Οι κύριες παράμετροι διεργασίας της συγκόλλησης με λέιζερ βαθιάς διείσδυσης

Εισαγωγή:

Στο προηγούμενο άρθρο, συζητήσαμε τις αρχές και τα χαρακτηριστικά της συγκόλλησης με λέιζερ βαθιάς διείσδυσης. Εδώ, θα επικεντρωθούμε στις κύριες παραμέτρους της διαδικασίας. Αυτό είναι χρήσιμο για να μάθετε περισσότερα σχετικά με αυτήν την τεχνική συγκόλλησης.

Οι κύριες παράμετροι διεργασίας της συγκόλλησης με λέιζερ βαθιάς διείσδυσης

1. Ισχύς λέιζερ

Υπάρχει μια τιμή κατωφλίου της πυκνότητας ενέργειας λέιζερ στη συγκόλληση με λέιζερ. Κάτω από αυτή την τιμή, το βάθος διείσδυσης είναι πολύ μικρό. Μόλις επιτευχθεί ή ξεπεραστεί αυτή η τιμή, το βάθος διείσδυσης θα αυξηθεί σημαντικά. Μόνο όταν η πυκνότητα ισχύος λέιζερ στο τεμάχιο εργασίας υπερβαίνει μια τιμή κατωφλίου (ανάλογα με το υλικό) θα δημιουργηθεί το πλάσμα. Αυτό σηματοδοτεί την πρόοδο της σταθερής συγκόλλησης βαθιάς διείσδυσης.

Εάν η ισχύς του λέιζερ είναι κάτω από αυτό το όριο, συμβαίνει μόνο επιφανειακή τήξη του τεμαχίου εργασίας. Αυτό είναι συγκόλληση σταθερής αγωγιμότητας θερμότητας. Ωστόσο, όταν η πυκνότητα ισχύος του λέιζερ είναι κοντά στην κρίσιμη συνθήκη για το σχηματισμό μικρών οπών, η συγκόλληση με βαθιά διείσδυση και η συγκόλληση αγωγιμότητας εκτελούνται εναλλάξ. Αυτό γίνεται μια ασταθής διαδικασία συγκόλλησης, με αποτέλεσμα μεγάλες διακυμάνσεις στο βάθος διείσδυσης.

Κατά τη συγκόλληση με βαθιά διείσδυση με λέιζερ, η ισχύς λέιζερ ελέγχει ταυτόχρονα το βάθος διείσδυσης και την ταχύτητα συγκόλλησης. Η διείσδυση συγκόλλησης σχετίζεται άμεσα με την πυκνότητα ισχύος της δέσμης και είναι συνάρτηση της ισχύος της προσπίπτουσας δέσμης και του εστιακού σημείου της δέσμης. Γενικά, για μια δέσμη λέιζερ ορισμένης διαμέτρου, το βάθος διείσδυσης αυξάνεται όσο αυξάνεται η ισχύς της δέσμης.

2. Εστιακό σημείο δέσμης

Το μέγεθος κηλίδας δέσμης είναι μια από τις πιο σημαντικές μεταβλητές στη συγκόλληση με λέιζερ. Επειδή καθορίζει την πυκνότητα ισχύος. Αλλά για λέιζερ υψηλής ισχύος, η μέτρησή του είναι δύσκολη. Αν και υπάρχουν πολλές τεχνικές έμμεσων μετρήσεων.

Το περιορισμένο σε περίθλαση μέγεθος κηλίδας της εστίασης δέσμης μπορεί να υπολογιστεί σύμφωνα με τη θεωρία περίθλασης φωτός. Όμως, λόγω της ύπαρξης εκτροπής του φακού εστίασης, το πραγματικό μέγεθος κηλίδας είναι μεγαλύτερο από την υπολογιζόμενη τιμή. Η απλούστερη πρακτική μέθοδος είναι η μέθοδος ισοθερμικού προφίλ. Δηλαδή μέτρηση του εστιακού σημείου και της διαμέτρου διάτρησης μετά την απανθράκωση και τη διείσδυση σε μια πλάκα πολυπροπυλενίου με χοντρό χαρτί. Αυτή η μέθοδος χρειάζεται να κατακτήσει την ισχύ του λέιζερ και τον χρόνο δράσης της δέσμης μέσω της πρακτικής μέτρησης.

