معلمات العملية الرئيسية للحام بالليزر ذو الاختراق العميق

مقدمة:

In the previous article, we discussed the principles and characteristics of Deep Penetration Laser Welding. Here, we will focus on the main process parameters. This is helpful for you to know more about this welding technique.

معلمات العملية الرئيسية للحام بالليزر ذو الاختراق العميق

1. قوة الليزر

There is a threshold value of laser energy density in laser welding. Below this value, the penetration depth is very shallow. Once this value is reached or exceeded, the penetration depth will be greatly increased. Only when the laser power density on the workpiece exceeds a threshold value (depending on the material) will the plasma be generated. This marks the progress of stable deep penetration welding.

If the laser power is below this threshold, only surface melting of the workpiece occurs. That is stable heat conduction welding. However, when the laser power density is near the critical condition for the formation of small holes, deep penetration welding and conduction welding are performed alternately. This becomes an unstable welding process, resulting in large fluctuations in penetration depth.

During laser deep penetration welding, the laser power controls the penetration depth and welding speed at the same time. Welding penetration is directly related to beam power density and is a function of incident beam power and beam focal spot. In general, for a laser beam of a certain diameter, the depth of penetration increases as the beam power increases.

2. Beam focal spot

Beam spot size is one of the most important variables in laser welding. Because it determines power density. But for high-power lasers, its measurement is difficult. Although there are many indirect measurement techniques.

The diffraction-limited spot size of the beam focus can be calculated according to the light diffraction theory. But due to the existence of focusing lens aberration, the actual spot size is larger than the calculated value. The simplest practical method is the isothermal profiling method. That is to measure the focal spot and perforation diameter after charring and penetrating a polypropylene plate with thick paper. This method needs to master the laser power and the time of beam action through measurement practice.

3. Material absorption value

The absorption of laser light by a material depends on some important properties of the material. Such as absorptivity, reflectivity, thermal conductivity, melting temperature, evaporation temperature, etc.
The most important thing is the absorption rate.

The factors that affect the absorption rate of the material to the laser beam include two aspects:

  • First, measure the absorbance of the polished surface of the material. It was found that the resistivity of the material is proportional to the square root of the resistivity coefficient. The resistivity coefficient changes with temperature.
  • Second, the surface condition (or finish) of the material has a more important effect on the beam absorption rate. Therefore it has a significant effect on the welding effect.

Non-metals such as ceramics, glass, rubber, and plastics have a high absorption rate at room temperature. However, metallic materials have a poor absorption rate at room temperature. And once the material melts or even evaporates, it will increase sharply. Using a surface coating or surface oxide film effectively improves the material’s light beam absorption.

4. Welding speed

The welding speed has a great influence on the penetration depth. Increasing the speed will make the penetration shallower. But if the speed is too low, the material will be over-melted, and the workpiece will be welded through. Therefore, a suitable welding speed range for a specific material with a certain laser power and thickness exists. The maximum penetration depth can be obtained at the corresponding speed value.

5. Protective gas

Inert gas is often used to protect the molten pool during laser welding. Some materials are welded regardless of surface oxidation, and the protection may not be considered. But for most applications, helium, argon, nitrogen, and other gases are often used as protection.

  • Helium

Helium is not easily ionized (higher ionization energy). This allows the laser to pass through smoothly, and the beam energy reaches the surface of the workpiece without hindrance. This is the most effective shielding gas used in laser welding. But it is more expensive.

  • Argon gas

Argon gas is cheaper and denser, so the protection effect is better. However, it is susceptible to high-temperature metal plasma ionization. This can shield part of the beam from hitting the workpiece, reduce the effective laser power for welding, and damage the welding speed and penetration. The weldment surface protected by argon is smoother than that when protected by helium.

  • Nitrogen

Nitrogen is the cheapest shielding gas. However, it is unsuitable for welding some types of stainless steel, mainly due to metallurgical problems, such as absorption. Sometimes, this produces porosity in the overlapping area.

