Lasersveisingsprinsipp
Lasersveising kan oppnås med kontinuerlige eller pulserende laserstråler. Prinsippet for lasersveising kan deles inn i varmeledningssveising og laser dyp penetrasjonssveising. Når effekttettheten er mindre enn 104~105 W/cm2, er det varmeledningssveising. På dette tidspunktet er inntrengningsdybden liten og sveisehastigheten er lav; når effekttettheten er større enn 105~107 W/cm2, blir metalloverflaten senket ned i "hulrom" ved oppvarming, og danner dyp penetrasjonssveising, som har egenskapene til rask sveisehastighet og stort sideforhold.
Prinsippet for varmeledningslasersveising er: laserstråling varmer opp overflaten som skal behandles, og overflatevarmen diffunderer til innsiden gjennom varmeledning. Ved å kontrollere laserpulsbredden, energien, toppeffekten og repetisjonsfrekvensen og andre laserparametere, smeltes arbeidsstykket for å danne et spesifikt smeltet basseng. .
Lasersveisemaskinen som brukes til girsveising og metallurgisk tynnplatesveising involverer hovedsakelig lasersveising med dyp penetrering. Det følgende fokuserer på prinsippet for lasersveising med dyp penetrering.
Lasersveising med dyp penetrering bruker generelt kontinuerlige laserstråler for å fullføre tilkoblingen av materialer, og dens metallurgiske fysiske prosess er veldig lik elektronstrålesveising, det vil si at energikonverteringsmekanismen fullføres gjennom "nøkkelhull"-strukturen. Ved laserbestråling med tilstrekkelig høy effekttetthet fordamper materialet og danner små porer. Dette lille hullet fullt av damp er som en svart kropp, absorberer nesten all energien til den innfallende strålen, og likevektstemperaturen i hulrommet når omtrent 2500 0C. Varmen overføres fra ytterveggen til høytemperaturhulrommet for å smelte metallet som omgir hulrommet. Det lille hullet er fylt med høytemperaturdamp generert av den kontinuerlige fordampningen av veggmaterialet under bestråling av strålen, veggene i det lille hullet er omgitt av smeltet metall, og det flytende metallet er omgitt av faste materialer (mens i de fleste konvensjonelle sveiseprosesser og laserledningssveising, energien først avsatt på overflaten av arbeidsstykket, og deretter transportert til det indre ved overføring). Væskestrømmen utenfor poreveggen og overflatespenningen til vegglaget opprettholder en dynamisk balanse med det kontinuerlig genererte damptrykket i porehulen. Strålen går kontinuerlig inn i det lille hullet, og materialet utenfor det lille hullet flyter kontinuerlig. Når strålen beveger seg, er det lille hullet alltid i en stabil strømningstilstand. Det vil si at det lille hullet og det smeltede metallet som omgir hullveggen beveger seg fremover med foroverhastigheten til den ledende bjelken, og det smeltede metallet fyller gapet etterlatt av det lille hullet og kondenserer deretter, slik at sveisen dannes. Alt dette av prosessen ovenfor skjer så raskt at sveisehastigheten lett kan nå flere meter per minutt.
02
De viktigste prosessparametrene for lasersveising med dyp penetrering
1) Laserkraft. Det er en terskelverdi for laserenergitetthet ved lasersveising. Under denne verdien er penetrasjonsdybden svært grunt. Når denne verdien er nådd eller overskredet, vil penetrasjonsdybden økes kraftig. Plasma genereres bare når lasereffekttettheten på arbeidsstykket overstiger en terskelverdi (avhengig av materialet), som markerer fremdriften til stabil dyppenetrasjonssveising. Dersom lasereffekten er under denne terskelen skjer det kun overflatesmelting av arbeidsstykket, dvs. sveising skjer med stabil varmeledning. Når lasereffekttettheten er nær den kritiske tilstanden for dannelse av små hull, utføres dyp penetrasjonssveising og ledningssveising vekselvis, noe som blir en ustabil sveiseprosess, som resulterer i store svingninger i penetrasjonsdybden. Under laser dyp penetrasjonssveising kontrollerer laserkraften penetrasjonsdybden og sveisehastigheten samtidig. Sveiseinntrengning er direkte relatert til stråleeffekttetthet og er en funksjon av innfallende stråleeffekt og strålefokuspunkt. Generelt, for en laserstråle med en viss diameter, øker penetrasjonsdybden når stråleeffekten øker.
