre materialets absorption af lysstråler ved at bruge overfladebelægning eller dannelse af overfladeoxidfilm.
4) Svejsehastighed. Svejsehastigheden har stor indflydelse på indtrængningsdybden. Forøgelse af hastigheden vil gøre penetrationen overfladisk, men hvis hastigheden er for lav, vil materialet blive oversmeltet, og emnet vil blive svejset igennem. Derfor er der et passende svejsehastighedsområde for et specifikt materiale med en vis laserstyrke og en vis tykkelse, og den maksimale indtrængningsdybde kan opnås ved den tilsvarende hastighedsværdi. Figur 10-2 viser forholdet mellem svejsehastighed og indtrængningsdybde for 1018 stål.
5) Beskyttelsesgas. Inert gas bruges ofte til at beskytte den smeltede pool i lasersvejseprocessen. Når nogle materialer svejses uanset overfladeoxidation, kommer beskyttelsen muligvis ikke i betragtning, men til de fleste anvendelser bruges helium, argon, nitrogen og andre gasser ofte som beskyttelse for at gøre emnet beskyttet mod oxidation under lodning.
Helium ioniseres ikke let (højere ioniseringsenergi), hvilket tillader laseren at passere jævnt igennem, og stråleenergien når overfladen af emnet uden hindring. Dette er den mest effektive beskyttelsesgas, der bruges til lasersvejsning, men den er dyrere.
Argongas er billigere og tættere, så beskyttelseseffekten er bedre. Det er dog modtageligt for højtemperatur-metalplasma-ionisering, som afskærmer en del af strålen fra at ramme emnet, reducerer den effektive lasereffekt til svejsning og skader også svejsehastigheden og penetrationen. Overfladen af svejsningen beskyttet af argon er glattere end den, når den er beskyttet af helium.
Nitrogen er den billigste beskyttelsesgas, men den er ikke egnet til svejsning af nogle typer rustfrit stål, primært på grund af metallurgiske problemer, såsom absorption, som nogle gange giver porøsitet i det overlappende område.
Den anden funktion ved at bruge beskyttelsesgas er at beskytte fokuslinsen mod forurening af metaldamp og sputtering af væskedråber. Især ved lasersvejsning med høj effekt, fordi udstødningen bliver meget kraftig, er det mere nødvendigt at beskytte linsen på dette tidspunkt.
Beskyttelsesgassens tredje funktion er, at den er meget effektiv til at sprede plasmaskjoldet, der produceres ved lasersvejsning med høj effekt. Metaldampen absorberer laserstrålen og ioniserer til en plasmasky, og den beskyttende gas omkring metaldampen ioniseres også på grund af varme. Hvis der er for meget plasma til stede, forbruges laserstrålen noget af plasmaet. Plasma eksisterer på arbejdsfladen som en anden energi, hvilket gør penetrationen lavvandet og svejsebassinets overflade udvides. Rekombinationshastigheden af elektroner øges ved at øge de tre-legeme kollisioner af elektroner med ioner og neutrale atomer for at reducere elektrontætheden i plasmaet. Jo lettere de neutrale atomer er, jo højere kollisionsfrekvens og jo højere rekombinationshastighed; på den anden side vil kun den beskyttende gas med høj ioniseringsenergi ikke øge elektrontætheden på grund af ioniseringen af selve gassen.
Plasmaskyens størrelse varierer med den anvendte beskyttelsesgas, hvor helium er den mindste, nitrogen er den anden, og argon er den største. Jo større plasmastørrelsen er, jo mere lavvandet er penetrationen. Årsagen til denne forskel skyldes for det første den forskellige grad af ionisering af gasmolekyler, og også på grund af forskellen i diffusionen af metaldamp forårsaget af de forskellige tætheder af beskyttelsesgassen.
Helium er den mindst ioniserede og mindst tætte gas, og den driver hurtigt opstigende metaldampe fra det smeltede metalbad. Derfor kan brug af helium som beskyttelsesgas undertrykke plasmaet i størst grad, hvorved indtrængningsdybden øges og svejsehastigheden øges; på grund af sin lette vægt kan den undslippe og er ikke let at forårsage porer. Fra vores faktiske svejseeffekt er effekten af argonbeskyttelse naturligvis ikke dårlig.
