Принцип лазерного зварювання
Лазерне зварювання може здійснюватися безперервним або імпульсним лазерним променем. Принцип лазерного зварювання можна розділити на теплопровідне зварювання та лазерне зварювання глибоким проплавленням. Коли щільність потужності менше 104~105 Вт/см2, це теплопровідне зварювання. У цей час глибина проплавлення невелика, а швидкість зварювання повільна; коли щільність потужності перевищує 105~107 Вт/см2, поверхня металу занурюється в «порожнини» шляхом нагрівання, утворюючи зварювання глибокого провару, яке має характеристики високої швидкості зварювання та великого співвідношення сторін.
Принцип теплопровідного лазерного зварювання такий: лазерне випромінювання нагріває поверхню, яка підлягає обробці, а поверхневе тепло дифундує всередину через теплопровідність. Контролюючи ширину лазерного імпульсу, енергію, пікову потужність і частоту повторення, а також інші параметри лазера, заготовка розплавляється з утворенням спеціальної ванни розплаву. .
Лазерний зварювальний апарат, який використовується для зварювання зубчастих коліс і металургійного зварювання тонких листів, в основному передбачає лазерне зварювання глибоким проплавленням. Далі йдеться про принцип лазерного зварювання глибоким проплавленням.
Лазерне зварювання глибоким проплавленням зазвичай використовує безперервні лазерні промені для завершення з’єднання матеріалів, а його металургійний фізичний процес дуже схожий на зварювання електронним променем, тобто механізм перетворення енергії завершується через структуру «замкової щілини». При досить високій щільності потужності лазерного випромінювання матеріал випаровується і утворює дрібні пори. Цей маленький отвір, наповнений парою, схожий на чорне тіло, яке поглинає майже всю енергію падаючого променя, а рівноважна температура в порожнині сягає приблизно 2500 0C. Тепло передається від зовнішньої стінки високотемпературної порожнини для плавлення металу, що оточує порожнину. Невеликий отвір заповнюється високотемпературною парою, що утворюється в результаті безперервного випаровування матеріалу стінки під дією променя, стінки отвору оточуються розплавленим металом, а рідкий метал оточений твердими матеріалами (тоді як у У більшості звичайних процесів зварювання та лазерного кондуктивного зварювання енергія спочатку осідає на поверхні заготовки, а потім транспортується всередину шляхом передачі). Потік рідини поза стінкою пор і поверхневий натяг шару стінки підтримують динамічну рівновагу з постійно створюваним тиском пари в порожнині пор. Промінь безперервно входить у малий отвір, а матеріал поза малим отвором безперервно тече. Коли промінь рухається, маленький отвір завжди знаходиться в стабільному стані потоку. Тобто маленький отвір і розплавлений метал, що оточує стінку отвору, рухаються вперед зі швидкістю переднього променя, і розплавлений метал заповнює щілину, залишену маленьким отвором, а потім конденсується, утворюючи зварний шов. Весь цей процес відбувається настільки швидко, що швидкість зварювання може легко досягати кількох метрів на хвилину.
02
Основні технологічні параметри лазерного зварювання глибоким проплавленням
1) Потужність лазера. Існує порогове значення щільності лазерної енергії при лазерному зварюванні. Нижче цього значення глибина проникнення дуже мала. Після досягнення або перевищення цього значення глибина проникнення значно збільшиться. Плазма генерується лише тоді, коли щільність потужності лазера на деталі перевищує порогове значення (залежно від матеріалу), що означає хід стабільного зварювання глибоким проплавленням. Якщо потужність лазера нижче цього порогу, відбувається тільки поверхневе оплавлення заготовки, тобто зварювання відбувається зі стабільною теплопровідністю. Коли щільність потужності лазера наближається до критичної умови для утворення малих отворів, зварювання глибоким проплавленням і зварювання кондукцією виконуються по черзі, що стає нестабільним процесом зварювання, що призводить до великих коливань глибини проплавлення. Під час лазерного зварювання глибоким проплавленням потужність лазера одночасно контролює глибину проплавлення та швидкість зварювання. Проникнення зварювання безпосередньо пов’язане з щільністю потужності променя і є функцією потужності падаючого променя та фокусної точки променя. Загалом, для лазерного променя певного діаметру глибина проникнення збільшується зі збільшенням потужності променя.
2) Фокусна пляма променя. Розмір плями променя є однією з найважливіших змінних у лазерному зварюванні, оскільки він визначає щільність потужності. Але для потужних лазерів його вимірювання є складною проблемою, хоча існує багато методів непрямого вимірювання.
