Zasada spawania laserowego
Spawanie laserowe można osiągnąć za pomocą ciągłych lub impulsowych wiązek laserowych. Zasadę spawania laserowego można podzielić na spawanie przewodzące ciepło i spawanie laserowe z głębokim wtopieniem. Gdy gęstość mocy jest mniejsza niż 104 ~ 105 W/cm2, jest to spawanie przewodzące ciepło. W tym czasie głębokość penetracji jest niewielka, a prędkość spawania niska; gdy gęstość mocy jest większa niż 105 ~ 107 W / cm2, metalowa powierzchnia jest zatapiana w „wnękach” przez ogrzewanie, tworząc spawanie z głęboką penetracją, które charakteryzuje się dużą szybkością spawania i dużym współczynnikiem kształtu.
Zasada spawania laserowego z przewodnictwem cieplnym jest następująca: promieniowanie laserowe nagrzewa obrabianą powierzchnię, a ciepło powierzchniowe dyfunduje do wnętrza poprzez przewodzenie ciepła. Kontrolując szerokość impulsu laserowego, energię, moc szczytową i częstotliwość powtarzania oraz inne parametry lasera, przedmiot obrabiany jest topiony w celu utworzenia określonego roztopionego jeziorka. .
Spawarka laserowa używana do spawania kół zębatych i metalurgicznego spawania cienkich blach polega głównie na spawaniu laserowym z głębokim wtopieniem. Poniżej skupiono się na zasadzie spawania laserowego z głębokim wtopieniem.
Spawanie laserowe z głęboką penetracją na ogół wykorzystuje ciągłe wiązki laserowe do zakończenia łączenia materiałów, a jego metalurgiczny proces fizyczny jest bardzo podobny do spawania wiązką elektronów, to znaczy mechanizm konwersji energii jest zakończony przez strukturę „dziurki od klucza”. Pod wpływem promieniowania laserowego o wystarczająco dużej gęstości mocy materiał odparowuje i tworzy małe pory. Ten mały otwór wypełniony parą jest jak ciało doskonale czarne, pochłania prawie całą energię padającej wiązki, a temperatura równowagi we wnęce osiąga około 2500 0C. Ciepło jest przekazywane z zewnętrznej ściany wnęki o wysokiej temperaturze w celu stopienia metalu otaczającego wnękę. Mały otwór jest wypełniony parą o wysokiej temperaturze wytwarzaną przez ciągłe odparowywanie materiału ściany pod napromieniowaniem wiązki, ściany małego otworu są otoczone stopionym metalem, a ciekły metal jest otoczony materiałami stałymi (podczas gdy w większość konwencjonalnych procesów spawalniczych i laserowego spawania kondukcyjnego, energia najpierw osadzana na powierzchni przedmiotu obrabianego, a następnie transportowana do wnętrza przez transmisję). Przepływ cieczy poza ścianą porów i napięcie powierzchniowe warstwy ścianki utrzymują dynamiczną równowagę z ciągle generowanym ciśnieniem pary w jamie porów. Wiązka stale wchodzi do małego otworu, a materiał na zewnątrz małego otworu stale przepływa. Gdy wiązka się porusza, mały otwór jest zawsze w stabilnym stanie przepływu. Oznacza to, że mały otwór i stopiony metal otaczający ściankę otworu poruszają się do przodu z prędkością przedniej belki, a stopiony metal wypełnia szczelinę pozostawioną przez mały otwór, a następnie skrapla się, tak że tworzy się spoina. Wszystkie powyższe procesy zachodzą tak szybko, że prędkość spawania może z łatwością osiągnąć kilka metrów na minutę.
02
Główne parametry procesu spawania laserowego z głębokim wtopieniem
1) Moc lasera. W spawaniu laserowym istnieje wartość progowa gęstości energii lasera. Poniżej tej wartości głębokość penetracji jest bardzo mała. Po osiągnięciu lub przekroczeniu tej wartości głębokość penetracji znacznie się zwiększy. Plazma jest generowana tylko wtedy, gdy gęstość mocy lasera na obrabianym przedmiocie przekroczy wartość progową (zależną od materiału), co oznacza postęp stabilnego spawania z głębokim wtopieniem. Jeśli moc lasera jest poniżej tego progu, następuje tylko topienie powierzchni przedmiotu obrabianego, czyli spawanie odbywa się ze stabilnym przewodzeniem ciepła. Kiedy gęstość mocy lasera zbliża się do warunku krytycznego dla powstawania małych otworów, wykonywane jest naprzemiennie spawanie z głębokim wtopieniem i spawanie kondukcyjne, co staje się procesem niestabilnym, skutkującym dużymi wahaniami głębokości wtopienia. Podczas spawania laserowego z głębokim wtopieniem moc lasera kontroluje jednocześnie głębokość wtopienia i prędkość spawania. Penetracja spawania jest bezpośrednio związana z gęstością mocy wiązki i jest funkcją mocy wiązki padającej i ogniska wiązki. Ogólnie rzecz biorąc, dla wiązki laserowej o określonej średnicy głębokość penetracji wzrasta wraz ze wzrostem mocy wiązki.