2) Stråle brennpunkt. Strålepunktstørrelsen er en av de viktigste variablene ved lasersveising fordi den bestemmer effekttettheten. Men for høyeffektlasere er målingen et vanskelig problem, selv om det er mange indirekte måleteknikker.
Den diffraksjonsbegrensede punktstørrelsen til strålefokuset kan beregnes i henhold til lysdiffraksjonsteorien, men på grunn av eksistensen av fokuseringslinseaberrasjon er den faktiske punktstørrelsen større enn den beregnede verdien. Den enkleste praktiske metoden er den isotermiske profileringsmetoden, som måler brennpunktet og perforeringsdiameteren etter forkulling og penetrering av en polypropylenplate med tykt papir. Denne metoden må mestre laserkraften og tidspunktet for strålevirkning gjennom målingspraksis.
3) Materialabsorpsjonsverdi. Absorpsjonen av laserlys av materialer avhenger av noen viktige egenskaper til materialer, som absorpsjonsevne, reflektivitet, termisk ledningsevne, smeltetemperatur, fordampningstemperatur, etc., hvorav den viktigste er absorpsjonsevne.
Faktorene som påvirker absorpsjonshastigheten til materialet til laserstrålen inkluderer to aspekter: den første er materialets resistivitet. Etter å ha målt absorpsjonshastigheten til den polerte overflaten av materialet, er det funnet at absorpsjonshastigheten til materialet er proporsjonal med kvadratroten av resistiviteten, og resistiviteten varierer med temperaturen. For det andre har overflatetilstanden (eller glattheten) til materialet en viktigere innflytelse på stråleabsorpsjonshastigheten, noe som har en betydelig effekt på sveiseeffekten.
Utgangsbølgelengden til en CO2-laser er vanligvis 10,6 μm. Absorpsjonshastigheten til keramikk, glass, gummi, plast og andre ikke-metaller er svært høy ved romtemperatur, mens absorpsjonshastigheten til metallmaterialer er svært dårlig ved romtemperatur, inntil materialet er smeltet eller til og med gass. Absorpsjonen øker dramatisk. Det er svært effektivt å forbedre materialets absorpsjon av lysstråler ved å bruke overflatebelegg eller dannelse av overflateoksidfilm.
4) Sveisehastighet. Sveisehastigheten har stor innflytelse på inntrengningsdybden. Økning av hastigheten vil gjøre penetrasjonen grunt, men hvis hastigheten er for lav vil materialet oversmeltes og arbeidsstykket sveises gjennom. Derfor er det et passende sveisehastighetsområde for et spesifikt materiale med en viss laserstyrke og en viss tykkelse, og maksimal penetrasjonsdybde kan oppnås ved tilsvarende hastighetsverdi. Figur 10-2 viser forholdet mellom sveisehastighet og inntrengningsdybde for 1018 stål.
5) Beskyttelsesgass. Inertgass brukes ofte for å beskytte det smeltede bassenget i lasersveiseprosessen. Når noen materialer sveises uavhengig av overflateoksidasjon, kan beskyttelsen ikke vurderes, men for de fleste bruksområder brukes helium, argon, nitrogen og andre gasser ofte som beskyttelse for å gjøre arbeidsstykket beskyttet mot oksidasjon under lodding.
Helium er ikke lett ionisert (høyere ioniseringsenergi), noe som lar laseren passere jevnt, og stråleenergien når overflaten av arbeidsstykket uten hindring. Dette er den mest effektive beskyttelsesgassen som brukes i lasersveising, men den er dyrere.