3. Αξία απορρόφησης υλικού

Η απορρόφηση του φωτός λέιζερ από ένα υλικό εξαρτάται από ορισμένες σημαντικές ιδιότητες του υλικού. Όπως η απορροφητικότητα, η ανακλαστικότητα, η θερμική αγωγιμότητα, η θερμοκρασία τήξης, η θερμοκρασία εξάτμισης κ.λπ.
Το πιο σημαντικό είναι ο ρυθμός απορρόφησης.

Οι παράγοντες που επηρεάζουν τον ρυθμό απορρόφησης του υλικού στην ακτίνα λέιζερ περιλαμβάνουν δύο πτυχές:

  • Πρώτα, μετρήστε την απορρόφηση της γυαλισμένης επιφάνειας του υλικού. Διαπιστώθηκε ότι η ειδική ειδική αντίσταση του υλικού είναι ανάλογη με την τετραγωνική ρίζα του συντελεστή ειδικής αντίστασης. Ο συντελεστής αντίστασης αλλάζει με τη θερμοκρασία.
  • Δεύτερον, η κατάσταση της επιφάνειας (ή το φινίρισμα) του υλικού έχει πιο σημαντική επίδραση στον ρυθμό απορρόφησης της δέσμης. Επομένως έχει σημαντική επίδραση στο αποτέλεσμα συγκόλλησης.

Τα μη μέταλλα όπως τα κεραμικά, το γυαλί, το καουτσούκ και τα πλαστικά έχουν υψηλό ρυθμό απορρόφησης σε θερμοκρασία δωματίου. Ωστόσο, τα μεταλλικά υλικά έχουν χαμηλό ρυθμό απορρόφησης σε θερμοκρασία δωματίου. Και μόλις το υλικό λιώσει ή ακόμα και εξατμιστεί, θα αυξηθεί απότομα. Η χρήση επιφανειακής επικάλυψης ή μεμβράνης οξειδίου επιφάνειας βελτιώνει αποτελεσματικά την απορρόφηση της δέσμης φωτός του υλικού.

4. Ταχύτητα συγκόλλησης

Η ταχύτητα συγκόλλησης έχει μεγάλη επίδραση στο βάθος διείσδυσης. Η αύξηση της ταχύτητας θα κάνει τη διείσδυση πιο ρηχή. Αλλά εάν η ταχύτητα είναι πολύ χαμηλή, το υλικό θα λιώσει υπερβολικά και το τεμάχιο εργασίας θα συγκολληθεί. Επομένως, υπάρχει ένα κατάλληλο εύρος ταχύτητας συγκόλλησης για ένα συγκεκριμένο υλικό με συγκεκριμένη ισχύ και πάχος λέιζερ. Το μέγιστο βάθος διείσδυσης μπορεί να επιτευχθεί στην αντίστοιχη τιμή ταχύτητας.

5. Προστατευτικό αέριο

Το αδρανές αέριο χρησιμοποιείται συχνά για την προστασία της λιωμένης δεξαμενής κατά τη συγκόλληση με λέιζερ. Ορισμένα υλικά συγκολλούνται ανεξάρτητα από την επιφανειακή οξείδωση και η προστασία μπορεί να μην ληφθεί υπόψη. Αλλά για τις περισσότερες εφαρμογές, το ήλιο, το αργό, το άζωτο και άλλα αέρια χρησιμοποιούνται συχνά ως προστασία.

  • Ήλιο

Το ήλιο δεν ιονίζεται εύκολα (υψηλότερη ενέργεια ιοντισμού). Αυτό επιτρέπει στο λέιζερ να διέρχεται ομαλά και η ενέργεια της δέσμης φτάνει στην επιφάνεια του τεμαχίου εργασίας χωρίς εμπόδια. Αυτό είναι το πιο αποτελεσματικό προστατευτικό αέριο που χρησιμοποιείται στη συγκόλληση με λέιζερ. Αλλά είναι πιο ακριβό.

  • Αέριο αργό

Το αέριο αργό είναι φθηνότερο και πιο πυκνό, επομένως το αποτέλεσμα προστασίας είναι καλύτερο. Ωστόσο, είναι ευαίσθητο σε ιονισμό μετάλλου πλάσματος σε υψηλή θερμοκρασία. Αυτό μπορεί να προστατεύσει μέρος της δέσμης από το χτύπημα του τεμαχίου εργασίας, να μειώσει την αποτελεσματική ισχύ λέιζερ για τη συγκόλληση και να βλάψει την ταχύτητα και τη διείσδυση συγκόλλησης. Η επιφάνεια συγκόλλησης που προστατεύεται από αργό είναι πιο λεία από αυτή όταν προστατεύεται από ήλιο.