2) Ognisko wiązki. Rozmiar plamki wiązki jest jedną z najważniejszych zmiennych w spawaniu laserowym, ponieważ określa gęstość mocy. Ale w przypadku laserów dużej mocy jego pomiar jest trudnym problemem, chociaż istnieje wiele pośrednich technik pomiarowych.
Ograniczony dyfrakcją rozmiar plamki ogniska wiązki można obliczyć zgodnie z teorią dyfrakcji światła, ale ze względu na istnienie aberracji soczewki skupiającej rzeczywisty rozmiar plamki jest większy niż obliczona wartość. Najprostszą praktyczną metodą jest metoda profilowania izotermicznego, polegająca na pomiarze ogniska i średnicy perforacji po zwęgleniu i przebiciu płyty polipropylenowej grubym papierem. Ta metoda wymaga opanowania mocy lasera i czasu działania wiązki poprzez praktykę pomiarową.
3) Wartość absorpcji materiału. Absorpcja światła laserowego przez materiały zależy od niektórych ważnych właściwości materiałów, takich jak chłonność, współczynnik odbicia, przewodność cieplna, temperatura topnienia, temperatura parowania itp., z których najważniejszą jest chłonność.
Czynniki wpływające na szybkość absorpcji materiału przez wiązkę laserową obejmują dwa aspekty: pierwszy to rezystywność materiału. Po zmierzeniu szybkości absorpcji wypolerowanej powierzchni materiału stwierdzono, że szybkość absorpcji materiału jest proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego rezystywności, a rezystywność zmienia się wraz z temperaturą. Po drugie, stan powierzchni (lub gładkość) materiału ma ważniejszy wpływ na szybkość pochłaniania wiązki, co ma znaczący wpływ na efekt spawania.
Długość fali wyjściowej lasera CO2 wynosi zwykle 10,6 μm. Szybkość wchłaniania ceramiki, szkła, gumy, tworzyw sztucznych i innych niemetali jest bardzo wysoka w temperaturze pokojowej, podczas gdy szybkość wchłaniania materiałów metalowych jest bardzo niska w temperaturze pokojowej, aż do stopienia materiału lub nawet gazu. Jego absorpcja dramatycznie wzrasta. Bardzo skutecznie poprawia się absorpcję wiązek światła przez materiał, stosując powlekanie powierzchni lub tworzenie warstwy tlenku powierzchni.
4) Szybkość spawania. Szybkość spawania ma duży wpływ na głębokość wtopienia. Zwiększenie prędkości spowoduje, że penetracja będzie płytka, ale jeśli prędkość będzie zbyt niska, materiał zostanie przetopiony, a przedmiot spawany na wskroś. Dlatego istnieje odpowiedni zakres prędkości spawania dla określonego materiału o określonej mocy lasera i określonej grubości, a przy odpowiedniej wartości prędkości można uzyskać maksymalną głębokość wtopienia. Rysunek 10-2 przedstawia zależność między szybkością spawania a głębokością wtopienia stali 1018.
5) Gaz ochronny. Gaz obojętny jest często używany do ochrony stopionego jeziorka w procesie spawania laserowego. Gdy niektóre materiały są spawane niezależnie od utlenienia powierzchni, ochrona może nie być brana pod uwagę, ale w większości zastosowań często stosuje się hel, argon, azot i inne gazy jako ochronę, aby przedmiot obrabiany był chroniony przed utlenianiem podczas lutowania.
Hel nie ulega łatwo jonizacji (wyższa energia jonizacji), co pozwala na płynne przejście lasera, a energia wiązki dociera do powierzchni przedmiotu obrabianego bez przeszkód. Jest to najskuteczniejszy gaz osłonowy stosowany w spawaniu laserowym, ale jest droższy.