Argongass er billigere og tettere, så beskyttelseseffekten er bedre. Det er imidlertid utsatt for høytemperatur-metallplasmaionisering, som beskytter en del av strålen fra å treffe arbeidsstykket, reduserer den effektive laserkraften for sveising, og skader også sveisehastigheten og penetrasjonen. Overflaten på sveisen beskyttet av argon er jevnere enn den når den er beskyttet av helium.
Nitrogen er den billigste dekkgassen, men den er ikke egnet for sveising av enkelte typer rustfritt stål, hovedsakelig på grunn av metallurgiske problemer, som absorpsjon, som noen ganger gir porøsitet i det overlappende området.
Den andre funksjonen ved bruk av beskyttelsesgass er å beskytte fokuseringslinsen mot forurensning av metalldamp og sputtering av væskedråper. Spesielt ved lasersveising med høy effekt, fordi utstøtingen blir veldig kraftig, er det mer nødvendig å beskytte linsen på dette tidspunktet.
Den tredje funksjonen til beskyttelsesgassen er at den er svært effektiv til å spre plasmaskjoldet som produseres ved lasersveising med høy effekt. Metalldampen absorberer laserstrålen og ioniserer til en plasmasky, og beskyttelsesgassen rundt metalldampen ioniseres også på grunn av varme. Hvis det er for mye plasma, blir laserstrålen noe konsumert av plasmaet. Plasma eksisterer på arbeidsflaten som en andre energi, noe som gjør penetrasjonen grunt og overflaten av sveisebassenget utvides. Rekombinasjonshastigheten til elektroner økes ved å øke trekroppskollisjonene av elektroner med ioner og nøytrale atomer for å redusere elektrontettheten i plasmaet. Jo lettere de nøytrale atomene er, desto høyere er kollisjonsfrekvensen og desto høyere rekombinasjonshastighet; på den annen side er det kun den beskyttende gassen med høy ioniseringsenergi som ikke vil øke elektrontettheten på grunn av ioniseringen av selve gassen.
Størrelsen på plasmaskyen varierer med beskyttelsesgassen som brukes, med helium som den minste, nitrogen er den andre, og argon er den største. Jo større plasmastørrelsen er, desto grunnere er penetrasjonen. Årsaken til denne forskjellen er for det første på grunn av forskjellig grad av ionisering av gassmolekyler, og også på grunn av forskjellen i diffusjonen av metalldamp forårsaket av de forskjellige tetthetene til dekkgassen.
Helium er den minst ioniserte og minst tette gassen, og den driver raskt vekk stigende metalldamper som genereres fra det smeltede metallbadet. Derfor kan bruk av helium som beskyttelsesgass undertrykke plasmaet i størst grad, og dermed øke inntrengningsdybden og øke sveisehastigheten; på grunn av sin lette vekt kan den unnslippe og er ikke lett å forårsake porer. Selvfølgelig, fra vår faktiske sveiseeffekt, er effekten av argonbeskyttelse ikke dårlig.
Effekten av plasmasky på penetrasjon er mest åpenbar i området med lav sveisehastighet. Effekten avtar etter hvert som sveisehastigheten øker.
Beskyttelsesgassen injiseres ved et visst trykk gjennom dysen for å nå overflaten av arbeidsstykket. Den hydrodynamiske formen på dysen og diameteren på utløpet er svært viktig. Den må være stor nok til å drive den sprøytede dekkgassen til å dekke sveiseoverflaten, men for å effektivt beskytte linsen og forhindre at metalldamp forurenser eller metallsprut skader linsen, bør også størrelsen på dysen begrenses. Strømningshastigheten bør også kontrolleres, ellers vil den laminære strømmen av beskyttelsesgassen bli turbulent, og atmosfæren vil være involvert i det smeltede bassenget, og til slutt danne porer.
