Princíp laserového zvárania
Laserové zváranie je možné dosiahnuť kontinuálnym alebo pulzným laserovým lúčom. Princíp laserového zvárania možno rozdeliť na zváranie tepelným vedením a laserové zváranie hlbokou penetráciou. Keď je hustota výkonu menšia ako 104~105 W/cm2, ide o zváranie vedením tepla. V tomto čase je hĺbka prieniku malá a rýchlosť zvárania je nízka; keď je hustota výkonu väčšia ako 105 ~ 107 W/cm2, kovový povrch sa zahrievaním ponorí do "dutín", čím sa vytvorí zváranie s hlbokým prienikom, ktoré má vlastnosti rýchlej rýchlosti zvárania a veľkého pomeru strán.
Princíp tepelného laserového zvárania je: laserové žiarenie ohrieva povrch, ktorý sa má spracovať, a povrchové teplo sa vedením tepla šíri dovnútra. Riadením šírky laserového impulzu, energie, špičkového výkonu a frekvencie opakovania a ďalších parametrov lasera sa obrobok roztaví a vytvorí sa špecifický roztavený kúpeľ. .
Laserový zvárací stroj používaný na zváranie ozubených kolies a metalurgické zváranie tenkých plechov zahŕňa hlavne laserové zváranie hlbokou penetráciou. Nasledujúce sa zameriava na princíp laserového zvárania hlbokou penetráciou.
Laserové zváranie hlbokou penetráciou vo všeobecnosti používa kontinuálne laserové lúče na dokončenie spojenia materiálov a jeho metalurgický fyzikálny proces je veľmi podobný zváraniu elektrónovým lúčom, to znamená, že mechanizmus premeny energie je dokončený cez štruktúru "kľúčovej dierky". Pri dostatočne vysokej hustote výkonu laserového žiarenia sa materiál odparuje a vytvára malé póry. Táto malá diera plná pary je ako čierne teleso, absorbuje takmer všetku energiu dopadajúceho lúča a rovnovážna teplota v dutine dosahuje asi 2500 0C. Teplo sa prenáša z vonkajšej steny vysokoteplotnej dutiny na roztavenie kovu obklopujúceho dutinu. Malý otvor je naplnený vysokoteplotnou parou generovanou kontinuálnym vyparovaním materiálu steny pod ožiarením lúča, steny malého otvoru sú obklopené roztaveným kovom a tekutý kov je obklopený pevnými materiálmi (zatiaľ čo v väčšina konvenčných zváracích procesov a laserového kondukčného zvárania, energia sa najskôr uloží na povrch obrobku a potom sa prenáša do interiéru prenosom). Prúdenie kvapaliny mimo steny pórov a povrchové napätie vrstvy steny udržiavajú dynamickú rovnováhu s kontinuálne vytváraným tlakom pary v dutine pórov. Lúč nepretržite vstupuje do malého otvoru a materiál mimo malého otvoru nepretržite prúdi. Keď sa lúč pohybuje, malý otvor je vždy v stabilnom stave toku. To znamená, že malý otvor a roztavený kov obklopujúci stenu otvoru sa pohybujú dopredu rýchlosťou vedúceho lúča a roztavený kov vyplní medzeru zanechanú malým otvorom a potom kondenzuje, takže sa vytvorí zvar. Všetky vyššie uvedené procesy prebiehajú tak rýchlo, že rýchlosť zvárania môže ľahko dosiahnuť niekoľko metrov za minútu.
02
Hlavné parametre procesu zvárania hlbokou penetráciou laserom
1) Výkon lasera. Pri laserovom zváraní existuje prahová hodnota hustoty energie lasera. Pod touto hodnotou je hĺbka prieniku veľmi malá. Po dosiahnutí alebo prekročení tejto hodnoty sa hĺbka prieniku výrazne zvýši. Plazma sa generuje iba vtedy, keď hustota výkonu lasera na obrobku prekročí prahovú hodnotu (v závislosti od materiálu), ktorá označuje postup stabilného zvárania s hlbokým prienikom. Ak je výkon lasera pod touto hranicou, prebieha iba povrchové tavenie obrobku, tj zváranie prebieha so stabilným vedením tepla. Keď sa hustota výkonu lasera blíži ku kritickej podmienke na vytváranie malých otvorov, striedavo sa vykonáva zváranie hlbokým prienikom a zváranie vodivosťou, čo sa stáva nestabilným procesom zvárania, čo vedie k veľkým výkyvom v hĺbke prieniku. Počas laserového zvárania s hlbokým prienikom výkon lasera súčasne riadi hĺbku prieniku a rýchlosť zvárania. Prienik zvárania priamo súvisí s hustotou výkonu lúča a je funkciou výkonu dopadajúceho lúča a ohniska lúča. Vo všeobecnosti platí, že pre laserový lúč určitého priemeru sa hĺbka prieniku zvyšuje so zvyšujúcim sa výkonom lúča.
