Lasersvetsprincip
Lasersvetsning kan åstadkommas med kontinuerliga eller pulsade laserstrålar. Principen för lasersvetsning kan delas in i värmeledningssvetsning och laserdjupsvetsning. När effekttätheten är mindre än 104~105 W/cm2 är det värmeledningssvetsning. Vid denna tidpunkt är penetrationsdjupet grunt och svetshastigheten låg; när effekttätheten är större än 105~107 W/cm2, sänks metallytan ned i "håligheter" genom uppvärmning, vilket bildar djup penetrationssvetsning, som har egenskaperna för snabb svetshastighet och stort bildförhållande.
Principen för värmeledningslasersvetsning är: laserstrålning värmer ytan som ska bearbetas och ytvärmen diffunderar till insidan genom värmeledning. Genom att kontrollera laserpulsbredden, energin, toppeffekten och repetitionsfrekvensen och andra laserparametrar smälts arbetsstycket för att bilda en specifik smältbassäng. .
Lasersvetsmaskinen som används för kuggsvetsning och metallurgisk tunnplåtssvetsning involverar huvudsakligen lasersvetsning. Följande fokuserar på principen för lasersvetsning med djup penetration.
Lasersvetsning med djup penetration använder i allmänhet kontinuerliga laserstrålar för att slutföra anslutningen av material, och dess metallurgiska fysiska process är mycket lik elektronstrålesvetsning, det vill säga energiomvandlingsmekanismen fullbordas genom "nyckelhåls"-strukturen. Vid laserbestrålning med tillräckligt hög effekttäthet avdunstar materialet och bildar små porer. Det här lilla hålet fullt av ånga är som en svart kropp, absorberar nästan all energi från den infallande strålen, och jämviktstemperaturen i kaviteten når cirka 2500 0C. Värmen överförs från ytterväggen av högtemperaturkaviteten för att smälta metallen som omger kaviteten. Det lilla hålet är fyllt med högtemperaturånga som genereras av den kontinuerliga förångningen av väggmaterialet under strålens strålning, det lilla hålets väggar är omgivna av smält metall och den flytande metallen är omgiven av fasta material (medan de flesta konventionella svetsprocesser och laserledningssvetsning, energin avsätts först på ytan av arbetsstycket och transporteras sedan till det inre genom transmission). Vätskeflödet utanför porväggen och väggskiktets ytspänning upprätthåller en dynamisk balans med det kontinuerligt genererade ångtrycket i porhåligheten. Strålen kommer kontinuerligt in i det lilla hålet, och materialet utanför det lilla hålet flödar kontinuerligt. När strålen rör sig är det lilla hålet alltid i ett stabilt flöde. Det vill säga, det lilla hålet och den smälta metallen som omger hålväggen rör sig framåt med den främre balkens hastighet, och den smälta metallen fyller spalten som lämnas av det lilla hålet och kondenserar sedan, så att svetsen bildas. Allt detta av ovanstående process sker så snabbt att svetshastigheterna lätt kan nå flera meter per minut.
02
De viktigaste processparametrarna för lasersvetsning med djup penetration
1) Laserkraft. Det finns ett tröskelvärde för laserenergitäthet vid lasersvetsning. Under detta värde är penetrationsdjupet mycket grunt. När detta värde har nåtts eller överskridits kommer inträngningsdjupet att öka kraftigt. Plasma genereras endast när laserns effekttäthet på arbetsstycket överstiger ett tröskelvärde (beroende på materialet), vilket markerar framstegen för stabil djupsvetsning. Om lasereffekten ligger under detta tröskelvärde sker endast ytsmältning av arbetsstycket, dvs svetsning sker med stabil värmeledning. När laserns effekttäthet är nära det kritiska tillståndet för bildandet av små hål, utförs djup penetrationssvetsning och ledningssvetsning omväxlande, vilket blir en instabil svetsprocess, vilket resulterar i stora fluktuationer i penetrationsdjupet. Vid laserdjupsvetsning styr lasereffekten penetrationsdjupet och svetshastigheten samtidigt. Svetspenetration är direkt relaterad till strålens effekttäthet och är en funktion av infallande stråleffekt och strålens brännpunkt. I allmänhet, för en laserstråle med en viss diameter, ökar penetrationsdjupet när stråleffekten ökar.
2) Strålbrännpunkt. Strålens punktstorlek är en av de viktigaste variablerna vid lasersvetsning eftersom den bestämmer effekttätheten. Men för högeffektlasrar är dess mätning ett svårt problem, även om det finns många indirekta mättekniker.