Обмежений дифракцією розмір плями фокусу променя можна розрахувати відповідно до теорії дифракції світла, але через наявність аберації фокусуючої лінзи фактичний розмір плями більший за розраховане значення. Найпростішим практичним методом є метод ізотермічного профілювання, який вимірює фокусну пляму та діаметр перфорації після обвуглювання та проникнення щільного паперу в поліпропіленову пластину. Цей метод потребує освоєння потужності лазера та часу дії променя через практику вимірювання.
3) Величина поглинання матеріалу. Поглинання лазерного світла матеріалами залежить від деяких важливих властивостей матеріалів, таких як поглинальна здатність, відбивна здатність, теплопровідність, температура плавлення, температура випаровування тощо, найважливішою з яких є поглинальна здатність.
Фактори, які впливають на швидкість поглинання лазерного променя матеріалом, включають два аспекти: перший – це питомий опір матеріалу. Після вимірювання швидкості поглинання полірованої поверхні матеріалу виявлено, що швидкість поглинання матеріалу пропорційна квадратному кореню з питомого опору, а питомий опір змінюється залежно від температури. По-друге, стан поверхні (або гладкість) матеріалу має більш важливий вплив на швидкість поглинання променя, що суттєво впливає на ефект зварювання.
Вихідна довжина хвилі CO2-лазера зазвичай становить 10,6 мкм. Швидкість поглинання кераміки, скла, гуми, пластмас та інших неметалів є дуже високою при кімнатній температурі, тоді як швидкість поглинання металевих матеріалів дуже низька за кімнатної температури, доки матеріал не розплавиться або навіть утвориться газ. Його поглинання різко зростає. Дуже ефективно покращити поглинання світлових променів матеріалом за допомогою поверхневого покриття або формування поверхневої оксидної плівки.
4) Швидкість зварювання. Швидкість зварювання має великий вплив на глибину проплавлення. Збільшення швидкості зробить проплавлення неглибоким, але якщо швидкість надто низька, матеріал буде переплавлено, а заготовка буде проварена наскрізь. Таким чином, існує відповідний діапазон швидкості зварювання для конкретного матеріалу з певною потужністю лазера та певною товщиною, і максимальна глибина проплавлення може бути отримана при відповідному значенні швидкості. На малюнку 10-2 показано співвідношення між швидкістю зварювання та глибиною проплавлення сталі 1018.
5) Захисний газ. Інертний газ часто використовується для захисту розплавленої ванни в процесі лазерного зварювання. Коли деякі матеріали зварюються незалежно від окислення поверхні, захист може не розглядатися, але для більшості застосувань гелій, аргон, азот та інші гази часто використовуються як захист для захисту заготовки від окислення під час пайки.
Гелій важко іонізується (вища енергія іонізації), що дозволяє лазеру плавно проходити, і енергія променя досягає поверхні заготовки без перешкод. Це найефективніший захисний газ, який використовується при лазерному зварюванні, але він дорожчий.
Газ аргон дешевший і щільніший, тому ефект захисту кращий. Однак він сприйнятливий до високотемпературної плазмової іонізації металу, яка захищає частину променя від попадання на деталь, зменшує ефективну потужність лазера для зварювання, а також знижує швидкість зварювання та проникнення. Поверхня зварного виробу, захищена аргоном, більш гладка, ніж при захисті гелієм.
Азот є найдешевшим захисним газом, але він не підходить для зварювання деяких типів нержавіючої сталі, головним чином через металургійні проблеми, такі як поглинання, яке іноді створює пористість у зоні перекриття.
Другою функцією використання захисного газу є захист фокусуючої лінзи від забруднення парами металу та розпилення крапель рідини. Особливо при високопотужному лазерному зварюванні, оскільки викид стає дуже потужним, у цей час потрібно більше захищати лінзу.
Третя функція захисного газу полягає в тому, що він дуже ефективно розсіює плазмовий екран, створений потужним лазерним зварюванням. Пари металу поглинають лазерний промінь і іонізуються в плазмову хмару, а захисний газ навколо пари металу також іонізується завдяки нагріванню. Якщо плазми занадто багато, лазерний промінь частково поглинається плазмою. Плазма існує на робочій поверхні як друга енергія, що робить проникнення дрібнішим і поверхню зварювальної ванни розширює. Швидкість рекомбінації електронів збільшується за рахунок збільшення зіткнень трьох тіл електронів з іонами та нейтральними атомами, щоб зменшити щільність електронів у плазмі. Чим легші нейтральні атоми, тим вище частота зіткнень і вище швидкість рекомбінації; з іншого боку, тільки захисний газ з високою енергією іонізації не збільшить електронну густину через іонізацію самого газу.