2) Ohniskový bod lúča. Veľkosť bodu lúča je jednou z najdôležitejších premenných pri laserovom zváraní, pretože určuje hustotu výkonu. Ale pre vysokovýkonné lasery je jeho meranie zložitým problémom, hoci existuje veľa nepriamych meracích techník.
Difrakčne obmedzená veľkosť bodu ohniska lúča sa môže vypočítať podľa teórie difrakcie svetla, ale kvôli existencii aberácie zaostrovacej šošovky je skutočná veľkosť bodu väčšia ako vypočítaná hodnota. Najjednoduchšou praktickou metódou je metóda izotermického profilovania, ktorá meria ohniskovú škvrnu a priemer perforácie po zuhoľnatení a penetrácii polypropylénovej platne hrubým papierom. Táto metóda potrebuje zvládnuť výkon lasera a čas pôsobenia lúča prostredníctvom praxe merania.
3) Hodnota absorpcie materiálu. Absorpcia laserového svetla materiálmi závisí od niektorých dôležitých vlastností materiálov, ako je nasiakavosť, odrazivosť, tepelná vodivosť, teplota topenia, teplota vyparovania atď., z ktorých najdôležitejšia je nasiakavosť.
Faktory, ktoré ovplyvňujú rýchlosť absorpcie materiálu laserovým lúčom, zahŕňajú dva aspekty: prvým je merný odpor materiálu. Po meraní rýchlosti absorpcie lešteného povrchu materiálu sa zistilo, že rýchlosť absorpcie materiálu je úmerná druhej odmocnine merného odporu a merný odpor sa mení s teplotou. Po druhé, stav povrchu (alebo hladkosť) materiálu má dôležitejší vplyv na rýchlosť absorpcie lúča, čo má významný vplyv na účinok zvárania.
Výstupná vlnová dĺžka CO2 lasera je zvyčajne 10,6 μm. Miera absorpcie keramiky, skla, gumy, plastov a iných nekovov je veľmi vysoká pri izbovej teplote, zatiaľ čo miera absorpcie kovových materiálov je pri izbovej teplote veľmi nízka, až kým sa materiál neroztopí alebo dokonca plyn. Jeho absorpcia sa dramaticky zvyšuje. Je veľmi efektívne zlepšiť absorpciu svetelných lúčov materiálom pomocou povrchovej úpravy alebo tvorby povrchového oxidového filmu.
4) Rýchlosť zvárania. Rýchlosť zvárania má veľký vplyv na hĺbku prieniku. Zvýšením rýchlosti bude prienik plytký, ale ak je rýchlosť príliš nízka, materiál sa pretaví a obrobok sa prevarí. Preto existuje vhodný rozsah rýchlosti zvárania pre konkrétny materiál s určitým výkonom lasera a určitou hrúbkou a maximálnu hĺbku prieniku možno získať pri zodpovedajúcej hodnote rýchlosti. Obrázok 10-2 ukazuje vzťah medzi rýchlosťou zvárania a hĺbkou prieniku ocele 1018.
5) Ochranný plyn. Inertný plyn sa často používa na ochranu roztaveného kúpeľa v procese laserového zvárania. Keď sa niektoré materiály zvárajú bez ohľadu na oxidáciu povrchu, ochrana sa nemusí brať do úvahy, ale pre väčšinu aplikácií sa ako ochrana často používa hélium, argón, dusík a iné plyny, aby bol obrobok chránený pred oxidáciou počas spájkovania.
Hélium nie je ľahko ionizovateľné (vyššia ionizačná energia), čo umožňuje hladký prechod lasera a energia lúča sa bez prekážok dostane na povrch obrobku. Ide o najúčinnejší ochranný plyn používaný pri laserovom zváraní, je však drahší.