Gaz argonowy jest tańszy i gęstszy, więc efekt ochrony jest lepszy. Jest jednak podatny na wysokotemperaturową jonizację plazmą metalu, która osłania część wiązki przed uderzeniem w przedmiot obrabiany, zmniejsza efektywną moc lasera do spawania, a także niszczy prędkość spawania i penetrację. Powierzchnia spawu chronionego argonem jest gładsza niż w przypadku ochrony helem.
Azot jest najtańszym gazem osłonowym, ale nie nadaje się do spawania niektórych rodzajów stali nierdzewnej, głównie ze względu na problemy metalurgiczne, takie jak absorpcja, która czasami powoduje powstawanie porowatości w obszarze zachodzenia na siebie.
Drugą funkcją stosowania gazu osłonowego jest ochrona soczewki skupiającej przed zanieczyszczeniem oparami metali i rozpylaniem kropelek cieczy. Zwłaszcza w spawaniu laserowym dużej mocy, ponieważ wyrzut staje się bardzo silny, bardziej konieczna jest ochrona soczewki w tym czasie.
Trzecią funkcją gazu osłonowego jest bardzo skuteczne rozpraszanie osłony plazmowej wytwarzanej podczas spawania laserowego dużej mocy. Opary metalu pochłaniają wiązkę lasera i jonizują tworząc chmurę plazmy, a gaz ochronny wokół oparów metalu również ulega jonizacji pod wpływem ciepła. Jeśli jest zbyt dużo plazmy, wiązka laserowa jest w pewnym stopniu pochłaniana przez plazmę. Plazma istnieje na powierzchni roboczej jako druga energia, co sprawia, że penetracja jest płytka, a powierzchnia jeziorka spawalniczego szersza. Szybkość rekombinacji elektronów zwiększa się poprzez zwiększenie trójciałowych zderzeń elektronów z jonami i neutralnymi atomami w celu zmniejszenia gęstości elektronów w plazmie. Im lżejsze neutralne atomy, tym wyższa częstotliwość kolizji i wyższa szybkość rekombinacji; z drugiej strony tylko gaz ochronny o wysokiej energii jonizacji nie zwiększy gęstości elektronowej w wyniku jonizacji samego gazu.
Rozmiar chmury plazmy różni się w zależności od użytego gazu osłonowego, przy czym hel jest najmniejszy, azot jest drugim, a argon jest największy. Im większy rozmiar plazmy, tym płytsza penetracja. Powodem tej różnicy jest po pierwsze różny stopień jonizacji cząsteczek gazu, a także różnica w dyfuzji oparów metali spowodowana różnymi gęstościami gazu osłonowego.
Hel jest najmniej zjonizowanym i najmniej gęstym gazem, który szybko usuwa unoszące się opary metali wytwarzane z kąpieli stopionego metalu. Dlatego użycie helu jako gazu osłonowego może w największym stopniu tłumić plazmę, zwiększając w ten sposób głębokość wtopienia i zwiększając prędkość spawania; ze względu na swoją niewielką wagę może uciec i nie jest łatwo powodować pory. Oczywiście, z naszego rzeczywistego efektu spawania, efekt ochrony argonu nie jest zły.
Wpływ chmury plazmy na penetrację jest najbardziej widoczny w obszarze o niskiej prędkości spawania. Jego działanie maleje wraz ze wzrostem prędkości spawania.
Gaz osłonowy jest wtryskiwany pod określonym ciśnieniem przez dyszę, aby dotrzeć do powierzchni przedmiotu obrabianego. Bardzo ważny jest hydrodynamiczny kształt dyszy i średnica wylotu. Musi być wystarczająco duża, aby rozpylony gaz osłonowy pokrył powierzchnię spawania, ale aby skutecznie chronić soczewkę i zapobiegać zanieczyszczeniu oparami metalu lub uszkodzeniu soczewki przez odpryski metalu, należy również ograniczyć rozmiar dyszy. Natężenie przepływu powinno być również kontrolowane, w przeciwnym razie laminarny przepływ gazu osłonowego stanie się turbulentny, a atmosfera zostanie zaangażowana w stopiony basen, ostatecznie tworząc pory.
