Принцип лазерной сварки
Лазерная сварка может быть достигнута с помощью непрерывных или импульсных лазерных лучей. Принцип лазерной сварки можно разделить на сварку теплопроводностью и лазерную сварку с глубоким проплавлением. Когда плотность мощности меньше 104~105 Вт/см2, это сварка теплопроводностью. В это время глубина проплавления небольшая, а скорость сварки низкая; когда плотность мощности превышает 105~107 Вт/см2, металлическая поверхность погружается в «полости» при нагреве, образуя сварку с глубоким проплавлением, которая имеет характеристики высокой скорости сварки и большого соотношения сторон.
Принцип теплопроводной лазерной сварки заключается в следующем: лазерное излучение нагревает обрабатываемую поверхность, а поверхностное тепло диффундирует внутрь за счет теплопроводности. Управляя шириной лазерного импульса, энергией, пиковой мощностью и частотой повторения, а также другими параметрами лазера, заготовка плавится, образуя определенную расплавленную ванну. .
Лазерный сварочный аппарат, используемый для сварки зубчатых колес и металлургической сварки тонких листов, в основном включает лазерную сварку с глубоким проплавлением. Далее основное внимание уделяется принципу лазерной сварки с глубоким проплавлением.
Лазерная сварка с глубоким проплавлением обычно использует непрерывные лазерные лучи для завершения соединения материалов, а ее металлургический физический процесс очень похож на электронно-лучевую сварку, то есть механизм преобразования энергии завершается через структуру «замочная скважина». При достаточно высокой плотности мощности лазерного излучения материал испаряется и образует мелкие поры. Это маленькое отверстие, наполненное паром, похоже на черное тело, поглощающее почти всю энергию падающего луча, а равновесная температура в полости достигает примерно 2500 0C. Тепло передается от внешней стенки высокотемпературной полости для расплавления металла, окружающего полость. Небольшое отверстие заполнено высокотемпературным паром, образующимся в результате непрерывного испарения материала стенки под действием луча, стенки маленького отверстия окружены расплавленным металлом, а жидкий металл окружен твердыми материалами (в то время как в В большинстве обычных сварочных процессов и лазерной кондуктивной сварки энергия сначала аккумулируется на поверхности заготовки, а затем транспортируется внутрь за счет передачи). Поток жидкости вне стенки поры и поверхностное натяжение пристеночного слоя поддерживают динамическое равновесие с постоянно генерируемым давлением пара в полости поры. Луч непрерывно входит в маленькое отверстие, и материал за пределами маленького отверстия непрерывно течет. По мере движения луча маленькое отверстие всегда находится в стабильном состоянии потока. То есть маленькое отверстие и расплавленный металл, окружающий стенку отверстия, движутся вперед со скоростью ведущего луча, и расплавленный металл заполняет зазор, оставленный маленьким отверстием, а затем конденсируется, так что образуется сварной шов. Весь этот вышеописанный процесс происходит настолько быстро, что скорость сварки легко может достигать нескольких метров в минуту.
02
Основные параметры процесса лазерной сварки с глубоким проплавлением
1) Мощность лазера. При лазерной сварке существует пороговое значение плотности энергии лазера. Ниже этого значения глубина проникновения очень мала. Как только это значение будет достигнуто или превышено, глубина проникновения будет значительно увеличена. Плазма генерируется только тогда, когда плотность мощности лазера на заготовке превышает пороговое значение (в зависимости от материала), что свидетельствует о прогрессе стабильной сварки с глубоким проплавлением. Если мощность лазера ниже этого порога, происходит только поверхностное плавление заготовки, т. е. сварка происходит со стабильной теплопроводностью. Когда плотность мощности лазера близка к критическому условию для образования небольших отверстий, попеременно выполняются сварка с глубоким проплавлением и контактная сварка, что становится нестабильным процессом сварки, что приводит к большим колебаниям глубины проплавления. Во время лазерной сварки с глубоким проплавлением мощность лазера одновременно регулирует глубину проплавления и скорость сварки. Проплавление при сварке напрямую связано с плотностью мощности луча и зависит от мощности падающего луча и фокусного пятна луча. В общем, для лазерного луча определенного диаметра глубина проникновения увеличивается с увеличением мощности луча.
2) Фокусное пятно луча. Размер пятна луча является одной из наиболее важных переменных в лазерной сварке, поскольку он определяет плотность мощности. Но для мощных лазеров его измерение представляет собой сложную задачу, хотя существует множество косвенных методов измерения.