Argónový plyn je lacnejší a hustejší, takže ochranný účinok je lepší. Je však náchylný na vysokoteplotnú ionizáciu kovovou plazmou, ktorá chráni časť lúča pred dopadom na obrobok, znižuje efektívny výkon lasera na zváranie a tiež poškodzuje rýchlosť zvárania a penetráciu. Povrch zvarenca chránený argónom je hladší ako pri ochrane héliom.
Dusík je najlacnejší ochranný plyn, ale nie je vhodný na zváranie niektorých druhov nehrdzavejúcej ocele, najmä kvôli metalurgickým problémom, ako je absorpcia, ktorá niekedy vytvára pórovitosť v oblasti prekrytia.
Druhou funkciou použitia ochranného plynu je ochrana zaostrovacej šošovky pred kontamináciou kovovými parami a rozprašovaním kvapiek kvapaliny. Najmä pri vysokovýkonnom laserovom zváraní, pretože vyhadzovanie sa stáva veľmi silným, je v tomto čase potrebné chrániť šošovku.
Treťou funkciou ochranného plynu je, že je veľmi účinný pri rozptyľovaní plazmového štítu vytvoreného vysokovýkonným laserovým zváraním. Kovová para absorbuje laserový lúč a ionizuje do plazmového oblaku a ochranný plyn okolo kovových pár je tiež ionizovaný v dôsledku tepla. Ak je prítomné príliš veľa plazmy, laserový lúč je trochu spotrebovaný plazmou. Plazma existuje na pracovnej ploche ako druhá energia, vďaka čomu je prienik plytký a povrch zvarového kúpeľa sa rozširuje. Rýchlosť rekombinácie elektrónov sa zvyšuje zvýšením zrážky troch telies elektrónov s iónmi a neutrálnymi atómami, aby sa znížila hustota elektrónov v plazme. Čím ľahšie sú neutrálne atómy, tým vyššia je kolízna frekvencia a tým vyššia je rýchlosť rekombinácie; na druhej strane len ochranný plyn s vysokou ionizačnou energiou nezvýši elektrónovú hustotu v dôsledku ionizácie samotného plynu.
Veľkosť plazmového oblaku sa mení podľa použitého ochranného plynu, pričom hélium je najmenšie, dusík je druhý a argón je najväčší. Čím väčšia je veľkosť plazmy, tým plytšia je penetrácia. Dôvodom tohto rozdielu je jednak rozdielny stupeň ionizácie molekúl plynu a tiež rozdiel v difúzii kovových pár spôsobený rozdielnymi hustotami ochranného plynu.
Hélium je najmenej ionizovaný a najmenej hustý plyn a rýchlo odvádza stúpajúce kovové výpary generované z kúpeľa roztaveného kovu. Preto použitie hélia ako ochranného plynu môže v najväčšej miere potlačiť plazmu, čím sa zvýši hĺbka prieniku a zvýši sa rýchlosť zvárania; vďaka svojej nízkej hmotnosti môže uniknúť a nie je ľahké spôsobiť póry. Samozrejme, z nášho skutočného zváracieho efektu nie je efekt argónovej ochrany zlý.
Vplyv plazmového oblaku na penetráciu je najzreteľnejší v oblasti nízkej rýchlosti zvárania. Jeho účinok sa znižuje so zvyšujúcou sa rýchlosťou zvárania.
Ochranný plyn sa vstrekuje pod určitým tlakom cez trysku, aby sa dostal na povrch obrobku. Veľmi dôležitý je hydrodynamický tvar dýzy a priemer výtoku. Musí byť dostatočne veľká na to, aby poháňala nastriekaný ochranný plyn tak, aby pokryl zvárací povrch, ale aby sa šošovka účinne chránila a zabránilo sa kontaminácii kovových pár alebo poškodeniu šošovky rozstrekom kovu, mala by byť tiež obmedzená veľkosť dýzy. Prietok by mal byť tiež riadený, inak sa laminárne prúdenie ochranného plynu stane turbulentným a atmosféra bude zapojená do roztaveného bazéna, prípadne sa vytvoria póry.