Den diffraktionsbegränsade punktstorleken för strålfokusen kan beräknas enligt ljusdiffraktionsteorin, men på grund av förekomsten av fokuseringslinsaberration är den faktiska fläckstorleken större än det beräknade värdet. Den enklaste praktiska metoden är den isotermiska profileringsmetoden, som mäter brännpunkten och perforeringsdiametern efter förkolning och penetrering av en polypropenplatta med tjockt papper. Denna metod måste bemästra laserkraften och tiden för strålens verkan genom mätning.
3) Materialabsorptionsvärde. Absorptionen av laserljus av material beror på några viktiga egenskaper hos materialen, såsom absorptionsförmåga, reflektivitet, värmeledningsförmåga, smälttemperatur, förångningstemperatur, etc., av vilka den viktigaste är absorptionsförmåga.
De faktorer som påverkar absorptionshastigheten för materialet till laserstrålen inkluderar två aspekter: den första är materialets resistivitet. Efter att ha mätt absorptionshastigheten för den polerade ytan av materialet, har det visat sig att absorptionshastigheten för materialet är proportionell mot kvadratroten av resistiviteten, och resistiviteten varierar med temperaturen. För det andra har materialets yttillstånd (eller jämnhet) en viktigare inverkan på strålabsorptionshastigheten, vilket har en betydande effekt på svetseffekten.
Utgångsvåglängden för en CO2-laser är vanligtvis 10,6 μm. Absorptionshastigheten för keramik, glas, gummi, plast och andra icke-metaller är mycket hög vid rumstemperatur, medan absorptionshastigheten för metallmaterial är mycket låg vid rumstemperatur, tills materialet smälts eller till och med gas. Dess absorption ökar dramatiskt. Det är mycket effektivt att förbättra materialets absorption av ljusstrålar genom att använda ytbeläggning eller ytoxidfilmbildning.
4) Svetshastighet. Svetshastigheten har stor inverkan på inträngningsdjupet. Att öka hastigheten kommer att göra penetrationen ytlig, men om hastigheten är för låg kommer materialet att översmältas och arbetsstycket svetsas igenom. Därför finns det ett lämpligt svetshastighetsområde för ett specifikt material med en viss lasereffekt och en viss tjocklek, och det maximala inträngningsdjupet kan erhållas vid motsvarande hastighetsvärde. Figur 10-2 visar förhållandet mellan svetshastighet och penetrationsdjup för 1018 stål.
5) Protective gas. Inert gas is often used to protect the molten pool in the laser welding process. When some materials are welded regardless of surface oxidation, the protection may not be considered, but for most applications, helium, argon, nitrogen and other gases are often used as protection to make the workpiece Protected from oxidation during soldering.
Helium joniseras inte lätt (högre joniseringsenergi), vilket gör att lasern kan passera jämnt och strålenergin når arbetsstyckets yta utan hinder. Detta är den mest effektiva skyddsgasen som används vid lasersvetsning, men den är dyrare.
Argongas är billigare och tätare, så skyddseffekten är bättre. Det är dock känsligt för högtemperatur-metallplasmajonisering, vilket skyddar en del av strålen från att träffa arbetsstycket, minskar den effektiva lasereffekten för svetsning och skadar även svetshastigheten och penetrationen. Ytan på svetsen som skyddas av argon är slätare än den när den skyddas av helium.
Kväve är den billigaste skyddsgasen, men den lämpar sig inte för svetsning av vissa typer av rostfritt stål, främst på grund av metallurgiska problem, såsom absorption, som ibland ger porositet i det överlappande området.
Den andra funktionen med att använda skyddsgas är att skydda fokuseringslinsen från metallångkontamination och förstoftning av vätskedroppar. Speciellt vid lasersvetsning med hög effekt, eftersom utstötningen blir mycket kraftfull, är det mer nödvändigt att skydda linsen vid denna tidpunkt.
Den tredje funktionen hos skyddsgasen är att den är mycket effektiv för att skingra plasmaskölden som produceras av högeffektlasersvetsning. Metallångan absorberar laserstrålen och joniseras till ett plasmamoln, och skyddsgasen runt metallångan joniseras också på grund av värme. Om för mycket plasma är närvarande, förbrukas laserstrålen något av plasman. Plasma finns på arbetsytan som en andra energi, vilket gör penetrationen ytlig och svetsbassängens yta vidgas. Rekombinationshastigheten för elektroner ökas genom att öka trekroppskollisioner av elektroner med joner och neutrala atomer för att minska elektrondensiteten i plasman. Ju lättare de neutrala atomerna är, desto högre kollisionsfrekvens och desto högre rekombinationshastighet; å andra sidan kommer endast den skyddande gasen med hög joniseringsenergi inte att öka elektrontätheten på grund av joniseringen av själva gasen.