  • Αζωτο

Το άζωτο είναι το φθηνότερο προστατευτικό αέριο. Ωστόσο, είναι ακατάλληλο για συγκόλληση ορισμένων τύπων ανοξείδωτου χάλυβα, κυρίως λόγω μεταλλουργικών προβλημάτων, όπως η απορρόφηση. Μερικές φορές, αυτό δημιουργεί πορώδες στην επικαλυπτόμενη περιοχή.

Η χρήση προστατευτικού αερίου είναι ευεργετική, κυρίως στις ακόλουθες τρεις πτυχές:

  • Προστατέψτε το τεμάχιο εργασίας από την οξείδωση κατά τη συγκόλληση.
  • Προστατέψτε τον φακό εστίασης από μόλυνση μεταλλικών ατμών και εκτόξευση σταγονιδίων υγρού, ειδικά σε συγκόλληση με λέιζερ υψηλής ισχύος. Επειδή η εξώθηση γίνεται ισχυρή, είναι απαραίτητο να προστατεύσετε τον φακό τώρα.
  • Διασκορπίστε την ασπίδα πλάσματος που παράγεται από τη συγκόλληση με λέιζερ υψηλής ισχύος. Ο μεταλλικός ατμός απορροφά την ακτίνα λέιζερ και ιονίζεται σε ένα σύννεφο πλάσματος. Το προστατευτικό αέριο γύρω από τους ατμούς μετάλλου ιονίζεται επίσης λόγω θερμότητας. Εάν υπάρχει πάρα πολύ πλάσμα, η δέσμη λέιζερ καταναλώνεται κάπως από το πλάσμα. Το πλάσμα υπάρχει στην επιφάνεια εργασίας ως δεύτερη ενέργεια, η οποία κάνει τη διείσδυση ρηχή και την επιφάνεια της δεξαμενής συγκόλλησης διευρύνει. Ο ρυθμός ανασυνδυασμού των ηλεκτρονίων αυξάνεται αυξάνοντας τις συγκρούσεις τριών σωμάτων ηλεκτρονίων με ιόντα και ουδέτερα άτομα για μείωση της πυκνότητας ηλεκτρονίων στο πλάσμα. Όσο πιο ελαφριά είναι τα ουδέτερα άτομα, τόσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα σύγκρουσης και ο ρυθμός ανασυνδυασμού. Από την άλλη πλευρά, μόνο το προστατευτικό αέριο με υψηλή ενέργεια ιονισμού δεν θα αυξήσει την πυκνότητα των ηλεκτρονίων λόγω του ιονισμού του ίδιου του αερίου.

6. Εστιακή απόσταση φακού

Η μέθοδος εστίασης χρησιμοποιείται συνήθως για τη συμπύκνωση του λέιζερ κατά τη συγκόλληση και γενικά χρησιμοποιείται ένας φακός με εστιακή απόσταση 63~254 mm. Το μέγεθος του σημείου εστίασης είναι ανάλογο με την εστιακή απόσταση. Όσο μικρότερη είναι η εστιακή απόσταση, τόσο μικρότερο είναι το σημείο. Ωστόσο, η εστιακή απόσταση επηρεάζει και το εστιακό βάθος. Δηλαδή, το εστιακό βάθος αυξάνεται ταυτόχρονα με την εστιακή απόσταση. Έτσι, μια μικρή εστιακή απόσταση μπορεί να αυξήσει την πυκνότητα ισχύος. Λόγω του μικρού εστιακού βάθους, η απόσταση μεταξύ του φακού και του τεμαχίου εργασίας πρέπει να διατηρείται με ακρίβεια και το βάθος διείσδυσης δεν είναι μεγάλο.

Λόγω της επίδρασης του πιτσιλίσματος και της λειτουργίας λέιζερ που δημιουργείται στη διαδικασία συγκόλλησης, το μικρότερο εστιακό βάθος που χρησιμοποιείται στην πραγματική συγκόλληση είναι κυρίως η εστιακή απόσταση των 126 mm (5″). Όταν ο σύνδεσμος είναι μεγάλος ή η ραφή συγκόλλησης πρέπει να αυξηθεί αυξάνοντας το μέγεθος του σημείου, μπορείτε να επιλέξετε φακό με εστιακή απόσταση 254 mm. Σε αυτήν την περίπτωση, απαιτείται υψηλότερη ισχύς εξόδου λέιζερ (πυκνότητα ισχύος) για να επιτευχθεί το φαινόμενο της οπής βαθιάς διείσδυσης.