Дифракционно-ограниченный размер пятна фокуса луча можно рассчитать в соответствии с теорией дифракции света, но из-за наличия аберрации фокусирующей линзы фактический размер пятна больше расчетного значения. Наиболее простым практическим методом является метод изотермического профилирования, при котором измеряется фокусное пятно и диаметр перфорации после обугливания и прокалывания полипропиленовой пластины плотной бумагой. Этот метод должен освоить мощность лазера и время действия луча посредством практики измерения.
3) Коэффициент поглощения материала. Поглощение лазерного излучения материалами зависит от некоторых важных свойств материалов, таких как поглощательная способность, отражательная способность, теплопроводность, температура плавления, температура испарения и т. д., важнейшим из которых является поглощательная способность.
Факторы, влияющие на скорость поглощения материала лазерным лучом, включают два аспекта: первый — это удельное сопротивление материала. После измерения скорости поглощения полированной поверхности материала обнаружено, что скорость поглощения материала пропорциональна квадратному корню из удельного сопротивления, а удельное сопротивление зависит от температуры. Во-вторых, состояние поверхности (или гладкость) материала имеет более важное влияние на скорость поглощения луча, что оказывает существенное влияние на эффект сварки.
Выходная длина волны CO2-лазера обычно составляет 10,6 мкм. Скорость поглощения керамики, стекла, резины, пластика и других неметаллов очень высока при комнатной температуре, в то время как скорость поглощения металлических материалов очень низкая при комнатной температуре, пока материал не расплавится или даже не станет газом. Его поглощение резко возрастает. Очень эффективно улучшить поглощение световых лучей материалом с помощью поверхностного покрытия или формирования поверхностной оксидной пленки.
4) Скорость сварки. Скорость сварки оказывает большое влияние на глубину проплавления. Увеличение скорости приведет к неглубокому проплавлению, но если скорость слишком низкая, материал будет переплавлен, и заготовка будет проварена. Следовательно, существует подходящий диапазон скоростей сварки для конкретного материала с определенной мощностью лазера и определенной толщиной, и максимальная глубина проплавления может быть получена при соответствующем значении скорости. На рис. 10-2 показана зависимость между скоростью сварки и глубиной проплавления стали 1018.
5) Защитный газ. Инертный газ часто используется для защиты ванны расплава в процессе лазерной сварки. Когда некоторые материалы свариваются независимо от окисления поверхности, защита может не учитываться, но для большинства применений в качестве защиты часто используются гелий, аргон, азот и другие газы, чтобы сделать заготовку Защищенной от окисления во время пайки.
Гелий плохо ионизируется (более высокая энергия ионизации), что позволяет лазеру проходить беспрепятственно, а энергия луча беспрепятственно достигает поверхности заготовки. Это самый эффективный защитный газ, используемый при лазерной сварке, но он дороже.
Газ аргон дешевле и плотнее, поэтому эффект защиты лучше. Однако он подвержен высокотемпературной плазменной ионизации металла, которая экранирует часть луча от попадания на заготовку, снижает эффективную мощность лазера для сварки, а также снижает скорость сварки и проплавление. Поверхность сварного соединения, защищенного аргоном, более гладкая, чем при защите гелием.
Азот является самым дешевым защитным газом, но он не подходит для сварки некоторых типов нержавеющей стали, в основном из-за металлургических проблем, таких как абсорбция, которая иногда приводит к пористости в области нахлеста.
Второй функцией использования защитного газа является защита фокусирующей линзы от загрязнения парами металла и разбрызгивания капель жидкости. Особенно при мощной лазерной сварке, поскольку выброс становится очень мощным, в это время более необходимо защищать линзу.
Третья функция защитного газа заключается в том, что он очень эффективно рассеивает плазменный экран, создаваемый мощной лазерной сваркой. Пары металла поглощают лазерный луч и ионизуются в облако плазмы, а защитный газ вокруг паров металла также ионизируется за счет тепла. Если плазмы слишком много, лазерный луч частично поглощается плазмой. Плазма существует на рабочей поверхности как вторая энергия, что делает проплавление неглубоким, а поверхность сварочной ванны расширяется. Скорость рекомбинации электронов увеличивается за счет увеличения трехчастичных столкновений электронов с ионами и нейтральными атомами для уменьшения электронной плотности в плазме. Чем легче нейтральные атомы, тем выше частота столкновений и выше скорость рекомбинации; с другой стороны, только защитный газ с высокой энергией ионизации не будет увеличивать плотность электронов за счет ионизации самого газа.