W celu poprawienia efektu ochronnego można również zastosować dodatkową metodę nadmuchu bocznego, czyli poprzez dyszę o mniejszej średnicy, gaz ochronny jest wtryskiwany bezpośrednio do małego otworu zgrzewania wgłębnego pod określonym kątem. Gaz osłonowy nie tylko tłumi obłok plazmy na powierzchni przedmiotu obrabianego, ale także wpływa na powstawanie plazmy i małych otworów w otworze, dodatkowo zwiększa głębokość wtopienia i uzyskuje spoinę o idealnym stosunku głębokości do szerokości . Jednak ta metoda wymaga precyzyjnej kontroli wielkości i kierunku przepływu powietrza, w przeciwnym razie może wystąpić przepływ turbulentny i zniszczyć jeziorko, utrudniając stabilizację procesu spawania.
6) Ogniskowa obiektywu. Metoda ogniskowania jest zwykle stosowana do kondensacji lasera podczas spawania, a zazwyczaj używana jest soczewka o ogniskowej 63~254mm (2,5"~10"). Rozmiar plamki ostrości jest proporcjonalny do ogniskowej, im krótsza ogniskowa, tym mniejsza plamka. Ale ogniskowa wpływa również na głębokość ogniskowej, to znaczy głębokość ogniskowej wzrasta synchronicznie z ogniskową, więc krótka ogniskowa może zwiększyć gęstość mocy, ale ze względu na małą głębokość ogniskowej odległość między soczewką a przedmiotem obrabianym muszą być precyzyjnie utrzymane, a głębokość penetracji nie jest duża. Ze względu na wpływ odprysków i trybu laserowego generowanego w procesie spawania, najkrótsza ogniskowa stosowana w rzeczywistym spawaniu to najczęściej ogniskowa 126 mm (5"). Gdy złącze jest duże lub szew spawalniczy musi zostać zwiększony o rozmiar plamki, możesz wybrać obiektyw o ogniskowej 254mm (10"). W takim przypadku, aby uzyskać efekt głębokiej penetracji otworkowej, wymagana jest większa moc wyjściowa lasera (gęstość mocy).
Gdy moc lasera przekracza 2kW, zwłaszcza dla wiązki lasera CO2 10,6μm, ze względu na zastosowanie specjalnych materiałów optycznych do budowy układu optycznego, w celu uniknięcia ryzyka optycznego uszkodzenia soczewki ogniskującej, często stosowana jest refleksyjna metoda ogniskowania używany, a lustro z polerowanej miedzi jest zwykle używane jako odbłyśnik. Często jest zalecany do ogniskowania wiązek laserowych dużej mocy ze względu na efektywne chłodzenie.
7) Pozycja ostrości. Podczas spawania położenie ogniska ma kluczowe znaczenie dla utrzymania wystarczającej gęstości mocy. Zmiany względnego położenia ogniska i powierzchni przedmiotu obrabianego mają bezpośredni wpływ na szerokość i głębokość spoiny. Rysunek 2-6 przedstawia wpływ położenia ogniska na głębokość penetracji i szerokość szwu stali 1018.
W większości zastosowań spawania laserowego ognisko znajduje się zwykle około 1/4 pożądanej głębokości penetracji pod powierzchnią przedmiotu obrabianego.
8) Pozycja wiązki laserowej. Podczas spawania laserowego różnych materiałów położenie wiązki laserowej kontroluje ostateczną jakość spoiny, zwłaszcza w przypadku połączeń doczołowych niż zakładkowych. Na przykład, gdy koło zębate z hartowanej stali jest przyspawane do bębna ze stali miękkiej, właściwa kontrola położenia wiązki laserowej pomoże w utworzeniu spoiny zawierającej głównie komponent niskowęglowy, który jest stosunkowo odporny na pękanie. W niektórych zastosowaniach geometria spawanego przedmiotu wymaga odchylenia wiązki laserowej o określony kąt. Kiedy kąt odchylenia między osią wiązki a płaszczyzną złącza mieści się w zakresie 100 stopni, nie ma to wpływu na pochłanianie energii lasera przez przedmiot obrabiany.
9) Stopniowe sterowanie wzrostem i spadkiem mocy lasera w punktach początkowych i końcowych spawania. Podczas spawania laserowego z głębokim wtopieniem zawsze występują małe dziury, niezależnie od głębokości spoiny. Po zakończeniu procesu spawania i wyłączeniu zasilania na końcu spoiny pojawi się wgłębienie. Dodatkowo, gdy warstwa spawania laserowego zakryje pierwotny szew spawu, nastąpi nadmierna absorpcja wiązki laserowej, czego skutkiem będzie przegrzanie spawu lub powstanie porów.
