Princip laserskog zavarivanja
Lasersko zavarivanje može se postići kontinuiranim ili pulsirajućim laserskim zrakama. Princip laserskog zavarivanja može se podijeliti na zavarivanje provođenjem topline i lasersko zavarivanje dubokim prodiranjem. Kada je gustoća snage manja od 104~105 W/cm2, radi se o zavarivanju toplinskim provođenjem. U ovom trenutku, dubina prodiranja je mala i brzina zavarivanja je mala; kada je gustoća snage veća od 105~107 W/cm2, metalna površina se zagrijavanjem utapa u "šupljine", stvarajući zavarivanje dubokim prodiranjem, koje ima karakteristike velike brzine zavarivanja i velikog omjera širine i visine.
Načelo laserskog zavarivanja vođenjem topline je: lasersko zračenje zagrijava površinu koja se obrađuje, a površinska toplina difundira u unutrašnjost kroz vođenje topline. Kontroliranjem širine laserskog pulsa, energije, vršne snage i učestalosti ponavljanja i drugih laserskih parametara, obradak se topi kako bi se formirala posebna rastaljena baza. .
Stroj za lasersko zavarivanje koji se koristi za zavarivanje zupčanika i metalurško zavarivanje tankih ploča uglavnom uključuje lasersko zavarivanje dubokim prodiranjem. Sljedeće se fokusira na princip laserskog zavarivanja dubokim prodiranjem.
Lasersko zavarivanje dubokim prodiranjem općenito koristi kontinuirane laserske zrake za dovršavanje spajanja materijala, a njegov metalurški fizički proces vrlo je sličan zavarivanju elektronskim snopom, odnosno mehanizam za pretvorbu energije dovršen je kroz strukturu "ključaonice". Pod dovoljno visokom gustoćom snage laserskog zračenja, materijal isparava i stvara male pore. Ova mala rupa puna pare je poput crnog tijela, apsorbira gotovo svu energiju upadne zrake, a ravnotežna temperatura u šupljini doseže oko 2500 0C. Toplina se prenosi s vanjske stijenke visokotemperaturne šupljine kako bi se otopio metal koji okružuje šupljinu. Mala rupa ispunjena je parom visoke temperature koja nastaje kontinuiranim isparavanjem materijala stijenke pod zračenjem snopa, stijenke male rupe okružene su rastaljenim metalom, a tekući metal je okružen čvrstim materijalima (dok je u kod većine konvencionalnih postupaka zavarivanja i laserskog vodljivog zavarivanja, energija se prvo taloži na površini obratka, a zatim prenosi u unutrašnjost prijenosom). Protok tekućine izvan stijenke pore i površinska napetost sloja stijenke održavaju dinamičku ravnotežu s kontinuirano generiranim tlakom pare u šupljini pore. Zraka neprestano ulazi u malu rupu, a materijal izvan male rupe neprekidno teče. Dok se zraka kreće, mala rupa je uvijek u stabilnom stanju protoka. To jest, mala rupa i rastaljeni metal koji okružuje stijenku rupe kreću se naprijed brzinom vodeće zrake, a rastaljeni metal ispunjava prazninu koju ostavlja mala rupa i zatim se kondenzira, tako da nastaje zavar. Svi ovi gore navedeni procesi odvijaju se tako brzo da brzine zavarivanja mogu lako doseći nekoliko metara u minuti.