Όταν η ισχύς του λέιζερ υπερβαίνει τα 2 kW (ειδικά για τη δέσμη λέιζερ CO2 10,6 μm), λόγω της χρήσης ειδικών οπτικών υλικών για τη διαμόρφωση του οπτικού συστήματος, η μέθοδος ανακλαστικής εστίασης χρησιμοποιείται συχνά για να αποφευχθεί ο κίνδυνος οπτικής βλάβης στον φακό εστίασης. Ως ανακλαστήρας χρησιμοποιείται γενικά ένας γυαλισμένος χάλκινος καθρέφτης. Συχνά συνιστάται για εστίαση ακτίνων λέιζερ υψηλής ισχύος λόγω αποτελεσματικής ψύξης.

7. Θέση εστίασης

Η θέση του εστιακού σημείου είναι κρίσιμη για τη διατήρηση της κατάλληλης πυκνότητας ισχύος κατά τη συγκόλληση. Οι αλλαγές στη θέση του εστιακού σημείου σε σχέση με την επιφάνεια του τεμαχίου εργασίας επηρεάζουν άμεσα το πλάτος και το βάθος της συγκόλλησης.
Στις περισσότερες εφαρμογές συγκόλλησης με λέιζερ, το εστιακό σημείο βρίσκεται συνήθως περίπου στο 1/4 του επιθυμητού βάθους σύντηξης κάτω από την επιφάνεια του τεμαχίου εργασίας.

8. Θέση δέσμης λέιζερ

Κατά τη συγκόλληση ανόμοιων υλικών με λέιζερ, η θέση της δέσμης λέιζερ ελέγχει την τελική ποιότητα της συγκόλλησης, ειδικά στην περίπτωση των άκρων αρμών από τις αρθρώσεις περιτύλιξης. Για παράδειγμα, όταν ένα γρανάζι από σκληρυμένο χάλυβα συγκολλάται σε ένα τύμπανο από μαλακό χάλυβα, ο σωστός έλεγχος της θέσης της δέσμης λέιζερ θα βοηθήσει στην παραγωγή μιας συγκόλλησης με ένα σχετικά ανθεκτικό στη ρωγμή εξάρτημα και κυρίως με χαμηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα. Σε ορισμένες εφαρμογές, η γεωμετρία του προς συγκόλληση τεμαχίου απαιτεί την εκτροπή της δέσμης λέιζερ κατά γωνία. Όταν η γωνία εκτροπής μεταξύ του άξονα της δέσμης και του επιπέδου άρθρωσης είναι εντός 100 μοιρών, η απορρόφηση της ενέργειας λέιζερ από το τεμάχιο εργασίας δεν θα επηρεαστεί.

9. Σταδιακός έλεγχος ανόδου και πτώσης της ισχύος λέιζερ στα σημεία έναρξης και λήξης της συγκόλλησης

Κατά τη συγκόλληση με βαθιά διείσδυση με λέιζερ, υπάρχουν πάντα μικρές οπές ανεξάρτητα από το βάθος της συγκόλλησης. Όταν η διαδικασία συγκόλλησης τερματιστεί και ο διακόπτης λειτουργίας είναι απενεργοποιημένος, θα εμφανιστεί ένα λάκκο στο τέλος της συγκόλλησης. Επιπλέον, όταν το στρώμα συγκόλλησης λέιζερ καλύπτει την αρχική ραφή συγκόλλησης, θα συμβεί υπερβολική απορρόφηση της δέσμης λέιζερ. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την υπερθέρμανση της συγκόλλησης ή τη δημιουργία πόρων.

Για να αποτρέψετε την εμφάνιση των παραπάνω φαινομένων, τα σημεία έναρξης και διακοπής ισχύος μπορούν να προγραμματιστούν ώστε να προσαρμόζουν τους χρόνους έναρξης και λήξης ισχύος. Η αρχική ισχύς αυξάνεται ηλεκτρονικά από το μηδέν στην καθορισμένη τιμή ισχύος σε σύντομο χρονικό διάστημα. Και ο χρόνος συγκόλλησης μπορεί να ρυθμιστεί. Τέλος, η ισχύς μειώνεται σταδιακά από την καθορισμένη ισχύ στο μηδέν όταν τερματίζεται η συγκόλληση.