The use of protective gas is beneficial, mainly in the following three aspects:

  • Protect the workpiece from oxidation during soldering.
  • Protect the focusing lens from metal vapor contamination and sputtering of liquid droplets, especially in high-power laser welding. Because the ejection becomes powerful, it is necessary to protect the lens now.
  • Dissipate the plasma shield produced by high-power laser welding. The metal vapor absorbs the laser beam and ionizes into a plasma cloud. The protective gas around the metal vapor is also ionized due to heat. If too much plasma is present, the laser beam is somewhat consumed by the plasma. Plasma exists on the working surface as a second energy, which makes the penetration shallow and the surface of the weld pool widen. The recombination rate of electrons is increased by increasing the three-body collisions of electrons with ions and neutral atoms to reduce the electron density in the plasma. The lighter the neutral atoms, the higher the collision frequency and recombination rate. On the other hand, only the protective gas with high ionization energy will not increase the electron density due to the ionization of the gas itself.

6. Lens focal length

The focusing method is usually used to condense the laser during welding, and a lens with a focal length of 63~254mm is generally used. The focus spot size is proportional to the focal length. The shorter the focal length, the smaller the spot. However, the focal length also affects the focal depth. That is, the focal depth increases synchronously with the focal length. So, a short focal length can increase the power density. Because of the small focal depth, the distance between the lens and the workpiece must be precisely maintained, and the penetration depth is not large.

Due to the influence of spatter and laser mode generated in the welding process, the shortest focal depth used in actual welding is mostly the focal length of 126mm (5″). When the joint is large or the weld seam needs to be increased by increasing the spot size, you can choose a lens with a focal length of 254mm. In this case, a higher laser output power (power density) is required to achieve the deep penetration pinhole effect.

When the laser power exceeds 2kW(especially for the 10.6μm CO2 laser beam), due to the use of special optical materials to form the optical system, the reflective focusing method is often used to avoid the risk of optical damage to the focusing lens. A polished copper mirror is generally used as the reflector. It is often recommended for focusing high-power laser beams due to effective cooling.

7. Focus position

The focal point position is critical to maintaining adequate power density when welding. Changes in the position of the focal point relative to the workpiece surface directly affect the weld width and depth.
In most laser welding applications, the focal spot is typically located about 1/4 of the desired fusion depth below the workpiece surface.

8. Laser beam position

When laser welding dissimilar materials, the laser beam position controls the final quality of the weld, especially in the case of butt joints than lap joints. For example, when a hardened steel gear is welded to a mild steel drum, proper control of the laser beam position will help produce a weld with a relatively cracking-resistant and predominantly low-carbon component. In some applications, the geometry of the workpiece to be welded requires the laser beam to be deflected by an angle. When the deflection angle between the beam axis and the joint plane is within 100 degrees, the absorption of laser energy by the workpiece will not be affected.

9. Gradual rise and fall control of the laser power at the start and end points of welding

During laser deep penetration welding, small holes always exist regardless of the depth of the weld. When the welding process is terminated, and the power switch is turned off, a pit will appear at the end of the weld. In addition, when the laser welding layer covers the original weld seam, excessive absorption of the laser beam will occur. This results in overheating of the weldment or generation of pores.

To prevent the above phenomena from happening, the power start and stop points can be programmed to adjust the power start and end times. The initial power is electronically increased from zero to the set power value in a short period. And the welding time can be adjusted. Finally, the power is gradually reduced from the set power to zero when the welding is terminated.

العملية الرئيسية للحام بالليزر ذو الاختراق العميق

مقدمة:

ناقشنا في المقالة السابقة مبادئ وخصائص اللحام بالليزر ذو الاختراق العميق. هنا، سوف نركز على معلمات العملية الرئيسية. هذا مفيد لك لمعرفة المزيد عن تقنية اللحام هذه.

معلمات العملية الرئيسية للحام بالليزر ذو الاختراق العميق

1. قوة الليزر

هناك قيمة عتبة لكثافة طاقة الليزر في اللحام بالليزر. تحت هذه القيمة، يكون عمق الاختراق ضحلًا جدًا. وبمجرد الوصول إلى هذه القيمة أو تجاوزها، سيتم زيادة عمق الاختراق بشكل كبير. فقط عندما تتجاوز كثافة طاقة الليزر على قطعة العمل قيمة العتبة (اعتمادًا على المادة) سيتم توليد البلازما. يمثل هذا تقدمًا في اللحام المستقر العميق.