02
Glavni procesni parametri laserskog zavarivanja dubokim prodiranjem
1) Snaga lasera. Kod laserskog zavarivanja postoji granična vrijednost gustoće laserske energije. Ispod ove vrijednosti, dubina prodiranja je vrlo mala. Kada se ova vrijednost dosegne ili premaši, dubina prodiranja će se znatno povećati. Plazma se stvara samo kada gustoća snage lasera na obratku prijeđe graničnu vrijednost (ovisno o materijalu), što označava napredak stabilnog zavarivanja dubokim prodiranjem. Ako je snaga lasera ispod tog praga, dolazi samo do površinskog taljenja izratka, tj. zavarivanje se odvija uz stabilno provođenje topline. Kada je gustoća snage lasera blizu kritičnog uvjeta za stvaranje malih rupa, zavarivanje dubokim prodiranjem i zavarivanje kondukcijom izvode se naizmjenično, što postaje nestabilan proces zavarivanja, što rezultira velikim fluktuacijama u dubini prodiranja. Tijekom laserskog zavarivanja dubokim prodiranjem, snaga lasera istovremeno kontrolira dubinu prodiranja i brzinu zavarivanja. Probojnost zavarivanja izravno je povezana s gustoćom snage snopa i funkcija je snage upadnog snopa i žarišne točke snopa. Općenito, za lasersku zraku određenog promjera, dubina prodiranja raste s povećanjem snage zrake.
2) Žarišna točka snopa. Veličina točke snopa jedna je od najvažnijih varijabli u laserskom zavarivanju jer određuje gustoću snage. Ali za lasere velike snage, njegovo mjerenje je težak problem, iako postoje mnoge neizravne mjerne tehnike.
Difrakcijski ograničena veličina točke fokusa zrake može se izračunati prema teoriji difrakcije svjetlosti, ali zbog postojanja aberacije leće za fokusiranje, stvarna veličina točke je veća od izračunate vrijednosti. Najjednostavnija praktična metoda je metoda izotermalnog profiliranja, koja mjeri žarišnu točku i promjer perforacije nakon pougljenja i prodiranja polipropilenske ploče s debelim papirom. Ova metoda treba savladati snagu lasera i vrijeme djelovanja zrake kroz praksu mjerenja.
3) Vrijednost apsorpcije materijala. Apsorpcija laserskog svjetla od strane materijala ovisi o nekim važnim svojstvima materijala, kao što su apsorpcija, refleksija, toplinska vodljivost, temperatura taljenja, temperatura isparavanja itd., od kojih je najvažnije apsorpcija.
Čimbenici koji utječu na brzinu apsorpcije materijala za lasersku zraku uključuju dva aspekta: prvi je otpornost materijala. Nakon mjerenja brzine apsorpcije polirane površine materijala, utvrđeno je da je stopa apsorpcije materijala proporcionalna kvadratnom korijenu otpora, a otpor varira s temperaturom. Drugo, površinsko stanje (ili glatkoća) materijala ima važniji utjecaj na brzinu apsorpcije zraka, što ima značajan utjecaj na učinak zavarivanja.
Izlazna valna duljina CO2 lasera obično je 10,6 μm. Stopa apsorpcije keramike, stakla, gume, plastike i drugih nemetala vrlo je visoka na sobnoj temperaturi, dok je stopa apsorpcije metalnih materijala vrlo slaba na sobnoj temperaturi, sve dok se materijal ne otopi ili čak ispari. Njegova apsorpcija se dramatično povećava. Vrlo je učinkovito poboljšati apsorpciju svjetlosnih zraka materijala pomoću površinskog premaza ili stvaranja površinskog oksidnog filma.
4) Brzina zavarivanja. Brzina zavarivanja ima veliki utjecaj na dubinu prodiranja. Povećanje brzine učinit će prodiranje plitkim, ali ako je brzina preniska, materijal će se previše rastaliti i obradak će biti zavaren. Stoga postoji odgovarajući raspon brzine zavarivanja za određeni materijal s određenom snagom lasera i određenom debljinom, a maksimalna dubina prodiranja može se postići pri odgovarajućoj vrijednosti brzine. Slika 10-2 prikazuje odnos između brzine zavarivanja i dubine prodiranja čelika 1018.
