Laserkeevituse põhimõte
Laserkeevitust saab teha pidevate või impulss-laserkiirtega. Laserkeevituse põhimõtte võib jagada soojusjuhtivusega keevituseks ja lasersügavkeevituseks. Kui võimsustihedus on alla 104–105 W/cm2, on tegemist soojusjuhtivusega keevitusega. Sel ajal on läbitungimissügavus madal ja keevituskiirus aeglane; Kui võimsustihedus on suurem kui 105–107 W/cm2, süvendatakse metallpind kuumutamisel "õõnsustesse", moodustades sügava läbitungimiskeevituse, millel on kiire keevituskiirus ja suur kuvasuhe.
Soojusjuhtivuslaserkeevituse põhimõte on: laserkiirgus soojendab töödeldavat pinda ja pinnasoojus hajub soojusjuhtivuse kaudu sisemusse. Reguleerides laserimpulsi laiust, energiat, tippvõimsust ja kordussagedust ning muid laserparameetreid, sulatatakse toorik, et moodustada konkreetne sulakogum. .
Hammasrataste keevitamiseks ja metallurgilise õhukeste plaatide keevitamiseks kasutatav laserkeevitusseade hõlmab peamiselt laserkeevitust. Järgnev keskendub lasersügavkeevituse põhimõttele.
Laser-sügavkeevitus kasutab materjalide ühendamiseks üldiselt pidevat laserkiirt ja selle metallurgiline füüsikaline protsess on väga sarnane elektronkiire keevitusega, see tähendab, et energia muundamise mehhanism viiakse lõpule "võtmeava" struktuuri kaudu. Piisavalt suure võimsustihedusega laserkiirguse korral materjal aurustub ja moodustab väikesed poorid. See väike auru täis auk on nagu must keha, neelab peaaegu kogu langeva kiire energia ja õõnsuse tasakaalutemperatuur ulatub umbes 2500 0C. Soojus kandub üle kõrge temperatuuriga õõnsuse välisseinast, et sulatada õõnsust ümbritsev metall. Väike auk on täidetud kõrge temperatuuriga auruga, mis tekib seinamaterjali pideval aurustumisel tala kiiritamisel, väikese augu seinad on ümbritsetud sulametalliga ja vedelat metalli ümbritsevad tahked materjalid (samas enamik tavapäraseid keevitusprotsesse ja laserjuhtkeevitus, energia kantakse esmalt tooriku pinnale ja seejärel transporditakse sisemusse. Vedeliku vool väljaspool pooride seina ja seinakihi pindpinevus säilitavad dünaamilise tasakaalu pooriõõnes pidevalt tekkiva aururõhuga. Tala siseneb pidevalt väikesesse auku ja väljaspool väikest auku olev materjal voolab pidevalt. Kui tala liigub, on väike auk alati stabiilses vooluseisundis. See tähendab, et väike auk ja ava seina ümbritsev sulametall liiguvad edasi esitala ettepoole suunatud kiirusega ning sulametall täidab väikesest august jäänud tühimiku ja seejärel kondenseerub, nii et keevisõmblus tekib. Kõik see ülaltoodud protsess toimub nii kiiresti, et keevituskiirus võib kergesti ulatuda mitme meetrini minutis.
02
Lasersügavkeevituse peamised protsessiparameetrid
1) Laseri võimsus. Laserkeevitamisel on laseri energiatiheduse läviväärtus. Sellest väärtusest madalamal on läbitungimissügavus väga madal. Kui see väärtus on saavutatud või ületatud, suureneb läbitungimissügavus oluliselt. Plasma tekib ainult siis, kui laseri võimsustihedus töödeldaval detailil ületab läviväärtuse (olenevalt materjalist), mis tähistab stabiilse sügava läbitungimiskeevituse edenemist. Kui laseri võimsus jääb alla selle läve, toimub ainult töödeldava detaili pinnasulamine ehk keevitamine toimub stabiilse soojusjuhtivusega. Kui laseri võimsustihedus on lähedal väikeste aukude tekke kriitilisele tingimusele, tehakse vaheldumisi sügav- ja juhtivuskeevitust, mis muutub ebastabiilseks keevitusprotsessiks, mille tulemuseks on läbitungimissügavuse suured kõikumised. Laseri sügavtungimiskeevituse ajal kontrollib laseri võimsus samaaegselt läbitungimissügavust ja keevituskiirust. Keevituse läbitungimine on otseselt seotud kiire võimsustihedusega ja on langeva kiire võimsuse ja kiire fookuspunkti funktsioon. Üldiselt suureneb teatud läbimõõduga laserkiire läbitungimissügavus kiire võimsuse kasvades.
2) Kiire fookuspunkt. Kiire punkti suurus on laserkeevitusel üks olulisemaid muutujaid, kuna see määrab võimsustiheduse. Kuid suure võimsusega laserite puhul on selle mõõtmine keeruline probleem, kuigi kaudseid mõõtmismeetodeid on palju.
Kiire fookuse difraktsioonipiiranguga täpi suurust saab arvutada vastavalt valguse difraktsiooni teooriale, kuid teravustamisläätse aberratsiooni olemasolu tõttu on tegelik täpi suurus suurem kui arvutatud väärtus. Lihtsaim praktiline meetod on isotermiline profileerimismeetod, mis mõõdab fookuspunkti ja perforatsiooni läbimõõtu pärast söetamist ja paksu paberiga polüpropüleenplaadi läbistamist. See meetod peab mõõtmispraktika kaudu valdama laseri võimsust ja kiire toimeaega.