Размер плазменного облака зависит от используемого защитного газа: наименьшим является гелий, вторым - азот, а самым большим - аргон. Чем больше размер плазмы, тем меньше проникновение. Причина этого различия связана, во-первых, с разной степенью ионизации молекул газа, а также с разницей в диффузии паров металла, вызванной разной плотностью защитного газа.
Гелий является наименее ионизированным и наименее плотным газом, и он быстро отталкивает поднимающиеся пары металла, образующиеся в ванне с расплавленным металлом. Поэтому использование гелия в качестве защитного газа позволяет в наибольшей степени подавить плазму, тем самым увеличив глубину проплавления и скорость сварки; из-за своего легкого веса он может стекать, и его нелегко вызвать поры. Конечно, из нашего фактического эффекта сварки эффект аргоновой защиты неплох.
Влияние облака плазмы на проплавление наиболее заметно в области низких скоростей сварки. Его влияние уменьшается по мере увеличения скорости сварки.
Защитный газ впрыскивается под определенным давлением через сопло, чтобы достичь поверхности заготовки. Гидродинамическая форма сопла и диаметр выходного отверстия очень важны. Он должен быть достаточно большим, чтобы распыляемый защитный газ покрывал поверхность сварки, но для эффективной защиты линзы и предотвращения загрязнения линз парами металла или повреждения линзы металлическими брызгами размер сопла также должен быть ограничен. Скорость потока также следует контролировать, иначе ламинарное течение защитного газа станет турбулентным, а атмосфера будет вовлекаться в расплавленную ванну, в конечном итоге образуя поры.
Для повышения защитного эффекта может применяться и дополнительный способ боковой продувки, то есть через сопло меньшего диаметра защитный газ впрыскивается непосредственно в маленькое отверстие глубокого проплавления под определенным углом. Защитный газ не только подавляет плазменное облако на поверхности заготовки, но и влияет на образование плазмы и мелких отверстий в отверстии, дополнительно увеличивает глубину провара и обеспечивает сварной шов с идеальным соотношением глубины и ширины. . Однако этот метод требует точного контроля размера и направления воздушного потока, в противном случае может возникнуть турбулентный поток, который разрушит расплавленную ванну, что затруднит стабилизацию процесса сварки.
6) Фокусное расстояние объектива. Метод фокусировки обычно используется для конденсации лазера во время сварки, и обычно используется линза с фокусным расстоянием 63~254 мм (2,5"~10"). Размер пятна фокусировки пропорционален фокусному расстоянию, чем меньше фокусное расстояние, тем меньше пятно. Но фокусное расстояние также влияет на глубину фокуса, то есть глубина фокуса увеличивается синхронно с фокусным расстоянием, поэтому короткое фокусное расстояние может увеличить плотность мощности, но из-за малой глубины фокуса расстояние между объективом и заготовкой необходимо точно выдерживать, а глубина проникновения невелика. Из-за влияния разбрызгивания и лазерного режима, генерируемого в процессе сварки, наименьшая глубина фокуса, используемая при фактической сварке, в основном составляет фокусное расстояние 126 мм (5 дюймов). Когда соединение большое или сварной шов необходимо увеличить за счет увеличения размер пятна можно выбрать объектив с фокусным расстоянием 254 мм (10"). В этом случае для достижения эффекта пинхола глубокого проникновения требуется более высокая выходная мощность лазера (плотность мощности).
Когда мощность лазера превышает 2 кВт, особенно для луча CO2-лазера 10,6 мкм, из-за использования специальных оптических материалов для формирования оптической системы, чтобы избежать риска оптического повреждения фокусирующей линзы, метод отражательной фокусировки часто используется, а в качестве отражателя обычно используется полированное медное зеркало. Его часто рекомендуют для фокусировки мощных лазерных лучей из-за эффективного охлаждения.
7) Положение фокуса. При сварке положение фокуса имеет решающее значение для поддержания достаточной удельной мощности. Изменения относительного положения фокальной точки и поверхности заготовки напрямую влияют на ширину и глубину сварного шва. На рис. 2-6 показано влияние положения фокуса на глубину проплавления и ширину шва стали 1018.
В большинстве применений лазерной сварки фокусная точка обычно располагается примерно на 1/4 желаемой глубины проплавления ниже поверхности заготовки.