Effekten af plasmasky på penetration er mest tydelig i området med lav svejsehastighed. Dens effekt aftager, når svejsehastigheden øges.
Beskyttelsesgassen injiceres ved et vist tryk gennem dysen for at nå overfladen af emnet. Den hydrodynamiske form af dysen og diameteren af udløbet er meget vigtige. Den skal være stor nok til at drive den sprøjtede beskyttelsesgas til at dække svejseoverfladen, men for effektivt at beskytte linsen og forhindre metaldamp i at forurene eller metalsprøjt i at beskadige linsen, bør størrelsen af dysen også begrænses. Strømningshastigheden bør også kontrolleres, ellers vil den laminære strøm af beskyttelsesgassen blive turbulent, og atmosfæren vil blive involveret i den smeltede pool og til sidst danne porer.
For at forbedre den beskyttende effekt kan der også anvendes en ekstra sideblæsningsmetode, det vil sige gennem en dyse med en mindre diameter sprøjtes beskyttelsesgassen direkte ind i det lille hul i den dybe penetreringssvejsning i en bestemt vinkel. Beskyttelsesgassen undertrykker ikke kun plasmaskyen på overfladen af emnet, men har også indflydelse på dannelsen af plasmaet og små huller i hullet, øger indtrængningsdybden yderligere og opnår en svejsning med et ideelt dybde-breddeforhold . Denne metode kræver dog præcis kontrol af luftstrømmens størrelse og retning, ellers vil der sandsynligvis opstå turbulent strømning og ødelægge det smeltede bassin, hvilket gør svejseprocessen svær at stabilisere.
6) Linsens brændvidde. Fokuseringsmetoden bruges normalt til at kondensere laseren under svejsning, og en linse med en brændvidde på 63~254 mm (2,5"~10") bruges generelt. Fokuspunktstørrelsen er proportional med brændvidden, jo kortere brændvidden er, jo mindre punkt. Men brændvidden påvirker også brændvidden, det vil sige brændvidden øges synkront med brændvidden, så en kort brændvidde kan øge effekttætheden, men på grund af den lille brændvidde er afstanden mellem linsen og emnet skal vedligeholdes præcist, og indtrængningsdybden er ikke stor. På grund af påvirkningen af sprøjt og lasertilstand, der genereres i svejseprocessen, er den korteste brændvidde, der bruges ved egentlig svejsning, for det meste brændvidden på 126 mm (5"). Når samlingen er stor, eller svejsesømmen skal øges ved at øge spotstørrelsen, kan du vælge et objektiv med en brændvidde på 254 mm (10"). I dette tilfælde kræves en højere laserudgangseffekt (effekttæthed) for at opnå den dybe penetrerende nålehulseffekt.
Når lasereffekten overstiger 2kW, især for 10,6μm CO2 laserstrålen, på grund af brugen af specielle optiske materialer til at danne det optiske system, for at undgå risikoen for optisk beskadigelse af fokuslinsen, er den reflekterende fokuseringsmetode ofte brugt, og et poleret kobberspejl bruges generelt som reflektor. Det anbefales ofte til fokusering af laserstråler med høj effekt på grund af effektiv afkøling.
7) Fokusposition. Ved svejsning er fokuspositionen kritisk for at opretholde tilstrækkelig effekttæthed. Ændringer i den relative position af brændpunktet og emnets overflade påvirker direkte svejsningens bredde og dybde. Figur 2-6 viser effekten af fokusposition på indtrængningsdybde og sømbredde af 1018 stål.
I de fleste lasersvejseapplikationer er brændpunktet typisk placeret ca. 1/4 af den ønskede penetrationsdybde under emnets overflade.
8) Laserstråleposition. Ved lasersvejsning af forskellige materialer styrer laserstrålepositionen den endelige kvalitet af svejsningen, især i tilfælde af stødsamlinger end lapsamlinger. For eksempel, når et hærdet stålgear svejses til en blød ståltromle, vil korrekt kontrol af laserstrålens position hjælpe med at producere en svejsning med en overvejende lavt kulstofkomponent, der er relativt modstandsdygtig over for revner. I nogle applikationer kræver geometrien af det emne, der skal svejses, at laserstrålen afbøjes i en vinkel. Når afbøjningsvinklen mellem stråleaksen og samlingsplanet er inden for 100 grader, vil absorptionen af laserenergi af emnet ikke blive påvirket.
