Введение:
В предыдущей статье мы обсудили принципы и характеристики глубокой лазерной сварки. Здесь же мы сосредоточимся на основных параметрах процесса. Это полезно для вас, чтобы узнать больше об этой технике сварки.
Основные параметры процесса лазерной сварки глубокого проникновения
1. Мощность лазера
В лазерной сварке существует пороговое значение плотности энергии лазера. Ниже этого значения глубина проникновения очень мала. Как только это значение достигнуто или превышено, глубина проникновения значительно увеличится. Только когда плотность мощности лазера на заготовке превысит пороговое значение (в зависимости от материала), будет генерироваться плазма. Это отмечает прогресс стабильной сварки с глубоким проникновением.
Если мощность лазера ниже этого порога, происходит только поверхностное плавление заготовки. Это стабильная сварка теплопроводностью. Однако, когда плотность мощности лазера близка к критическому состоянию для образования небольших отверстий, сварка с глубоким проплавлением и сварка проводимостью выполняются попеременно. Это становится нестабильным процессом сварки, что приводит к большим колебаниям глубины проплавления.
При лазерной глубокой сварке мощность лазера одновременно контролирует глубину проникновения и скорость сварки. Проникновение сварки напрямую связано с плотностью мощности луча и является функцией мощности падающего луча и фокусного пятна луча. В общем случае для лазерного луча определенного диаметра глубина проникновения увеличивается с увеличением мощности луча.
2. Фокусное пятно луча
Размер пятна луча является одной из важнейших переменных в лазерной сварке. Поскольку он определяет плотность мощности. Но для мощных лазеров его измерение затруднено. Хотя существует множество косвенных методов измерения.
Дифракционно-ограниченный размер пятна фокуса луча может быть рассчитан в соответствии с теорией дифракции света. Но из-за существования аберрации фокусирующей линзы фактический размер пятна больше расчетного значения. Самый простой практический метод - это метод изотермического профилирования. То есть измерение фокусного пятна и диаметра перфорации после обугливания и прокалывания полипропиленовой пластины толстой бумагой. Этот метод требует освоения мощности лазера и времени действия луча посредством измерительной практики.
3. Значение поглощения материала
Поглощение лазерного света материалом зависит от некоторых важных свойств материала, таких как поглощательная способность, отражательная способность, теплопроводность, температура плавления, температура испарения и т. д.
Самое главное — скорость усвоения.
Факторы, влияющие на скорость поглощения материала лазерного луча, включают два аспекта:
- Сначала измерьте поглощение полированной поверхности материала. Было обнаружено, что удельное сопротивление материала пропорционально квадратному корню из коэффициента удельного сопротивления. Коэффициент удельного сопротивления изменяется с температурой.
- Во-вторых, состояние поверхности (или отделка) материала имеет более важное влияние на скорость поглощения луча. Поэтому оно оказывает значительное влияние на эффект сварки.
Неметаллы, такие как керамика, стекло, резина и пластик, имеют высокую скорость поглощения при комнатной температуре. Однако металлические материалы имеют низкую скорость поглощения при комнатной температуре. И как только материал расплавится или даже испарится, она резко возрастет. Использование поверхностного покрытия или поверхностной оксидной пленки эффективно улучшает поглощение светового луча материалом.
4. Скорость сварки
Скорость сварки оказывает большое влияние на глубину проплавления. Увеличение скорости сделает проплавление неглубоким. Но если скорость слишком низкая, материал будет переплавлен, и деталь будет проварена насквозь. Поэтому существует подходящий диапазон скоростей сварки для конкретного материала с определенной мощностью лазера и толщиной. Максимальная глубина проплавления может быть получена при соответствующем значении скорости.
5. Защитный газ
Инертный газ часто используется для защиты расплавленной ванны во время лазерной сварки. Некоторые материалы свариваются независимо от поверхностного окисления, и защита может не учитываться. Но для большинства применений в качестве защиты часто используются гелий, аргон, азот и другие газы.
-
Гелий
Гелий нелегко ионизируется (более высокая энергия ионизации). Это позволяет лазеру проходить плавно, и энергия луча достигает поверхности заготовки без помех. Это самый эффективный защитный газ, используемый при лазерной сварке. Но он более дорогой.
-
Газ аргон
Газ аргон дешевле и плотнее, поэтому эффект защиты лучше. Однако он подвержен ионизации высокотемпературной металлической плазмы. Это может экранировать часть луча от попадания на заготовку, снизить эффективную мощность лазера для сварки и повредить скорость сварки и проплавление. Поверхность сварного шва, защищенная аргоном, более гладкая, чем при защите гелием.