5) Zaštitni plin. Inertni plin često se koristi za zaštitu rastaljenog bazena u procesu laserskog zavarivanja. Kada se neki materijali zavaruju bez obzira na površinsku oksidaciju, zaštita se možda neće uzeti u obzir, ali za većinu primjena, helij, argon, dušik i drugi plinovi često se koriste kao zaštita kako bi obradak bio zaštićen od oksidacije tijekom lemljenja.
Helij se teško ionizira (veća energija ionizacije), što omogućuje nesmetan prolaz lasera, a energija snopa nesmetano dopire do površine izratka. Ovo je najučinkovitiji zaštitni plin koji se koristi u laserskom zavarivanju, ali je skuplji.
Plin argon je jeftiniji i gušći, pa je učinak zaštite bolji. Međutim, podložan je visokotemperaturnoj ionizaciji metalne plazme, koja štiti dio zrake od udaranja obradaka, smanjuje efektivnu snagu lasera za zavarivanje, a također oštećuje brzinu zavarivanja i prodiranje. Površina zavara zaštićena argonom je glatkija nego kada je zaštićena helijem.
Dušik je najjeftiniji zaštitni plin, ali nije prikladan za zavarivanje nekih vrsta nehrđajućeg čelika, uglavnom zbog metalurških problema, kao što je apsorpcija, koja ponekad stvara poroznost u području preklapanja.
Druga funkcija korištenja zaštitnog plina je zaštita leće za fokusiranje od kontaminacije metalnim parama i prskanja kapljica tekućine. Osobito kod laserskog zavarivanja velike snage, budući da izbacivanje postaje vrlo snažno, potrebno je zaštititi leću u ovom trenutku.
Treća funkcija zaštitnog plina je da je vrlo učinkovit u raspršivanju plazma štita proizvedenog laserskim zavarivanjem velike snage. Metalna para apsorbira lasersku zraku i ionizira se u oblak plazme, a zaštitni plin oko metalne pare također se ionizira zbog topline. Ako je prisutno previše plazme, plazma donekle troši lasersku zraku. Plazma postoji na radnoj površini kao druga energija, što čini prodiranje plitkim i površinu zavarene kupke širi. Brzina rekombinacije elektrona povećava se povećanjem sudara triju tijela elektrona s ionima i neutralnim atomima kako bi se smanjila gustoća elektrona u plazmi. Što su neutralni atomi lakši, to je veća frekvencija sudara i veća stopa rekombinacije; s druge strane, samo zaštitni plin s visokom energijom ionizacije neće povećati gustoću elektrona zbog ionizacije samog plina.
Veličina oblaka plazme varira ovisno o korištenom zaštitnom plinu, pri čemu je helij najmanji, dušik drugi, a argon najveći. Što je veća veličina plazme, to je plići prodor. Razlog za ovu razliku je prvenstveno zbog različitog stupnja ionizacije molekula plina, a također i zbog razlike u difuziji metalne pare uzrokovane različitim gustoćama zaštitnog plina.
Učinak oblaka plazme na penetraciju je najočitiji u području niske brzine zavarivanja. Njegov učinak se smanjuje s povećanjem brzine zavarivanja.
Zaštitni plin se ubrizgava pod određenim tlakom kroz mlaznicu kako bi došao do površine obratka. Vrlo je važan hidrodinamički oblik mlaznice i promjer izlaza. Mora biti dovoljno velik da raspršeni zaštitni plin pokrije površinu za zavarivanje, ali kako bi se učinkovito zaštitila leća i spriječilo metalne pare od kontaminacije ili prskanje metala od oštećenja leće, veličina mlaznice također treba biti ograničena. Brzinu protoka također treba kontrolirati, inače će laminarni tok zaštitnog plina postati turbulentan, a atmosfera će biti uključena u rastaljenu bazenu, na kraju stvarajući pore.