Na zlepšenie ochranného účinku je možné použiť aj dodatočnú metódu bočného fúkania, to znamená, že cez dýzu s menším priemerom sa ochranný plyn vstrekuje priamo do malého otvoru hlbokopenetračného zvárania pod určitým uhlom. Ochranný plyn nielen potláča plazmový oblak na povrchu obrobku, ale má vplyv aj na tvorbu plazmy a malých otvorov v otvore, ďalej zvyšuje hĺbku prieniku a získava zvar s ideálnym pomerom hĺbky a šírky. . Táto metóda však vyžaduje presnú kontrolu veľkosti a smeru prúdenia vzduchu, v opačnom prípade je pravdepodobné, že dôjde k turbulentnému prúdeniu a zničí roztavený kúpeľ, čo sťaží stabilizáciu procesu zvárania.
6) Ohnisková vzdialenosť objektívu. Metóda zaostrovania sa zvyčajne používa na kondenzáciu lasera počas zvárania a všeobecne sa používa šošovka s ohniskovou vzdialenosťou 63 ~ 254 mm (2,5 "~ 10"). Veľkosť ohniska je úmerná ohniskovej vzdialenosti, čím kratšia je ohnisková vzdialenosť, tým je bod menší. Ohnisková vzdialenosť však ovplyvňuje aj hĺbku ohniska, to znamená, že hĺbka ohniska sa zvyšuje synchrónne s ohniskovou vzdialenosťou, takže krátka ohnisková vzdialenosť môže zvýšiť hustotu výkonu, ale kvôli malej hĺbke ohniskovej vzdialenosti je vzdialenosť medzi šošovkou a obrobkom musia byť presne udržiavané a hĺbka prieniku nie je veľká. V dôsledku vplyvu rozstreku a laserového režimu generovaného v procese zvárania je najkratšia ohnisková hĺbka používaná pri skutočnom zváraní väčšinou ohnisková vzdialenosť 126 mm (5"). Keď je spoj veľký alebo je potrebné zvýšiť zvarový šev veľkosť bodu, môžete zvoliť objektív s ohniskovou vzdialenosťou 254 mm (10"). V tomto prípade je na dosiahnutie efektu hĺbkovej dierky potrebný vyšší výkon lasera (hustota výkonu).
Keď výkon lasera prekročí 2 kW, najmä pre 10,6μm CO2 laserový lúč, v dôsledku použitia špeciálnych optických materiálov na vytvorenie optického systému, aby sa predišlo riziku optického poškodenia zaostrovacej šošovky, často sa používa metóda reflexného zaostrovania. a ako reflektor sa zvyčajne používa leštené medené zrkadlo. Často sa odporúča na zaostrovanie vysokovýkonných laserových lúčov kvôli efektívnemu chladeniu.
7) Poloha zaostrenia. Pri zváraní je poloha zaostrenia kritická, aby sa zachovala dostatočná hustota výkonu. Zmeny relatívnej polohy ohniska a povrchu obrobku priamo ovplyvňujú šírku a hĺbku zvaru. Obrázok 2-6 ukazuje vplyv polohy zaostrenia na hĺbku prieniku a šírku švu ocele 1018.
Vo väčšine aplikácií laserového zvárania je ohnisko zvyčajne umiestnené približne 1/4 požadovanej hĺbky prieniku pod povrchom obrobku.
8) Poloha laserového lúča. Pri laserovom zváraní rôznych materiálov poloha laserového lúča riadi konečnú kvalitu zvaru, najmä v prípade tupých spojov ako preplátovaných spojov. Napríklad, keď je ozubené koleso z tvrdenej ocele privarené k bubnu z mäkkej ocele, správna kontrola polohy laserového lúča pomôže vytvoriť zvar s prevažne nízkym obsahom uhlíka, ktorý je relatívne odolný voči praskaniu. V niektorých aplikáciách geometria zváraného obrobku vyžaduje, aby bol laserový lúč vychýlený o určitý uhol. Keď je uhol vychýlenia medzi osou lúča a rovinou spoja v rozmedzí 100 stupňov, absorpcia laserovej energie obrobkom nebude ovplyvnená.
9) Postupná regulácia vzostupu a poklesu výkonu lasera na začiatku a konci zvárania. Počas zvárania hlbokou penetráciou laserom vždy existujú malé otvory bez ohľadu na hĺbku zvaru. Po ukončení procesu zvárania a vypnutí hlavného vypínača sa na konci zvaru objaví jamka. Okrem toho, keď vrstva laserového zvárania prekryje pôvodný zvarový šev, dôjde k nadmernej absorpcii laserového lúča, čo vedie k prehriatiu zvaru alebo tvorbe pórov.