Розмір плазмової хмари змінюється залежно від використовуваного захисного газу, при цьому гелій є найменшим, азот є другим, а аргон є найбільшим. Чим більший розмір плазми, тим дрібніше проникнення. Причиною цієї різниці є, по-перше, різний ступінь іонізації молекул газу, а також відмінність у дифузії парів металу, викликана різною щільністю захисного газу.
Гелій є найменш іонізованим і найменш щільним газом, і він швидко відганяє металеві пари, що утворюються з ванни з розплавленим металом. Тому використання гелію як захисного газу може найбільшою мірою придушити плазму, тим самим збільшуючи глибину проплавлення та збільшуючи швидкість зварювання; через свою невелику вагу, він може втекти і нелегко викликати пори. Звичайно, з нашого фактичного ефекту зварювання ефект захисту від аргону непоганий.
Вплив хмари плазми на проникнення найбільш очевидний у зоні низької швидкості зварювання. Його ефект зменшується зі збільшенням швидкості зварювання.
Захисний газ впорскується під певним тиском через сопло, щоб досягти поверхні заготовки. Велике значення має гідродинамічна форма сопла і діаметр вихідного отвору. Воно має бути достатньо великим, щоб розпилений захисний газ покривав зварювальну поверхню, але для того, щоб ефективно захистити лінзу та запобігти забрудненню металевих парів або пошкодженню лінзи бризками металу, розмір сопла також має бути обмеженим. Швидкість потоку також слід контролювати, інакше ламінарний потік захисного газу стане турбулентним, і атмосфера буде залучена до розплавленої ванни, зрештою утворюючи пори.
Для підвищення захисного ефекту також може бути використаний додатковий метод бокового обдуву, тобто через сопло меншого діаметру захисний газ вводиться безпосередньо в невеликий отвір зварювання глибокого проплавлення під певним кутом. Захисний газ не тільки пригнічує плазмову хмару на поверхні заготовки, але й впливає на утворення плазми та дрібних отворів у отворі, додатково збільшує глибину провару та отримує зварний шов з ідеальним співвідношенням глибини та ширини. . Однак цей метод вимагає точного контролю розміру та напрямку повітряного потоку, інакше може виникнути турбулентний потік і знищити ванну розплаву, ускладнюючи стабілізацію процесу зварювання.
6) Фокусна відстань лінзи. Метод фокусування зазвичай використовується для конденсації лазера під час зварювання, і зазвичай використовується лінза з фокусною відстанню 63~254 мм (2,5"~10"). Розмір плями фокусування пропорційний фокусній відстані, чим коротша фокусна відстань, тим менша пляма. Але фокусна відстань також впливає на фокусну глибину, тобто фокусна глибина збільшується синхронно з фокусною відстанню, тому коротка фокусна відстань може збільшити щільність потужності, але через малу фокусну глибину відстань між лінзою і заготовкою необхідно точно підтримувати, а глибина проникнення не велика. Через вплив бризок і режиму лазера, що утворюється в процесі зварювання, найменша фокусна глибина, яка використовується під час фактичного зварювання, здебільшого становить фокусну відстань 126 мм (5 дюймів). Якщо з’єднання велике або зварний шов потрібно збільшити шляхом збільшення розмір плями, ви можете вибрати об'єктив з фокусною відстанню 254 мм (10 дюймів). У цьому випадку для досягнення ефекту глибокого проникнення необхідна більш висока вихідна потужність лазера (щільність потужності).
Коли потужність лазера перевищує 2 кВт, особливо для лазерного променя CO2 10,6 мкм, через використання спеціальних оптичних матеріалів для формування оптичної системи, щоб уникнути ризику оптичного пошкодження фокусувальної лінзи, метод відбивного фокусування часто використовується. використовується, а як відбивач зазвичай використовується поліроване мідне дзеркало. Його часто рекомендують для фокусування потужних лазерних променів завдяки ефективному охолодженню.
7) Позиція фокусу. Під час зварювання положення фокуса має вирішальне значення для підтримки достатньої щільності потужності. Зміни відносного розташування фокусної точки і поверхні заготовки безпосередньо впливають на ширину і глибину зварного шва. На рисунку 2-6 показано вплив положення фокуса на глибину проникнення та ширину шва сталі 1018.
У більшості застосувань лазерного зварювання фокусна точка зазвичай розташована приблизно на 1/4 бажаної глибини проникнення під поверхнею заготовки.