إذا كانت طاقة الليزر أقل من هذا الحد، يحدث ذوبان سطح قطعة العمل فقط. هذا هو لحام التوصيل الحراري المستقر. ومع ذلك، عندما تكون كثافة طاقة الليزر قريبة من الحالة الحرجة لتشكيل ثقوب صغيرة، يتم إجراء اللحام بالاختراق العميق واللحام بالتوصيل بالتناوب. تصبح هذه عملية لحام غير مستقرة، مما يؤدي إلى تقلبات كبيرة في عمق الاختراق.

أثناء اللحام بالاختراق العميق بالليزر، تتحكم طاقة الليزر في عمق الاختراق وسرعة اللحام في نفس الوقت. يرتبط اختراق اللحام ارتباطًا مباشرًا بكثافة طاقة الشعاع وهو دالة على قوة الشعاع الساقط ونقطة بؤرة الشعاع. بشكل عام، بالنسبة لشعاع ليزر بقطر معين، يزداد عمق الاختراق مع زيادة قوة الشعاع.

2. شعاع النقطة المحورية

يعد حجم بقعة الشعاع أحد أهم المتغيرات في اللحام بالليزر. لأنه يحدد كثافة الطاقة. ولكن بالنسبة لأجهزة الليزر عالية الطاقة، فإن قياسها أمر صعب. على الرغم من وجود العديد من تقنيات القياس غير المباشرة.

يمكن حساب حجم البقعة المحدود بالحيود لتركيز الشعاع وفقًا لنظرية حيود الضوء. ولكن نظرًا لوجود انحراف عدسة التركيز، فإن حجم البقعة الفعلي أكبر من القيمة المحسوبة. أبسط طريقة عملية هي طريقة التنميط متساوي الحرارة. وذلك لقياس النقطة البؤرية وقطر الثقب بعد تفحم واختراق لوح البولي بروبيلين بورق سميك. تحتاج هذه الطريقة إلى إتقان قوة الليزر ووقت عمل الشعاع من خلال ممارسة القياس.

3. قيمة امتصاص المواد

يعتمد امتصاص المادة لضوء الليزر على بعض الخصائص المهمة للمادة. مثل الامتصاصية، والانعكاسية، والتوصيل الحراري، ودرجة حرارة الانصهار، ودرجة حرارة التبخر، وما إلى ذلك.
الشيء الأكثر أهمية هو معدل الامتصاص.

العوامل التي تؤثر على معدل امتصاص المادة لشعاع الليزر تشمل جانبين:

أولاً، قم بقياس امتصاصية السطح المصقول للمادة. وقد وجد أن مقاومة المادة تتناسب طرديا مع الجذر التربيعي لمعامل المقاومة. يتغير معامل المقاومة مع درجة الحرارة.
ثانيًا، حالة السطح (أو النهاية) للمادة لها تأثير أكثر أهمية على معدل امتصاص الشعاع. لذلك له تأثير كبير على تأثير اللحام.

تتمتع المواد غير المعدنية مثل السيراميك والزجاج والمطاط والبلاستيك بمعدل امتصاص مرتفع في درجة حرارة الغرفة. ومع ذلك، فإن المواد المعدنية لديها معدل امتصاص ضعيف في درجة حرارة الغرفة. وبمجرد ذوبان المادة أو حتى تبخرها، فإنها ستزداد بشكل حاد. يؤدي استخدام طلاء السطح أو طبقة أكسيد السطح إلى تحسين امتصاص شعاع الضوء للمادة بشكل فعال.

