Принцип ласерског заваривања
Ласерско заваривање се може постићи континуираним или импулсним ласерским зрацима. Принцип ласерског заваривања се може поделити на заваривање топлотне проводљивости и ласерско заваривање дубоког продирања. Када је густина снаге мања од 104~105 В/цм2, то је заваривање топлотне проводљивости. У овом тренутку, дубина продирања је плитка и брзина заваривања је спора; када је густина снаге већа од 105 ~ 107 В/цм2, метална површина се утапа у "шупљине" загревањем, формирајући заваривање дубоког продирања, које има карактеристике велике брзине заваривања и великог односа ширине и висине.
Принцип ласерског заваривања са проводљивошћу топлоте је: ласерско зрачење загрева површину која се обрађује, а површинска топлота дифундује у унутрашњост кроз проводљивост топлоте. Контролом ширине ласерског импулса, енергије, вршне снаге и фреквенције понављања и других ласерских параметара, радни комад се топи да би се формирао специфичан растопљени базен. .
Машина за ласерско заваривање која се користи за заваривање зупчаника и металуршко заваривање танких плоча углавном укључује ласерско заваривање дубоког продора. Следеће се фокусира на принцип ласерског заваривања дубоког продирања.
Ласерско заваривање дубоког продирања генерално користи континуиране ласерске зраке за завршетак повезивања материјала, а његов металуршки физички процес је веома сличан заваривању електронским снопом, односно механизам конверзије енергије је завршен кроз структуру „кључна рупа“. Под ласерским зрачењем довољно велике густине снаге, материјал испарава и формира мале поре. Ова мала рупа пуна паре је попут црног тела, апсорбује скоро сву енергију упадног зрака, а равнотежна температура у шупљини достиже око 2500 0Ц. Топлота се преноси са спољашњег зида високотемпературне шупљине да би се растопио метал који окружује шупљину. Мала рупа је испуњена паром високе температуре која настаје континуираним испаравањем материјала зида под зрачењем зрака, зидови мале рупе су окружени растопљеним металом, а течни метал је окружен чврстим материјалима (док је у већина конвенционалних процеса заваривања и ласерско проводљиво заваривање, енергија се прво таложи на површини радног предмета, а затим се преноси у унутрашњост путем преноса). Проток течности изван зида пора и површински напон слоја зида одржавају динамичку равнотежу са континуирано генерисаним притиском паре у шупљини пора. Зрака непрекидно улази у малу рупу, а материјал изван мале рупе непрекидно тече. Како се сноп креће, мала рупа је увек у стабилном стању протока. То јест, мала рупа и растопљени метал који окружује зид рупе померају се напред напредном брзином водеће греде, а растопљени метал испуњава празнину коју оставља мала рупа и затим се кондензује, тако да се формира завар. Све ово од горе наведеног процеса дешава се тако брзо да брзине заваривања лако могу достићи неколико метара у минути.
02
Главни параметри процеса ласерског заваривања дубоког продирања
1) Снага ласера. Код ласерског заваривања постоји гранична вредност густине енергије ласера. Испод ове вредности дубина продирања је веома плитка. Када се ова вредност достигне или прекорачи, дубина продирања ће се знатно повећати. Плазма се генерише само када густина снаге ласера на радном предмету пређе граничну вредност (у зависности од материјала), што означава напредак стабилног заваривања са дубоким продирањем. Ако је снага ласера испод овог прага, одвија се само површинско топљење радног предмета, односно заваривање се одвија уз стабилну проводљивост топлоте. Када је густина снаге ласера близу критичног услова за формирање малих рупа, заваривање са дубоким продирањем и заваривање проводљивошћу се изводе наизменично, што постаје нестабилан процес заваривања, што доводи до великих флуктуација у дубини продирања. Током ласерског заваривања дубоког продирања, снага ласера истовремено контролише дубину продирања и брзину заваривања. Пенетрација заваривања је директно повезана са густином снаге снопа и функција је снаге упадног снопа и жаришне тачке снопа. Генерално, за ласерски зрак одређеног пречника, дубина продирања се повећава како се повећава снага зрака.
2) Фокална тачка снопа. Величина тачке снопа је једна од најважнијих варијабли у ласерском заваривању јер одређује густину снаге. Али за ласере велике снаге, његово мерење је тежак проблем, иако постоји много техника индиректног мерења.