For å forbedre den beskyttende effekten, kan en ekstra sideblåsemetode også brukes, det vil si at gjennom en dyse med en mindre diameter sprøytes beskyttelsesgassen direkte inn i det lille hullet til dyppenetreringssveisingen i en viss vinkel. Beskyttelsesgassen undertrykker ikke bare plasmaskyen på overflaten av arbeidsstykket, men har også innflytelse på dannelsen av plasma og små hull i hullet, øker inntrengningsdybden ytterligere og oppnår en sveis med et ideelt dybde-breddeforhold . Imidlertid krever denne metoden nøyaktig kontroll av størrelsen og retningen til luftstrømmen, ellers vil det sannsynligvis oppstå turbulent strømning og ødelegge det smeltede bassenget, noe som gjør sveiseprosessen vanskelig å stabilisere.
6) Linsens brennvidde. Fokuseringsmetode brukes vanligvis for å kondensere laseren under sveising, og en linse med en brennvidde på 63~254mm (2,5"~10") brukes vanligvis. Fokuspunktstørrelsen er proporsjonal med brennvidden, jo kortere brennvidden er, jo mindre punktet. Men brennvidden påvirker også brennvidden, det vil si at brennvidden øker synkront med brennvidden, så en kort brennvidde kan øke krafttettheten, men på grunn av den lille brenndybden, avstanden mellom linsen og arbeidsstykket må vedlikeholdes nøyaktig, og inntrengningsdybden er ikke stor. På grunn av påvirkningen av sprut og lasermodus som genereres i sveiseprosessen, er den korteste brennvidden som brukes ved faktisk sveising for det meste brennvidden på 126 mm (5"). Når skjøten er stor eller sveisesømmen må økes ved å øke spotstørrelsen, kan du velge et objektiv med en brennvidde på 254 mm (10"). I dette tilfellet, for å oppnå den dype penetrasjonsnåleeffekten, kreves det en høyere laserutgangseffekt (effekttetthet).
Når lasereffekten overstiger 2kW, spesielt for 10,6μm CO2-laserstrålen, på grunn av bruk av spesielle optiske materialer for å danne det optiske systemet, for å unngå risikoen for optisk skade på fokuslinsen, er den reflekterende fokuseringsmetoden ofte brukt, og et polert kobberspeil brukes vanligvis som reflektor. Det anbefales ofte for fokusering av laserstråler med høy effekt på grunn av effektiv kjøling.
7) Fokusposisjon. Ved sveising er fokusposisjonen kritisk for å opprettholde tilstrekkelig effekttetthet. Endringer i den relative posisjonen til brennpunktet og arbeidsstykkets overflate påvirker direkte sveisens bredde og dybde. Figur 2-6 viser effekten av fokusposisjon på penetreringsdybde og sømbredde til 1018 stål.
I de fleste lasersveisingsapplikasjoner er brennpunktet typisk plassert omtrent 1/4 av ønsket penetrasjonsdybde under overflaten av arbeidsstykket.
8) Laserstråleposisjon. Ved lasersveising av ulikt materiale, kontrollerer laserstråleposisjonen den endelige kvaliteten på sveisen, spesielt når det gjelder støtskjøter enn lapskjøter. For eksempel, når et tannhjul av herdet stål sveises til en trommel av bløtt stål, vil riktig kontroll av laserstrålens posisjon bidra til å produsere en sveis med en overveiende lavkarbonkomponent som er relativt motstandsdyktig mot sprekker. I noen applikasjoner krever geometrien til arbeidsstykket som skal sveises at laserstrålen avbøyes med en vinkel. Når avbøyningsvinkelen mellom stråleaksen og skjøteplanet er innenfor 100 grader, vil absorpsjonen av laserenergi av arbeidsstykket ikke bli påvirket.
9) Gradvis stige- og fallkontroll av laserkraften ved start- og sluttpunktene for sveising. Under laser dyp penetrasjonssveising, finnes det alltid små hull uavhengig av dybden på sveisen. Når sveiseprosessen er avsluttet og strømbryteren er slått av, vil en grop dukke opp på slutten av sveisen. I tillegg, når lasersveiselaget dekker den originale sveisesømmen, vil det oppstå overdreven absorpsjon av laserstrålen, noe som resulterer i overoppheting av sveisingen eller generering av porer.