-
Азот
Азот — самый дешевый защитный газ. Однако он не подходит для сварки некоторых типов нержавеющей стали, в основном из-за металлургических проблем, таких как абсорбция. Иногда это приводит к образованию пор в области перекрытия.
Использование защитного газа выгодно, прежде всего, в следующих трех аспектах:
- Защитите заготовку от окисления во время пайки.
- Защитите фокусирующую линзу от загрязнения парами металла и разбрызгивания капель жидкости, особенно при лазерной сварке высокой мощности. Поскольку выброс становится мощным, необходимо защитить линзу сейчас.
- Рассейте плазменный экран, созданный мощной лазерной сваркой. Пары металла поглощают лазерный луч и ионизируются в плазменное облако. Защитный газ вокруг паров металла также ионизируется из-за тепла. Если плазмы слишком много, лазерный луч в некоторой степени поглощается плазмой. Плазма существует на рабочей поверхности как вторая энергия, что делает проникновение неглубоким, а поверхность сварочной ванны расширяется. Скорость рекомбинации электронов увеличивается за счет увеличения трехчастичных столкновений электронов с ионами и нейтральными атомами для уменьшения электронной плотности в плазме. Чем легче нейтральные атомы, тем выше частота столкновений и скорость рекомбинации. С другой стороны, только защитный газ с высокой энергией ионизации не увеличит электронную плотность из-за ионизации самого газа.
6. Фокусное расстояние объектива
Метод фокусировки обычно используется для конденсации лазера во время сварки, и обычно используется линза с фокусным расстоянием 63~254 мм. Размер пятна фокусировки пропорционален фокусному расстоянию. Чем короче фокусное расстояние, тем меньше пятно. Однако фокусное расстояние также влияет на глубину фокусировки. То есть глубина фокусировки увеличивается синхронно с фокусным расстоянием. Таким образом, короткое фокусное расстояние может увеличить плотность мощности. Из-за небольшой глубины фокусировки расстояние между линзой и заготовкой должно точно выдерживаться, а глубина проникновения невелика.
Из-за влияния брызг и лазерного режима, образующихся в процессе сварки, наименьшая фокусная глубина, используемая при фактической сварке, в основном составляет фокусное расстояние 126 мм (5″). Если соединение большое или сварной шов необходимо увеличить за счет увеличения размера пятна, можно выбрать линзу с фокусным расстоянием 254 мм. В этом случае для достижения эффекта глубокого проникновения требуется более высокая выходная мощность лазера (плотность мощности).
Когда мощность лазера превышает 2 кВт (особенно для луча CO2-лазера 10,6 мкм), из-за использования специальных оптических материалов для формирования оптической системы часто применяется метод отражательной фокусировки, чтобы избежать риска оптического повреждения фокусирующей линзы. В качестве отражателя обычно используется полированное медное зеркало. Его часто рекомендуют для фокусировки мощных лазерных лучей из-за эффективного охлаждения.
7. Положение фокуса
Положение фокуса имеет решающее значение для поддержания адекватной плотности мощности при сварке. Изменения положения фокуса относительно поверхности заготовки напрямую влияют на ширину и глубину сварного шва.
В большинстве случаев лазерной сварки фокусное пятно обычно располагается примерно на 1/4 желаемой глубины плавления под поверхностью заготовки.
8. Положение лазерного луча
При лазерной сварке разнородных материалов положение лазерного луча контролирует конечное качество сварки, особенно в случае стыковых соединений, чем нахлесточных. Например, когда закаленная стальная шестерня приваривается к барабану из мягкой стали, правильный контроль положения лазерного луча поможет получить сварной шов с относительно устойчивым к трещинам и преимущественно низкоуглеродистым компонентом. В некоторых случаях геометрия свариваемой детали требует отклонения лазерного луча на угол. Когда угол отклонения между осью луча и плоскостью соединения находится в пределах 100 градусов, поглощение лазерной энергии деталью не будет затронуто.
9. Плавное регулирование мощности лазера в начальной и конечной точках сварки.
При лазерной глубокой сварке всегда существуют небольшие отверстия, независимо от глубины сварного шва. Когда процесс сварки прекращается, а выключатель питания выключается, в конце сварного шва появляется ямка. Кроме того, когда слой лазерной сварки покрывает исходный сварной шов, происходит чрезмерное поглощение лазерного луча. Это приводит к перегреву сварного шва или образованию пор.
Чтобы предотвратить возникновение вышеуказанных явлений, точки начала и окончания подачи питания можно запрограммировать для регулировки времени начала и окончания подачи питания. Начальная мощность увеличивается электронным способом от нуля до установленного значения мощности за короткий период. И время сварки можно отрегулировать. Наконец, мощность постепенно уменьшается от установленного значения мощности до нуля, когда сварка прекращается.