Plasmamolnets storlek varierar med den skyddsgas som används, där helium är det minsta, kväve är det andra och argon är det största. Ju större plasmastorlek, desto grundare penetration. Anledningen till denna skillnad är för det första på grund av olika grad av jonisering av gasmolekyler, och även på skillnaden i diffusion av metallånga som orsakas av skyddsgasens olika densiteter.
Helium är den minst joniserade och minst täta gasen, och den driver snabbt bort stigande metallångor som genereras från det smälta metallbadet. Användning av helium som skyddsgas kan därför undertrycka plasman i största utsträckning och därigenom öka inträngningsdjupet och öka svetshastigheten; på grund av sin låga vikt kan den fly och är inte lätt att orsaka porer. Naturligtvis, från vår faktiska svetseffekt, är effekten av argonskydd inte dålig.
Effekten av plasmamoln på penetration är mest uppenbar i området med låg svetshastighet. Dess effekt minskar när svetshastigheten ökar.
Skyddsgasen injiceras med ett visst tryck genom munstycket för att nå arbetsstyckets yta. Den hydrodynamiska formen på munstycket och diametern på utloppet är mycket viktiga. Den måste vara tillräckligt stor för att driva den sprutade skyddsgasen för att täcka svetsytan, men för att effektivt skydda linsen och förhindra att metallånga förorenar eller metallstänk från att skada linsen, bör storleken på munstycket också begränsas. Flödeshastigheten bör också kontrolleras, annars kommer det laminära flödet av skyddsgasen att bli turbulent och atmosfären kommer att vara involverad i den smälta poolen och så småningom bilda porer.
För att förbättra skyddseffekten kan en ytterligare sidoblåsningsmetod användas, det vill säga genom ett munstycke med en mindre diameter, injiceras skyddsgasen direkt i det lilla hålet i djupgenomsvetsningen i en viss vinkel. Skyddsgasen undertrycker inte bara plasmamolnet på arbetsstyckets yta, utan utövar också inflytande på bildandet av plasma och små hål i hålet, ökar inträngningsdjupet ytterligare och erhåller en svets med ett idealiskt förhållande mellan djup och bredd. . Denna metod kräver dock exakt kontroll av luftflödets storlek och riktning, annars kommer turbulent flöde sannolikt att uppstå och förstöra den smälta poolen, vilket gör svetsprocessen svår att stabilisera.
6) Linsens brännvidd. Fokuseringsmetod används vanligtvis för att kondensera lasern under svetsning, och en lins med en brännvidd på 63~254 mm (2,5"~10") används vanligtvis. Fokuspunktens storlek är proportionell mot brännvidden, ju kortare brännvidden desto mindre punkten. Men brännvidden påverkar också brännvidden, det vill säga brännvidden ökar synkront med brännvidden, så en kort brännvidd kan öka effekttätheten, men på grund av det lilla bränndjupet, avståndet mellan linsen och arbetsstycket måste underhållas noggrant och inträngningsdjupet är inte stort. På grund av påverkan av stänk och laserläge som genereras i svetsprocessen, är det kortaste bränndjupet som används vid faktisk svetsning mestadels brännvidden på 126 mm (5"). När fogen är stor eller svetsfogen måste ökas genom att öka spotstorleken kan du välja ett objektiv med en brännvidd på 254 mm (10"). I detta fall krävs en högre laseruteffekt (effekttäthet) för att uppnå den djupa penetrerande pinhole-effekten.
När lasereffekten överstiger 2kW, speciellt för 10,6μm CO2-laserstrålen, på grund av användningen av speciella optiska material för att bilda det optiska systemet, för att undvika risken för optisk skada på fokuseringslinsen, är den reflekterande fokuseringsmetoden ofta används, och en polerad kopparspegel används vanligtvis som reflektor. Det rekommenderas ofta för att fokusera laserstrålar med hög effekt på grund av effektiv kylning.
7) Fokusposition. Vid svetsning är fokusläget kritiskt för att bibehålla tillräcklig effekttäthet. Förändringar i den relativa positionen för brännpunkten och arbetsstyckets yta påverkar direkt svetsens bredd och djup. Figur 2-6 visar effekten av fokusposition på penetrationsdjup och sömbredd för 1018 stål.
I de flesta lasersvetsapplikationer är brännpunkten typiskt placerad ungefär 1/4 av det önskade penetreringsdjupet under arbetsstyckets yta.