For å forhindre at ovennevnte fenomen inntreffer, kan start- og stopppunktene programmeres til å gjøre start- og sluttid for kraften justerbar, det vil si at starteffekten økes elektronisk fra null til den innstilte effektverdien på kort tid, og sveisingen kan justeres. Tid, og til slutt reduseres effekten gradvis fra innstilt effekt til null når sveisingen avsluttes.
03
Egenskaper og fordeler og ulemper ved laser dyp penetrasjonssveising
Funksjoner av laser dyp penetrasjonssveising
1) Høyt sideforhold. Når det smeltede metallet dannes rundt det sylindriske hulrommet av varm damp og strekker seg mot arbeidsstykket, blir sveisen dyp og smal.
2) Minimum varmetilførsel. Fordi temperaturen i det lille hullet er veldig høy, skjer smelteprosessen ekstremt raskt, varmetilførselen til arbeidsstykket er veldig lav, og den termiske deformasjonen og den varmepåvirkede sonen er liten.
3) Høy tetthet. Fordi de små porene fylt med høytemperaturdamp bidrar til omrøring av sveisebassenget og utslipp av gass, noe som resulterer i en penetrasjonssveis uten porer. Den høye kjølehastigheten etter sveising kan lett gjøre sveisestrukturen finere.
4) Sterke sveiser. På grunn av den brennende varmekilden og tilstrekkelig absorpsjon av ikke-metalliske komponenter, reduseres urenhetsinnholdet, og størrelsen på inneslutningene og deres fordeling i smeltebassenget endres. Sveiseprosessen krever ikke elektroder eller fylltråder, og smeltesonen er mindre forurenset, slik at styrken og seigheten til sveisen er minst lik eller enda høyere enn grunnmetallets.
5) Nøyaktig kontroll. Fordi den fokuserte lysflekken er liten, kan sveisesømmen plasseres med høy presisjon. Laserutgangen har ingen "treghet", den kan stoppes og startes på nytt med høy hastighet, og det komplekse arbeidsstykket kan sveises med den numeriske kontrollstrålebevegelsesteknologien.
6) Berøringsfri atmosfærisk sveiseprosess. Fordi energien kommer fra fotonstrålen, er det ingen fysisk kontakt med arbeidsstykket, så det påføres ingen ytre kraft på arbeidsstykket. I tillegg har magnetisme og luft ingen effekt på laserlys.
Fordeler med laser dyp penetrasjonssveising
1) Siden den fokuserte laseren har en mye høyere effekttetthet enn konvensjonelle metoder, er sveisehastigheten høy, den varmepåvirkede sonen og deformasjonen er liten, og vanskelig å sveise materialer som titan kan også sveises.
2) Fordi strålen er enkel å overføre og kontrollere, og det er ikke nødvendig å skifte ut brenneren og dysen ofte, og det er ikke nødvendig med vakuum for elektronstrålesveising, noe som reduserer hjelpetiden for nedetid betydelig, slik at belastningsfaktoren og produksjonseffektiviteten er høy.
3) På grunn av renseeffekten og høy kjølehastighet er sveisestyrken, seigheten og den omfattende ytelsen høy.
4) På grunn av lav gjennomsnittlig varmetilførsel og høy prosesseringspresisjon, kan reprosesseringskostnadene reduseres; i tillegg er driftskostnadene ved lasersveising også lave, noe som kan redusere kostnadene for behandling av arbeidsstykker.
5) Den kan effektivt kontrollere stråleintensiteten og finposisjonering, og det er enkelt å realisere automatisk drift.
Ulemper med laser dyp penetrasjonssveising
1) Sveisedybden er begrenset.
2) Monteringskravene til arbeidsstykket er høye.
3) Engangsinvesteringen til lasersystemet er relativt høy