Величина тачке ограничене дифракцијом фокуса зрака може се израчунати према теорији дифракције светлости, али због постојања аберације сочива за фокусирање, стварна величина тачке је већа од израчунате вредности. Најједноставнији практични метод је метода изотермног профилисања, која мери жаришну тачку и пречник перфорације након угљенисања и продирања у полипропиленску плочу дебелим папиром. Ова метода треба да савлада снагу ласера и време деловања зрака кроз праксу мерења.
3) Вредност апсорпције материјала. Апсорпција ласерске светлости материјалима зависи од неких важних својстава материјала, као што су апсорптивност, рефлективност, топлотна проводљивост, температура топљења, температура испаравања итд., од којих је најважнија апсорптивност.
Фактори који утичу на брзину апсорпције материјала на ласерски зрак укључују два аспекта: први је отпорност материјала. Након мерења брзине апсорпције полиране површине материјала, утврђено је да је брзина апсорпције материјала пропорционална квадратном корену отпора, а отпор варира са температуром. Друго, стање површине (или глаткоћа) материјала има важнији утицај на брзину апсорпције снопа, што има значајан утицај на ефекат заваривања.
Излазна таласна дужина ЦО2 ласера је обично 10,6 μм. Стопа апсорпције керамике, стакла, гуме, пластике и других неметала је веома висока на собној температури, док је стопа апсорпције металних материјала веома лоша на собној температури, све док се материјал не растопи или чак гаси. Његова апсорпција се драматично повећава. Веома је ефикасно побољшати материјалну апсорпцију светлосних зрака коришћењем површинског премаза или формирања површинског оксидног филма.
4) Брзина заваривања. Брзина заваривања има велики утицај на дубину продирања. Повећањем брзине продирање ће учинити плитким, али ако је брзина прениска, материјал ће се превише растопити и радни предмет ће бити заварен. Због тога постоји одговарајући опсег брзине заваривања за одређени материјал са одређеном ласерском снагом и одређеном дебљином, а максимална дубина продирања може се добити при одговарајућој вредности брзине. Слика 10-2 приказује однос између брзине заваривања и дубине продирања челика 1018.
5) Заштитни гас. Инертни гас се често користи за заштиту растопљеног базена у процесу ласерског заваривања. Када се неки материјали заварују без обзира на површинску оксидацију, заштита се можда неће узети у обзир, али за већину примена, хелијум, аргон, азот и други гасови се често користе као заштита да би радни предмет био заштићен од оксидације током лемљења.
Хелијум се не јонизује лако (већа енергија јонизације), што омогућава да ласер несметано пролази, а енергија зрака несметано стиже до површине радног предмета. Ово је најефикаснији заштитни гас који се користи у ласерском заваривању, али је скупљи.
Гас аргон је јефтинији и гушћи, па је заштитни ефекат бољи. Међутим, подложан је високотемпературној металној плазма јонизацији, која штити део зрака од удара у радни предмет, смањује ефективну снагу ласера за заваривање, а такође оштећује брзину и продирање заваривања. Површина завара заштићеног аргоном је глаткија од оне када је заштићена хелијумом.
Азот је најјефтинији заштитни гас, али није погодан за заваривање неких врста нерђајућег челика, углавном због металуршких проблема, као што је апсорпција, која понекад ствара порозност у подручју преклапања.
Друга функција употребе заштитног гаса је заштита сочива за фокусирање од контаминације металним парама и прскања капљица течности. Нарочито код ласерског заваривања велике снаге, пошто избацивање постаје веома моћно, потребно је заштитити сочиво у овом тренутку.
Трећа функција заштитног гаса је да је веома ефикасан у распршивању плазма штита произведеног ласерским заваривањем велике снаге. Метална пара апсорбује ласерски зрак и јонизује у облак плазме, а заштитни гас око металне паре се такође јонизује услед топлоте. Ако је присутно превише плазме, плазма се донекле троши ласерски зрак. Плазма постоји на радној површини као друга енергија, што чини продор плитким и шири површину завареног базена. Брзина рекомбинације електрона се повећава повећањем судара троја тела електрона са јонима и неутралним атомима да би се смањила густина електрона у плазми. Што су неутрални атоми лакши, то је већа фреквенција судара и већа је стопа рекомбинације; с друге стране, само заштитни гас са високом енергијом јонизације неће повећати електронску густину услед јонизације самог гаса.