4. سرعة اللحام

سرعة اللحام لها تأثير كبير على عمق الاختراق. زيادة السرعة ستجعل الاختراق أقل عمقا. ولكن إذا كانت السرعة منخفضة جدًا، فسيتم ذوبان المادة بشكل مفرط، وسيتم لحام قطعة العمل من خلالها. لذلك، يوجد نطاق سرعة لحام مناسب لمادة معينة بقوة ليزر وسمك معين. يمكن الحصول على أقصى عمق للاختراق عند قيمة السرعة المقابلة.

5. الغاز الواقي

غالبًا ما يستخدم الغاز الخامل لحماية البركة المنصهرة أثناء اللحام بالليزر. يتم لحام بعض المواد بغض النظر عن أكسدة السطح، وقد لا يتم أخذ الحماية بعين الاعتبار. ولكن بالنسبة لمعظم التطبيقات، غالبًا ما يتم استخدام الهيليوم والأرجون والنيتروجين والغازات الأخرى كحماية.

هيليوم

لا يتأين الهيليوم بسهولة (طاقة تأين أعلى). وهذا يسمح لليزر بالمرور بسلاسة، وتصل طاقة الشعاع إلى سطح قطعة العمل دون عائق. هذا هو غاز الحماية الأكثر فعالية المستخدم في اللحام بالليزر. لكنها أكثر تكلفة.

غاز الأرجون

غاز الأرجون أرخص وأكثر كثافة، وبالتالي فإن تأثير الحماية أفضل. ومع ذلك، فهو عرضة لتأين البلازما المعدنية ذات درجة الحرارة العالية. هذا يمكن أن يحمي جزء من الشعاع من الاصطدام بقطعة العمل، ويقلل من قوة الليزر الفعالة للحام، ويضر بسرعة اللحام والاختراق. يكون سطح اللحام المحمي بالأرجون أكثر سلاسة من سطح اللحام المحمي بالهيليوم.

  • نتروجينيعتبر النيتروجين أرخص غاز واقي. ومع ذلك، فهو غير مناسب لحام بعض أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ، ويرجع ذلك أساسًا إلى مشاكل معدنية، مثل الامتصاص. في بعض الأحيان، ينتج عن ذلك مسامية في المنطقة المتداخلة.

    يعد استخدام الغاز الواقي مفيدًا، بشكل رئيسي في الجوانب الثلاثة التالية:

    – حماية قطعة العمل من الأكسدة أثناء اللحام.
    – حماية عدسة التركيز من تلوث البخار المعدني وتناثر قطرات السائل، خاصة في اللحام بالليزر عالي الطاقة. نظرًا لأن القذف يصبح قويًا، فمن الضروري حماية العدسة الآن.
    -تبديد درع البلازما الناتج عن اللحام بالليزر عالي الطاقة. يمتص البخار المعدني شعاع الليزر ويتأين في سحابة البلازما. ويتأين الغاز الواقي المحيط بالبخار المعدني أيضًا بسبب الحرارة. في حالة وجود الكثير من البلازما، يتم استهلاك شعاع الليزر إلى حد ما بواسطة البلازما. توجد البلازما على سطح العمل كطاقة ثانية، مما يجعل الاختراق سطحيًا ويتسع سطح حوض اللحام. يتم زيادة معدل إعادة تركيب الإلكترونات عن طريق زيادة اصطدامات الأجسام الثلاثة للإلكترونات مع الأيونات والذرات المحايدة لتقليل كثافة الإلكترون في البلازما. كلما كانت الذرات المحايدة أخف وزنا، كلما زاد تردد الاصطدام ومعدل إعادة التركيب. من ناحية أخرى، فإن الغاز الواقي ذو طاقة التأين العالية فقط لن يزيد من كثافة الإلكترون بسبب تأين الغاز نفسه.

6. البعد البؤري للعدسة

عادةً ما يتم استخدام طريقة التركيز لتكثيف الليزر أثناء اللحام، ويتم استخدام عدسة ذات طول بؤري يتراوح من 63 إلى 254 مم بشكل عام. يتناسب حجم نقطة التركيز مع البعد البؤري. كلما كان البعد البؤري أقصر، كانت البقعة أصغر. ومع ذلك، يؤثر البعد البؤري أيضًا على العمق البؤري. أي أن العمق البؤري يزداد بشكل متزامن مع البعد البؤري. لذا، فإن البعد البؤري القصير يمكن أن يزيد من كثافة الطاقة. بسبب العمق البؤري الصغير، يجب الحفاظ على المسافة بين العدسة وقطعة العمل بدقة، وعمق الاختراق ليس كبيرًا.