8) Laserstrålens läge. Vid lasersvetsning av olika material styr laserstrålens position den slutliga kvaliteten på svetsen, särskilt när det gäller stumfogar än överlappsfogar. Till exempel, när ett kugghjul av härdat stål svetsas till en trumma av mjukt stål, kommer korrekt kontroll av laserstrålens position att hjälpa till att producera en svets med en övervägande lågkolhaltig komponent som är relativt motståndskraftig mot sprickbildning. I vissa applikationer kräver geometrin hos arbetsstycket som ska svetsas att laserstrålen avböjs med en vinkel. När avböjningsvinkeln mellan strålaxeln och fogplanet är inom 100 grader, kommer absorptionen av laserenergi av arbetsstycket inte att påverkas.
9) Gradvis stig- och fallkontroll av lasereffekten vid svetsens start- och slutpunkter. Vid laserdjupsvetsning finns det alltid små hål oavsett svetsdjupet. När svetsprocessen avslutas och strömbrytaren stängs av, kommer en grop att dyka upp i slutet av svetsen. Dessutom, när lasersvetsskiktet täcker den ursprungliga svetsfogen, kommer överdriven absorption av laserstrålen att inträffa, vilket resulterar i överhettning av svetsen eller generering av porer.
För att förhindra att ovanstående fenomen inträffar kan kraftstart- och stopppunkterna programmeras för att göra kraftstart- och sluttid justerbar, det vill säga den initiala effekten ökas elektroniskt från noll till det inställda effektvärdet på kort tid, och svetsningen kan justeras. Tid, och slutligen reduceras effekten gradvis från den inställda effekten till noll när svetsningen avslutas.
03
Egenskaper och fördelar och nackdelar med lasersvetsning med djup penetration
Funktioner hos lasersvetsning med djup penetration
1) Högt bildförhållande. När den smälta metallen formas runt den cylindriska håligheten av het ånga och sträcker sig mot arbetsstycket, blir svetsen djup och smal.
2) Minsta värmetillförsel. Eftersom temperaturen i det lilla hålet är mycket hög, sker smältprocessen extremt snabbt, värmetillförseln till arbetsstycket är mycket låg och den termiska deformationen och värmepåverkade zonen är små.
3) Hög densitet. Eftersom de små porerna fyllda med högtemperaturånga bidrar till omrörning av svetsbadet och läcker ut gas, vilket resulterar i en penetrationssvets utan porer. Den höga kylhastigheten efter svetsning kan lätt göra svetsstrukturen finare.
4) Starka svetsar. På grund av den flammande värmekällan och tillräcklig absorption av icke-metalliska komponenter, reduceras föroreningshalten, och storleken på inneslutningarna och deras fördelning i den smälta poolen ändras. Svetsprocessen kräver inga elektroder eller tillsatstrådar, och smältzonen är mindre förorenad, så att styrkan och segheten hos svetsen är åtminstone lika med eller till och med högre än den hos modermetallen.
5) Exakt kontroll. Eftersom den fokuserade ljuspunkten är liten kan svetssömmen placeras med hög precision. Laserutgången har ingen "tröghet", den kan stoppas och startas om med hög hastighet, och det komplexa arbetsstycket kan svetsas med den numeriska styrstrålens rörelseteknik.
6) Beröringsfri atmosfärisk svetsprocess. Eftersom energin kommer från fotonstrålen finns det ingen fysisk kontakt med arbetsstycket, så ingen yttre kraft appliceras på arbetsstycket. Dessutom har magnetism och luft ingen effekt på laserljus.
Fördelar med laserdjupsvetsning
1) Eftersom den fokuserade lasern har en mycket högre effekttäthet än konventionella metoder är svetshastigheten snabb, den värmepåverkade zonen och deformationen är liten och svårsvetsade material som titan kan också svetsas.
2) Eftersom strålen är lätt att överföra och kontrollera, och det finns inget behov av att byta ut brännaren och munstycket ofta, och det krävs inget vakuum för elektronstrålesvetsning, vilket avsevärt minskar den extra tiden för stillestånd, så belastningsfaktorn och produktionseffektiviteten är hög.
3) På grund av reningseffekten och den höga kylhastigheten är svetshållfastheten, segheten och den omfattande prestandan hög.
4) På grund av den låga genomsnittliga värmetillförseln och den höga bearbetningsprecisionen kan upparbetningskostnaderna minskas; dessutom är driftskostnaden för lasersvetsning också låg, vilket kan minska bearbetningskostnaderna för arbetsstycket.
5) Det kan effektivt kontrollera strålens intensitet och finpositionering, och det är lätt att realisera automatisk drift.
Nackdelar med laserdjupsvetsning
1) Svetsdjupet är begränsat.
2) Monteringskraven för arbetsstycket är höga.
3) Engångsinvesteringen för lasersystemet är relativt hög