Aby sa predišlo vyššie uvedenému javu, môžu byť body spustenia a zastavenia výkonu naprogramované tak, aby bol čas spustenia a ukončenia výkonu nastaviteľný, to znamená, že počiatočný výkon sa elektronicky zvýši z nuly na nastavenú hodnotu výkonu v krátkom čase, a zváranie je možné nastaviť. Čas a nakoniec výkon sa po ukončení zvárania postupne znižuje z nastaveného výkonu na nulu.
03
Vlastnosti a výhody a nevýhody laserového zvárania hlbokou penetráciou
Vlastnosti laserového zvárania hlbokou penetráciou
1) Vysoký pomer strán. Keď sa roztavený kov vytvára okolo valcovej dutiny horúcej pary a rozširuje sa smerom k obrobku, zvar sa stáva hlbokým a úzkym.
2) Minimálny tepelný príkon. Pretože teplota v malom otvore je veľmi vysoká, proces tavenia prebieha extrémne rýchlo, vstup tepla do obrobku je veľmi nízky a tepelná deformácia a tepelne ovplyvnená zóna sú malé.
3) Vysoká hustota. Pretože malé póry vyplnené vysokoteplotnou parou prispievajú k miešaniu zvarového kúpeľa a úniku plynu, výsledkom čoho je penetračný zvar bez pórov. Vysoká rýchlosť ochladzovania po zváraní môže ľahko zjemniť štruktúru zvaru.
4) Silné zvary. V dôsledku horiaceho zdroja tepla a dostatočnej absorpcie nekovových komponentov sa znižuje obsah nečistôt a mení sa veľkosť inklúzií a ich distribúcia v roztavenom kúpeli. Proces zvárania nevyžaduje elektródy ani prídavné drôty a zóna tavenia je menej znečistená, takže pevnosť a húževnatosť zvaru je aspoň rovnaká alebo dokonca vyššia ako pevnosť základného kovu.
5) Presné ovládanie. Pretože zaostrený svetelný bod je malý, zvarový šev môže byť umiestnený s vysokou presnosťou. Laserový výstup nemá žiadnu „zotrvačnosť“, je možné ho zastaviť a reštartovať vysokou rýchlosťou a komplexný obrobok je možné zvárať pomocou technológie pohybu lúča s numerickým riadením.
6) Bezkontaktný proces atmosférického zvárania. Pretože energia pochádza z fotónového lúča, nedochádza k fyzickému kontaktu s obrobkom, takže na obrobok nepôsobí žiadna vonkajšia sila. Okrem toho magnetizmus a vzduch nemajú žiadny vplyv na laserové svetlo.
Výhody laserového zvárania hlbokou penetráciou
1) Keďže zaostrený laser má oveľa vyššiu hustotu výkonu ako konvenčné metódy, rýchlosť zvárania je vysoká, tepelne ovplyvnená zóna a deformácia sú malé a možno zvárať aj ťažko zvárateľné materiály, ako je titán.
2) Pretože sa lúč ľahko prenáša a ovláda a nie je potrebné často vymieňať horák a trysku a na zváranie elektrónovým lúčom nie je potrebné vákuum, čo výrazne znižuje pomocný čas prestojov, takže faktor zaťaženia a efektívnosť výroby je vysoká.
3) Vďaka čistiacemu efektu a vysokej rýchlosti chladenia je sila zvaru, húževnatosť a komplexný výkon vysoké.
4) Vďaka nízkemu priemernému tepelnému príkonu a vysokej presnosti spracovania je možné znížiť náklady na prepracovanie; okrem toho sú prevádzkové náklady laserového zvárania tiež nízke, čo môže znížiť náklady na spracovanie obrobku.
5) Môže efektívne ovládať intenzitu lúča a jemné polohovanie a je ľahké realizovať automatickú prevádzku.
Nevýhody zvárania hlbokou penetráciou laserom
1) Hĺbka zvárania je obmedzená.
2) Požiadavky na montáž obrobku sú vysoké.
3) Jednorazová investícia do laserového systému je pomerne vysoká