Величина облака плазме варира у зависности од коришћеног заштитног гаса, при чему је хелијум најмањи, азот је други, а аргон највећи. Што је већа величина плазме, продирање је плиће. Разлог за ову разлику је најпре због различитог степена јонизације молекула гаса, а такође и због разлике у дифузији металне паре изазване различитим густинама заштитног гаса.
Хелијум је најмање јонизовани гас са најмање густине и брзо тера растуће металне паре настале из купке растопљеног метала. Стога, коришћење хелијума као заштитног гаса може у највећој мери потиснути плазму, чиме се повећава дубина продирања и повећава брзина заваривања; због своје мале тежине, може да побегне и није лако изазвати поре. Наравно, од нашег стварног ефекта заваривања, ефекат заштите од аргона није лош.
Ефекат облака плазме на пенетрацију је најочигледнији у области мале брзине заваривања. Његов ефекат се смањује како се брзина заваривања повећава.
Заштитни гас се убризгава под одређеним притиском кроз млазницу да би стигао до површине радног предмета. Хидродинамички облик млазнице и пречник излаза су веома важни. Мора бити довољно велика да распрши заштитни гас да покрије површину заваривања, али како би се ефикасно заштитило сочиво и спречило контаминирање металне паре или прскање метала од оштећења сочива, величина млазнице такође треба да буде ограничена. Брзину протока такође треба контролисати, иначе ће ламинарни ток заштитног гаса постати турбулентан, а атмосфера ће бити укључена у растопљени базен, формирајући на крају поре.
Да би се побољшао заштитни ефекат, може се користити и додатни метод бочног дувања, односно кроз млазницу мањег пречника заштитни гас се директно убризгава у мали отвор заваривања дубоког продора под одређеним углом. Заштитни гас не само да потискује облак плазме на површини радног предмета, већ утиче и на формирање плазме и малих рупа у рупи, додатно повећава дубину продирања и добија завар са идеалним односом дубине и ширине. . Међутим, овај метод захтева прецизну контролу величине и правца протока ваздуха, у супротном ће вероватно доћи до турбулентног струјања и уништавања растопљеног базена, што отежава стабилизацију процеса заваривања.
6) Жижна даљина сочива. Метода фокусирања се обично користи за кондензацију ласера током заваривања, а обично се користи сочиво са жижном даљином од 63~254мм (2,5"~10"). Величина тачке фокуса је пропорционална жижној даљини, што је жижна даљина краћа, то је тачка мања. Али жижна даљина такође утиче на жижну дубину, то јест, жижна дубина се повећава синхроно са жижном даљином, тако да кратка жижна даљина може повећати густину снаге, али због мале фокусне дубине, растојање између сочива и радног предмета морају се прецизно одржавати, а дубина продирања није велика. Због утицаја прскања и ласерског режима који се генерише у процесу заваривања, најкраћа фокусна дубина која се користи у стварном заваривању је углавном жижна даљина од 126 мм (5"). Када је спој велики или шав треба да се повећа повећањем величине тачке, можете одабрати сочиво са жижном даљином од 254 мм (10"). У овом случају, да би се постигао ефекат дубоке пенетрације, потребна је већа излазна снага ласера (густина снаге).
Када снага ласера прелази 2кВ, посебно за 10,6μм ЦО2 ласерски зрак, због употребе специјалних оптичких материјала за формирање оптичког система, како би се избегао ризик од оптичког оштећења сочива за фокусирање, метода рефлективног фокусирања је често користи се, а огледало од полираног бакра се углавном користи као рефлектор. Често се препоручује за фокусирање ласерских зрака велике снаге због ефикасног хлађења.
7) Положај фокуса. Приликом заваривања, положај фокуса је критичан како би се одржала довољна густина снаге. Промене у релативном положају фокусне тачке и површине радног предмета директно утичу на ширину и дубину завара. Слика 2-6 приказује ефекат положаја фокуса на дубину продирања и ширину шава челика 1018.
У већини примена ласерског заваривања, фокусна тачка се обично налази на приближно 1/4 жељене дубине продирања испод површине радног комада.