نظرًا لتأثير الترشيش ووضع الليزر المتولد في عملية اللحام، فإن أقصر عمق بؤري مستخدم في اللحام الفعلي هو في الغالب البعد البؤري البالغ 126 مم (5 بوصات). عندما تكون الوصلة كبيرة أو تحتاج إلى زيادة خط اللحام عن طريق زيادة حجم البقعة، يمكنك اختيار عدسة ذات طول بؤري يبلغ 254 مم. في هذه الحالة، يلزم وجود طاقة خرج ليزر أعلى (كثافة الطاقة) لتحقيق تأثير ثقب الاختراق العميق.

عندما تتجاوز طاقة الليزر 2 كيلو واط (خاصة لشعاع ليزر ثاني أكسيد الكربون 10.6μm)، بسبب استخدام مواد بصرية خاصة لتشكيل النظام البصري، غالبًا ما يتم استخدام طريقة التركيز العاكس لتجنب خطر الضرر البصري لعدسة التركيز. تُستخدم المرآة النحاسية المصقولة بشكل عام كعاكس. يوصى غالبًا بتركيز أشعة الليزر عالية الطاقة بسبب التبريد الفعال.

7. موضع التركيز

يعد موضع النقطة المحورية أمرًا بالغ الأهمية للحفاظ على كثافة الطاقة الكافية عند اللحام. تؤثر التغييرات في موضع النقطة المحورية بالنسبة لسطح قطعة العمل بشكل مباشر على عرض اللحام وعمقه.
في معظم تطبيقات اللحام بالليزر، تقع النقطة البؤرية عادةً على بعد حوالي 1/4 من عمق الدمج المطلوب أسفل سطح قطعة العمل.

8. موضع شعاع الليزر

عند لحام مواد مختلفة بالليزر، يتحكم موضع شعاع الليزر في الجودة النهائية للحام، خاصة في حالة الوصلات التناكبية مقارنة بالمفاصل اللفة. على سبيل المثال، عندما يتم لحام ترس فولاذي مقوى بأسطوانة فولاذية خفيفة، فإن التحكم المناسب في موضع شعاع الليزر سيساعد في إنتاج لحام بمكون مقاوم للتشقق نسبيًا ومنخفض الكربون في الغالب. في بعض التطبيقات، تتطلب هندسة قطعة العمل المراد لحامها أن ينحرف شعاع الليزر بزاوية. عندما تكون زاوية الانحراف بين محور الشعاع ومستوى المفصل ضمن 100 درجة، فإن امتصاص طاقة الليزر بواسطة قطعة العمل لن يتأثر.

9. التحكم في الارتفاع والانخفاض التدريجي لقوة الليزر عند نقطتي بداية ونهاية اللحام

أثناء اللحام باختراق عميق بالليزر، توجد دائمًا ثقوب صغيرة بغض النظر عن عمق اللحام. عند انتهاء عملية اللحام، وإيقاف تشغيل مفتاح الطاقة، ستظهر حفرة في نهاية اللحام. بالإضافة إلى ذلك، عندما تغطي طبقة اللحام بالليزر خط اللحام الأصلي، سيحدث امتصاص مفرط لشعاع الليزر. وهذا يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة اللحام أو تكوين المسام.

لمنع حدوث الظواهر المذكورة أعلاه، يمكن برمجة نقاط بدء وتوقف الطاقة لضبط أوقات بدء وانتهاء الطاقة. يتم زيادة الطاقة الأولية إلكترونيًا من الصفر إلى قيمة الطاقة المحددة خلال فترة قصيرة. ويمكن تعديل وقت اللحام. وأخيرًا، يتم تقليل الطاقة تدريجيًا من الطاقة المحددة إلى الصفر عند انتهاء اللحام.