Za poboljšanje zaštitnog učinka može se koristiti i dodatna metoda bočnog upuhivanja, odnosno kroz mlaznicu manjeg promjera zaštitni plin se direktno ubrizgava u malu rupu dubokog proboja zavarivanja pod određenim kutom. Zaštitni plin ne samo da potiskuje oblak plazme na površini izratka, već također utječe na stvaranje plazme i malih rupa u rupi, dodatno povećava dubinu prodiranja i dobiva zavar s idealnim omjerom dubine i širine. . Međutim, ova metoda zahtijeva preciznu kontrolu veličine i smjera protoka zraka, jer je u suprotnom vjerojatno da će doći do turbulentnog strujanja i uništiti bazen rastaljevine, što otežava stabilizaciju procesa zavarivanja.
6) Žarišna duljina objektiva. Metoda fokusiranja obično se koristi za kondenzaciju lasera tijekom zavarivanja, a općenito se koristi leća sa žarišnom duljinom od 63~254mm (2,5"~10"). Veličina točke fokusa proporcionalna je žarišnoj duljini, što je žarišna duljina kraća, to je točka manja. Ali žarišna duljina također utječe na žarišnu dubinu, odnosno žarišna dubina raste sinkrono sa žarišnom duljinom, tako da kratka žarišna duljina može povećati gustoću snage, ali zbog male žarišne dubine, udaljenost između leće i obratka moraju se precizno održavati, a dubina prodiranja nije velika. Zbog utjecaja prskanja i laserskog načina rada koji se stvara u procesu zavarivanja, najkraća žarišna dubina koja se koristi u stvarnom zavarivanju uglavnom je žarišna duljina od 126 mm (5"). Kada je spoj velik ili se zavareni šav treba povećati povećanjem veličinu točke, možete odabrati objektiv sa žarišnom duljinom od 254 mm (10"). U ovom slučaju, kako bi se postigao efekt duboke penetracije, potrebna je veća izlazna snaga lasera (gustoća snage).
Kada snaga lasera premaši 2kW, posebno za lasersku zraku CO2 od 10,6 μm, zbog upotrebe posebnih optičkih materijala za formiranje optičkog sustava, kako bi se izbjegao rizik od optičkog oštećenja leće za fokusiranje, često se koristi reflektirajuća metoda fokusiranja koristi se, a kao reflektor općenito se koristi zrcalo od poliranog bakra. Često se preporučuje za fokusiranje laserskih zraka velike snage zbog učinkovitog hlađenja.
7) Položaj fokusa. Prilikom zavarivanja, položaj fokusa je kritičan kako bi se održala dovoljna gustoća snage. Promjene u relativnom položaju žarišne točke i površine obratka izravno utječu na širinu i dubinu zavara. Slika 2-6 prikazuje učinak položaja fokusa na dubinu prodiranja i širinu šava čelika 1018.
U većini primjena laserskog zavarivanja, žarišna točka obično se nalazi približno 1/4 željene dubine prodiranja ispod površine obratka.
8) Položaj laserske zrake. Kod laserskog zavarivanja različitih materijala, položaj laserske zrake kontrolira konačnu kvalitetu zavara, posebno u slučaju sučeonih spojeva nego preklopnih spojeva. Na primjer, kada je zupčanik od kaljenog čelika zavaren na bubanj od mekog čelika, odgovarajuća kontrola položaja laserske zrake pomoći će u proizvodnji zavara s komponentom s pretežno niskim udjelom ugljika koja je relativno otporna na pucanje. U nekim primjenama, geometrija izratka koji se zavaruje zahtijeva da se laserska zraka skrene pod određenim kutom. Kada je kut otklona između osi snopa i ravnine spoja unutar 100 stupnjeva, neće utjecati na apsorpciju laserske energije izratka.
9) Kontrola postupnog porasta i pada snage lasera na početku i kraju zavarivanja. Tijekom laserskog dubinskog zavarivanja uvijek postoje male rupe bez obzira na dubinu zavara. Kada se postupak zavarivanja prekine i prekidač napajanja isključi, na kraju zavara će se pojaviti udubina. Osim toga, kada sloj laserskog zavarivanja prekrije izvorni zavareni šav, doći će do prekomjerne apsorpcije laserske zrake, što će rezultirati pregrijavanjem zavara ili stvaranjem pora.