8) Положај ласерског зрака. Када ласерско заварите различите материјале, положај ласерског зрака контролише коначни квалитет завара, посебно у случају чеоних спојева него преклопних спојева. На пример, када се зупчаник од каљеног челика заварује на бубањ од меког челика, правилна контрола положаја ласерског зрака ће помоћи да се добије завар са претежно ниском компонентом угљеника која је релативно отпорна на пуцање. У неким применама, геометрија радног предмета који се завари захтева да ласерски зрак буде одбијен под углом. Када је угао отклона између осе снопа и равни споја унутар 100 степени, неће утицати на апсорпцију ласерске енергије од стране радног предмета.
9) Постепена контрола пораста и пада снаге ласера на почетној и крајњој тачки заваривања. Током ласерског заваривања дубоког продирања, мале рупе увек постоје без обзира на дубину вара. Када се процес заваривања заврши и прекидач за напајање искључи, на крају завара ће се појавити удубљење. Поред тога, када слој ласерског заваривања покрије оригинални шав, доћи ће до прекомерне апсорпције ласерског зрака, што ће довести до прегревања завареног споја или стварања пора.
Да би се спречио горе наведени феномен, тачке почетка и заустављања снаге могу се програмирати тако да се време почетка и завршетка снаге може подесити, односно, почетна снага се електронски повећава од нуле до подешене вредности снаге за кратко време, а заваривање се може подесити. Време и коначно снага се постепено смањује са подешене снаге на нулу када се заваривање заврши.
03
Карактеристике и предности и недостаци ласерског заваривања дубоког продирања
Карактеристике ласерског заваривања дубоког продирања
1) Висок однос ширине и висине. Како се растопљени метал формира око цилиндричне шупљине вреле паре и протеже се према радном предмету, завар постаје дубок и узак.
2) Минимални унос топлоте. Пошто је температура у малој рупи веома висока, процес топљења се одвија изузетно брзо, унос топлоте у радни предмет је веома низак, а топлотна деформација и зона утицаја топлоте су мале.
3) Висока густина. Зато што мале поре испуњене паром високе температуре погодују мешању завареног базена и изласку гаса, што резултира продорним заваром без пора. Висока брзина хлађења након заваривања може лако учинити структуру завара фином.
4) Јаки завари. Због пламеног извора топлоте и довољне апсорпције неметалних компоненти, садржај нечистоћа се смањује, а величина инклузија и њихова дистрибуција у растопљеном базену се мења. За процес заваривања нису потребне електроде или жице за пуњење, а зона топљења је мање загађена, тако да су чврстоћа и жилавост шава најмање једнака или чак већа од оне код матичног метала.
5) Прецизна контрола. Пошто је фокусирана светлосна тачка мала, заварени шав се може поставити са великом прецизношћу. Ласерски излаз нема "инерцију", може се зауставити и поново покренути великом брзином, а сложени радни комад може се заварити помоћу технологије кретања нумеричке контроле зрака.
6) Бесконтактни атмосферски процес заваривања. Пошто енергија долази из снопа фотона, нема физичког контакта са радним предметом, тако да се на радни предмет не примењује спољна сила. Поред тога, магнетизам и ваздух немају утицаја на ласерско светло.
Предности ласерског заваривања дубоког продора
1) Пошто фокусирани ласер има много већу густину снаге од конвенционалних метода, брзина заваривања је велика, зона утицаја топлоте и деформација су мале, а могу се заварити и материјали који се тешко заварују као што је титанијум.
2) Зато што је сноп лак за пренос и контролу, и нема потребе да се често мењају горионик и млазница, а за заваривање електронским снопом није потребан вакуум, што значајно смањује помоћно време застоја, тако да фактор оптерећења и ефикасност производње је висока.
3) Због ефекта пречишћавања и високе стопе хлађења, снага завара, жилавост и свеобухватне перформансе су високе.
4) Због ниског просечног уноса топлоте и високе прецизности обраде, трошкови поновне обраде могу се смањити; поред тога, оперативни трошкови ласерског заваривања су такође ниски, што може смањити трошкове обраде радног комада.
5) Може ефикасно контролисати интензитет зрака и фино позиционирање, а лако је реализовати аутоматски рад.
Недостаци ласерског заваривања дубоког продирања
1) Дубина заваривања је ограничена.
2) Захтеви за монтажу радног предмета су високи.
3) Једнократна инвестиција у ласерски систем је релативно висока