Aby zapobiec wystąpieniu powyższego zjawiska, punkty rozpoczęcia i zakończenia zasilania można zaprogramować tak, aby czas rozpoczęcia i zakończenia zasilania był regulowany, to znaczy moc początkowa jest elektronicznie zwiększana od zera do ustawionej wartości mocy w krótkim czasie, a spawanie można regulować. Czas i wreszcie moc jest stopniowo zmniejszana od mocy ustawionej do zera, gdy spawanie jest zakończone.
03
Cechy oraz zalety i wady spawania laserowego z głębokim wtopieniem
Cechy spawania laserowego z głębokim wtopieniem
1) Wysokie proporcje. Gdy stopiony metal tworzy się wokół cylindrycznej wnęki gorącej pary i rozciąga się w kierunku przedmiotu obrabianego, spoina staje się głęboka i wąska.
2) Minimalne obciążenie cieplne. Ponieważ temperatura w małym otworze jest bardzo wysoka, proces topienia zachodzi bardzo szybko, ciepło wprowadzane do przedmiotu obrabianego jest bardzo niskie, a odkształcenie termiczne i strefa wpływu ciepła są małe.
3) Wysoka gęstość. Ponieważ małe pory wypełnione parą o wysokiej temperaturze sprzyjają mieszaniu jeziorka spawalniczego i ulatnianiu się gazu, co skutkuje spoiną penetracyjną bez porów. Wysoka szybkość chłodzenia po spawaniu może łatwo poprawić strukturę spoiny.
4) Mocne spoiny. Dzięki płonącemu źródłu ciepła i wystarczającej absorpcji składników niemetalicznych zmniejsza się zawartość zanieczyszczeń, zmienia się wielkość wtrąceń i ich rozmieszczenie w kąpieli. Proces spawania nie wymaga elektrod ani drutów dodatkowych, a strefa topienia jest mniej zanieczyszczona, dzięki czemu wytrzymałość i ciągliwość spoiny są co najmniej równe lub nawet wyższe niż metalu macierzystego.
5) Precyzyjna kontrola. Ponieważ skupiona plamka światła jest niewielka, spoina może być pozycjonowana z dużą precyzją. Wyjście lasera nie ma „bezwładności”, można je zatrzymać i ponownie uruchomić z dużą prędkością, a złożony przedmiot można spawać za pomocą technologii numerycznego sterowania ruchem wiązki.
6) Bezkontaktowy proces spawania atmosferycznego. Ponieważ energia pochodzi z wiązki fotonów, nie ma fizycznego kontaktu z przedmiotem obrabianym, więc na przedmiot obrabiany nie jest przyłożona żadna siła zewnętrzna. Ponadto magnetyzm i powietrze nie mają wpływu na światło lasera.
Zalety spawania laserowego z głębokim wtopieniem
1) Ponieważ skupiony laser ma znacznie większą gęstość mocy niż metody konwencjonalne, prędkość spawania jest duża, strefa wpływu ciepła i odkształcenia są niewielkie, a także można spawać materiały trudne do spawania, takie jak tytan.
2) Ponieważ wiązka jest łatwa do przenoszenia i kontroli, nie ma potrzeby częstej wymiany palnika i dyszy, a do spawania wiązką elektronów nie jest wymagana próżnia, co znacznie skraca pomocniczy czas przestoju, więc współczynnik obciążenia i wydajność produkcji są wysokie.
3) Ze względu na efekt oczyszczania i wysoką szybkość chłodzenia wytrzymałość spoiny, wytrzymałość i wszechstronność są wysokie.
4) Ze względu na niski średni dopływ ciepła i wysoką precyzję obróbki można obniżyć koszty ponownego przetwarzania; ponadto koszty operacyjne spawania laserowego są również niskie, co może obniżyć koszty obróbki przedmiotu obrabianego.
5) Może skutecznie kontrolować intensywność wiązki i precyzyjne pozycjonowanie, a także łatwo jest zrealizować automatyczną operację.
Wady spawania laserowego z głębokim wtopieniem
1) Głębokość spawania jest ograniczona.
2) Wymagania montażowe przedmiotu obrabianego są wysokie.
3) Jednorazowa inwestycja w system laserowy jest stosunkowo wysoka