9) Gradvis stigning og fald kontrol af lasereffekten ved start- og slutpunkterne for svejsningen. Under laser dyb penetrationssvejsning findes der altid små huller uanset svejsningens dybde. Når svejseprocessen er afsluttet, og strømafbryderen er slukket, vil der opstå et hul i slutningen af svejsningen. Når lasersvejselaget dækker den originale svejsesøm, vil der desuden forekomme overdreven absorption af laserstrålen, hvilket resulterer i overophedning af svejsningen eller generering af porer.
For at forhindre ovenstående fænomen i at ske, kan strømstart- og stoppunkterne programmeres til at gøre strømstart- og sluttidspunktet justerbart, det vil sige, at starteffekten elektronisk øges fra nul til den indstillede effektværdi på kort tid, og svejsningen kan justeres. Tid, og endelig reduceres effekten gradvist fra den indstillede effekt til nul, når svejsningen afsluttes.
03
Funktioner og fordele og ulemper ved laser dyb penetration svejsning
Funktioner ved laser dyb penetration svejsning
1) Højt billedformat. Når det smeltede metal dannes omkring det cylindriske hulrum af varm damp og strækker sig mod emnet, bliver svejsningen dyb og smal.
2) Minimum varmetilførsel. Fordi temperaturen i det lille hul er meget høj, sker smeltningsprocessen ekstremt hurtigt, varmetilførslen til emnet er meget lav, og den termiske deformation og varmepåvirkede zone er lille.
3) Høj tæthed. Fordi de små porer fyldt med højtemperaturdamp er befordrende for omrøring af svejsebadet og udslip af gas, hvilket resulterer i en penetreringssvejsning uden porer. Den høje afkølingshastighed efter svejsning kan nemt gøre svejsestrukturen finere.
4) Stærke svejsninger. På grund af den brændende varmekilde og tilstrækkelig absorption af ikke-metalliske komponenter reduceres urenhedsindholdet, og størrelsen af indeslutningerne og deres fordeling i smeltebadet ændres. Svejseprocessen kræver ikke elektroder eller tilsætningstråde, og smeltezonen er mindre forurenet, så styrken og sejheden af svejsningen er mindst lig med eller endda højere end grundmetallets.
5) Præcis kontrol. Fordi den fokuserede lysplet er lille, kan svejsesømmen placeres med høj præcision. Laserudgangen har ingen "inerti", den kan stoppes og genstartes ved høj hastighed, og det komplekse emne kan svejses med den numeriske kontrolstrålebevægelsesteknologi.
6) Berøringsfri atmosfærisk svejseproces. Fordi energien kommer fra fotonstrålen, er der ingen fysisk kontakt med emnet, så der påføres ingen ydre kraft på emnet. Derudover har magnetisme og luft ingen effekt på laserlys.
Fordele ved laser dyb penetration svejsning
1) Da den fokuserede laser har en meget højere effekttæthed end konventionelle metoder, er svejsehastigheden høj, den varmepåvirkede zone og deformation er lille, og svært svejsbare materialer som titanium kan også svejses.
2) Fordi strålen er nem at transmittere og kontrollere, og der ikke er behov for at udskifte brænderen og dysen ofte, og der ikke er behov for vakuum til elektronstrålesvejsning, hvilket væsentligt reducerer hjælpetiden for nedetid, så belastningsfaktoren og produktionseffektiviteten er høj.
3) På grund af rensningseffekten og høj kølehastighed er svejsestyrken, sejheden og den omfattende ydeevne høj.
4) På grund af den lave gennemsnitlige varmetilførsel og høje behandlingspræcision kan oparbejdningsomkostningerne reduceres; Derudover er driftsomkostningerne ved lasersvejsning også lave, hvilket kan reducere omkostningerne til forarbejdning af emnet.
5) Det kan effektivt styre stråleintensiteten og finpositionering, og det er nemt at realisere automatisk drift.
Ulemper ved laser dyb penetration svejsning
1) Svejsedybden er begrænset.
2) Monteringskravene til emnet er høje.
3) Engangsinvesteringen af lasersystemet er relativt høj