8) Положение лазерного луча. При лазерной сварке разнородных материалов положение лазерного луча определяет конечное качество сварного шва, особенно в случае стыковых соединений, а не внахлестку. Например, когда зубчатое колесо из закаленной стали приваривается к барабану из мягкой стали, правильный контроль положения лазерного луча поможет получить сварной шов с преимущественно низкоуглеродистым компонентом, который относительно устойчив к растрескиванию. В некоторых случаях геометрия свариваемой детали требует отклонения лазерного луча на угол. Когда угол отклонения между осью луча и плоскостью соединения находится в пределах 100 градусов, поглощение лазерной энергии заготовкой не будет затронуто.
9) Плавный контроль нарастания и падения мощности лазера в начальной и конечной точках сварки. При лазерной сварке с глубоким проплавлением небольшие отверстия всегда существуют независимо от глубины сварного шва. Когда процесс сварки завершен и выключатель питания выключен, в конце сварного шва появится ямка. Кроме того, когда слой лазерной сварки покрывает первоначальный сварной шов, происходит чрезмерное поглощение лазерного луча, что приводит к перегреву сварного шва или образованию пор.
Чтобы предотвратить возникновение вышеуказанного явления, точки начала и окончания мощности можно запрограммировать, чтобы сделать время начала и окончания мощности регулируемым, то есть начальная мощность увеличивается электронным способом от нуля до установленного значения мощности за короткое время. и сварка может быть отрегулирована. Время и, наконец, мощность постепенно снижается от установленной мощности до нуля по окончании сварки.
03
Особенности, преимущества и недостатки лазерной сварки с глубоким проплавлением
Особенности лазерной сварки с глубоким проплавлением
1) Высокое соотношение сторон. По мере того, как расплавленный металл формируется вокруг цилиндрической полости горячего пара и распространяется к заготовке, сварной шов становится глубоким и узким.
2) Минимальная тепловая нагрузка. Поскольку температура в маленьком отверстии очень высока, процесс плавления происходит очень быстро, подвод тепла к заготовке очень низкий, а термическая деформация и зона термического влияния малы.
3) Высокая плотность. Поскольку небольшие поры, заполненные высокотемпературным паром, способствуют взбалтыванию сварочной ванны и выходу газа, что приводит к сварному шву с проплавлением без пор. Высокая скорость охлаждения после сварки может легко сделать структуру сварного шва более тонкой.
4) Прочные сварные швы. За счет пылающего источника тепла и достаточного поглощения неметаллических компонентов снижается содержание примесей, изменяются размеры включений и их распределение в ванне расплава. В процессе сварки не требуются электроды или присадочная проволока, а зона плавления менее загрязнена, так что прочность и ударная вязкость сварного шва по крайней мере равны или даже выше, чем у основного металла.
5) Точный контроль. Поскольку сфокусированное световое пятно маленькое, сварной шов можно позиционировать с высокой точностью. Лазерный выход не имеет «инерции», его можно остановить и перезапустить на высокой скорости, а сложную заготовку можно сварить с помощью технологии перемещения луча с числовым программным управлением.
6) Бесконтактный процесс атмосферной сварки. Поскольку энергия исходит от фотонного луча, физический контакт с заготовкой отсутствует, поэтому к заготовке не прилагается никакая внешняя сила. Кроме того, магнетизм и воздух не влияют на лазерный свет.
Преимущества лазерной сварки с глубоким проплавлением
1) Поскольку сфокусированный лазер имеет гораздо более высокую удельную мощность, чем обычные методы, скорость сварки высокая, зона термического влияния и деформация малы, а также можно сваривать трудносвариваемые материалы, такие как титан.
2) Поскольку луч легко передается и контролируется, и нет необходимости часто заменять горелку и сопло, а для электронно-лучевой сварки не требуется вакуум, что значительно сокращает вспомогательное время простоя, поэтому коэффициент нагрузки и эффективность производства высока.
3) Благодаря эффекту очистки и высокой скорости охлаждения прочность сварного шва, ударная вязкость и всесторонняя производительность высоки.
4) Благодаря низкому среднему подводу тепла и высокой точности обработки можно снизить затраты на переработку; Кроме того, эксплуатационные расходы на лазерную сварку также низки, что может снизить затраты на обработку заготовки.
5) Он может эффективно контролировать интенсивность луча и точное позиционирование, и его легко реализовать в автоматическом режиме.
Недостатки лазерной сварки с глубоким проплавлением
1) Глубина сварки ограничена.
2) Требования к сборке заготовки высоки.
3) Единовременные инвестиции в лазерную систему относительно высоки.