Kako bi se spriječio gornji fenomen, točke početka i zaustavljanja snage mogu se programirati tako da se vrijeme početka i završetka snage podesi, to jest, početna snaga se elektronički povećava od nule do postavljene vrijednosti snage u kratkom vremenu, a zavarivanje se može podešavati. Vrijeme i konačno snaga se postupno smanjuju od postavljene snage do nule kada se zavarivanje završi.
03
Značajke te prednosti i nedostaci laserskog zavarivanja dubokim prodiranjem
Značajke laserskog zavarivanja dubokim prodiranjem
1) Visoki omjer slike. Kako se rastaljeni metal formira oko cilindrične šupljine vruće pare i širi prema izratku, zavar postaje dubok i uzak.
2) Minimalni unos topline. Budući da je temperatura u malom otvoru vrlo visoka, proces taljenja se odvija izuzetno brzo, unos topline u radni komad je vrlo nizak, a toplinska deformacija i zona utjecaja topline su male.
3) Visoka gustoća. Budući da su male pore ispunjene parom visoke temperature pogodne za miješanje zavarene kupke i izlazak plina, što rezultira prodiranjem zavara bez pora. Visoka brzina hlađenja nakon zavarivanja može lako učiniti strukturu zavara finijom.
4) Jaki zavari. Zbog plamenog izvora topline i dovoljne apsorpcije nemetalnih komponenti, smanjuje se sadržaj nečistoća, a mijenja se veličina inkluzija i njihova raspodjela u bazenu rastaljevine. Za postupak zavarivanja nisu potrebne elektrode ili žice za punjenje, a zona taljenja je manje zagađena, tako da je čvrstoća i žilavost zavara najmanje jednaka ili čak veća od one osnovnog metala.
5) Precizna kontrola. Budući da je fokusirana svjetlosna točka mala, zavareni šav se može postaviti s velikom preciznošću. Laserski izlaz nema "inerciju", može se zaustaviti i ponovno pokrenuti velikom brzinom, a složeni obradak može se zavarivati tehnologijom kretanja snopa numeričke kontrole.
6) Beskontaktni atmosferski postupak zavarivanja. Budući da energija dolazi iz snopa fotona, nema fizičkog kontakta s izratkom, pa se na izratak ne primjenjuje vanjska sila. Osim toga, magnetizam i zrak nemaju utjecaja na lasersko svjetlo.
Prednosti laserskog zavarivanja dubokim prodiranjem
1) Budući da fokusirani laser ima mnogo veću gustoću snage od konvencionalnih metoda, brzina zavarivanja je velika, zona utjecaja topline i deformacija su male, a materijali koje je teško zavariti, kao što je titan, također se mogu zavarivati.
2) Budući da je snop lako prenositi i kontrolirati, i nema potrebe za čestom zamjenom plamenika i mlaznice, a nema vakuuma potrebnog za zavarivanje elektronskim snopom, što značajno smanjuje pomoćno vrijeme zastoja, tako da faktor opterećenja i proizvodna učinkovitost je visoka.
3) Zbog učinka pročišćavanja i visoke brzine hlađenja, čvrstoća zavara, žilavost i opsežna izvedba su visoki.
4) Zbog niskog prosječnog unosa topline i visoke preciznosti obrade, troškovi ponovne obrade mogu se smanjiti; osim toga, radni trošak laserskog zavarivanja također je nizak, što može smanjiti troškove obrade obratka.
5) Može učinkovito kontrolirati intenzitet snopa i fino pozicioniranje, a lako je ostvariti automatski rad.
Nedostaci laserskog dubokog zavarivanja
1) Dubina zavarivanja je ograničena.
2) Zahtjevi za montažu obratka su visoki.
3) Jednokratna investicija laserskog sustava je relativno visoka