8) Положення лазерного променя. Під час лазерного зварювання різнорідних матеріалів положення лазерного променя контролює остаточну якість зварного шва, особливо у випадку стикових з’єднань, ніж з’єднань внахлест. Наприклад, коли шестерня із загартованої сталі приварюється до барабана з м’якої сталі, правильний контроль положення лазерного променя допоможе створити зварний шов із переважно низьковуглецевим компонентом, який є відносно стійким до розтріскування. У деяких випадках геометрія заготовки, що зварюється, вимагає відхилення лазерного променя на певний кут. Коли кут відхилення між віссю променя та площиною з’єднання знаходиться в межах 100 градусів, це не вплине на поглинання лазерної енергії деталлю.
9) Контроль поступового підвищення та зниження потужності лазера на початку та в кінці зварювання. Під час лазерного зварювання глибоким проплавленням невеликі отвори завжди є незалежно від глибини шва. Коли процес зварювання буде припинено і вимикач живлення вимкнено, на кінці зварного шва з’явиться ямка. Крім того, коли шар лазерного зварювання покриває початковий зварний шов, буде відбуватися надмірне поглинання лазерного променя, що призведе до перегріву зварного матеріалу або утворення пор.
Щоб запобігти виникненню вищезазначеного явища, точки початку та зупинки живлення можна запрограмувати так, щоб час початку та завершення живлення регулювався, тобто початкова потужність електронним способом збільшується від нуля до встановленого значення потужності за короткий час, і зварювання можна регулювати. Час і, нарешті, потужність поступово зменшується від встановленої потужності до нуля, коли зварювання припиняється.
03
Особливості та переваги та недоліки лазерного зварювання глибоким проплавленням
Особливості лазерного зварювання глибоким проплавленням
1) Високе співвідношення сторін. Коли розплавлений метал утворюється навколо циліндричної порожнини гарячої пари та простягається до заготовки, зварний шов стає глибоким і вузьким.
2) Мінімальна тепловіддача. Оскільки температура в маленькому отворі дуже висока, процес плавлення відбувається надзвичайно швидко, надходження тепла в заготовку дуже низьке, а теплова деформація та зона теплового впливу невеликі.
3) Висока щільність. Оскільки дрібні пори, заповнені високотемпературною парою, сприяють перемішуванню зварювальної ванни та виходу газу, що призводить до зварного шва без пор. Висока швидкість охолодження після зварювання може легко зробити структуру зварного шва більш тонкою.
4) Міцні зварні шви. Завдяки палаючому джерелу тепла та достатньому поглинанню неметалевих компонентів зменшується вміст домішок, змінюється розмір включень та їх розподіл у ванні розплаву. Процес зварювання не потребує електродів або присадочного дроту, а зона плавлення менше забруднена, тому міцність і в’язкість зварного шва принаймні дорівнюють або навіть вищі, ніж у основного металу.
5) Точний контроль. Оскільки сфокусована світлова пляма мала, зварний шов можна розташувати з високою точністю. Вихід лазера не має «інерції», його можна зупиняти та перезапускати на високій швидкості, а складну заготовку можна зварювати за допомогою технології руху променя з числовим керуванням.
6) Процес безконтактного атмосферного зварювання. Оскільки енергія надходить від променя фотонів, немає фізичного контакту з деталлю, тому до деталі не прикладається зовнішня сила. Крім того, магнетизм і повітря не впливають на лазерне світло.
Переваги лазерного зварювання глибоким проплавленням
1) Оскільки сфокусований лазер має набагато вищу щільність потужності, ніж звичайні методи, швидкість зварювання висока, зона термічного впливу та деформація невеликі, і важко зварювані матеріали, такі як титан, також можна зварювати.
2) Оскільки промінь легко передавати та контролювати, і немає необхідності часто міняти пальник і сопло, а для електронно-променевого зварювання не потрібен вакуум, що значно скорочує допоміжний час простою, тому коефіцієнт навантаження та ефективність виробництва висока.
3) Завдяки ефекту очищення та високій швидкості охолодження міцність зварного шва, міцність і повна продуктивність є високими.
4) Завдяки низькій середній теплоємності та високій точності обробки можна зменшити витрати на повторну обробку; крім того, експлуатаційні витрати на лазерне зварювання також низькі, що може зменшити витрати на обробку заготовки.
5) Він може ефективно контролювати інтенсивність променя та точне позиціонування, і його легко реалізувати в автоматичному режимі.
Недоліки лазерного зварювання глибокого проплавлення
1) Глибина зварювання обмежена.
2) Вимоги до складання заготовки високі.
3) Одноразова інвестиція в лазерну систему є відносно високою