3) Materjali neeldumise väärtus. Laservalguse neeldumine materjalide poolt sõltub mõnest olulisest materjali omadusest, nagu neelduvus, peegeldusvõime, soojusjuhtivus, sulamistemperatuur, aurustumistemperatuur jne, millest olulisim on neelduvus.
Tegurid, mis mõjutavad materjali neeldumiskiirust laserkiirele, hõlmavad kahte aspekti: esimene on materjali eritakistus. Pärast materjali poleeritud pinna neeldumiskiiruse mõõtmist leitakse, et materjali neeldumiskiirus on võrdeline takistuse ruutjuurega ja eritakistus muutub sõltuvalt temperatuurist. Teiseks on materjali pinnaseisundil (või siledusel) olulisem mõju kiire neeldumiskiirusele, millel on oluline mõju keevitusefektile.
CO2 laseri väljundlainepikkus on tavaliselt 10,6 μm. Keraamika, klaasi, kummi, plasti ja muude mittemetallide neeldumiskiirus on toatemperatuuril väga kõrge, samas kui metallmaterjalide neeldumiskiirus on toatemperatuuril väga halb, kuni materjal on sulanud või isegi gaasiline. Selle neeldumisvõime suureneb järsult. Väga tõhus on parandada materjali valguskiirte neeldumist, kasutades pinnakatet või pinna oksiidkile moodustamist.
4) Keevituskiirus. Keevituskiirusel on suur mõju läbitungimissügavusele. Kiiruse suurendamine muudab läbitungimise madalaks, kuid liiga väikese kiiruse korral sulab materjal üle ja toorik keevitatakse läbi. Seetõttu on kindla laserivõimsuse ja paksusega konkreetse materjali jaoks sobiv keevituskiiruse vahemik ning vastava kiiruse väärtuse juures on võimalik saada maksimaalne läbitungimissügavus. Joonisel 10-2 on näidatud seos keevituskiiruse ja 1018 terase läbitungimissügavuse vahel.
5) Kaitsegaas. Laserkeevitusprotsessis kasutatakse sulabasseini kaitsmiseks sageli inertgaasi. Mõnede materjalide keevitamisel olenemata pinna oksüdatsioonist ei pruugita kaitset arvesse võtta, kuid enamiku rakenduste puhul kasutatakse tooriku valmistamiseks sageli heeliumi, argooni, lämmastikku ja muid gaase. Kaitstud oksüdeerumise eest jootmise ajal.
Heelium ei ole kergesti ioniseeritav (suurem ionisatsioonienergia), mis võimaldab laseril sujuvalt läbida ja kiire energia jõuab töödeldava detaili pinnale takistusteta. See on kõige tõhusam laserkeevitamisel kasutatav kaitsegaas, kuid see on kallim.
Argoongaas on odavam ja tihedam, seega on kaitseefekt parem. Siiski on see vastuvõtlik kõrge temperatuuriga metalli plasmaionisatsioonile, mis kaitseb osa kiirt töödeldava detaili tabamise eest, vähendab keevitamise efektiivset laseri võimsust ning kahjustab ka keevituskiirust ja läbitungimist. Argooniga kaitstud keevisõmbluse pind on siledam kui heeliumiga kaitstud pind.
Lämmastik on odavaim kaitsegaas, kuid see ei sobi teatud tüüpi roostevaba terase keevitamiseks, seda peamiselt metallurgiliste probleemide tõttu, näiteks neeldumise tõttu, mis mõnikord tekitab kattuvas piirkonnas poorsust.
Kaitsegaasi kasutamise teine funktsioon on kaitsta fookusläätse metalliaurude saastumise ja vedelikupiiskade pritsimise eest. Eriti suure võimsusega laserkeevitamisel, kuna väljutus muutub väga võimsaks, on läätse sel ajal rohkem vaja kaitsta.
Kaitsegaasi kolmas funktsioon on see, et see hajutab väga tõhusalt suure võimsusega laserkeevitusega toodetud plasmakilbi. Metalli aur neelab laserkiire ja ioniseerub plasmapilveks ning soojuse toimel ioniseerub ka metalliauru ümbritsev kaitsegaas. Kui plasmas on liiga palju, kulub laserkiir mõnevõrra plasmale. Plasma eksisteerib tööpinnal teise energiana, mis muudab läbitungimise madalaks ja keevisvanni pinna laieneb. Elektronide rekombinatsioonikiirust suurendatakse, suurendades elektronide kolme keha kokkupõrkeid ioonide ja neutraalsete aatomitega, et vähendada elektronide tihedust plasmas. Mida kergemad on neutraalsed aatomid, seda suurem on kokkupõrkesagedus ja suurem rekombinatsioonimäär; teisest küljest ei suurenda ainult kõrge ionisatsioonienergiaga kaitsegaas elektrontihedust gaasi enda ioniseerumise tõttu.
Plasmapilve suurus varieerub sõltuvalt kasutatavast kaitsegaasist, kusjuures heelium on väikseim, lämmastik on teine ja argoon on suurim. Mida suurem on plasma suurus, seda madalam on tungimine. Selle erinevuse põhjuseks on esiteks gaasimolekulide erinev ionisatsiooniaste, aga ka metalliaurude difusiooni erinevus, mis on tingitud kaitsegaasi erinevast tihedusest.
Heelium on kõige vähem ioniseeritud ja kõige väiksema tihedusega gaas ning see eemaldab kiiresti sulametalli vannist tekkivad metalliaurud. Seetõttu võib heeliumi kasutamine kaitsegaasina plasmat suurimal määral alla suruda, suurendades seeläbi läbitungimissügavust ja suurendades keevituskiirust; tänu oma kergele kaalule võib see välja pääseda ja pole kerge tekitada poore. Muidugi, meie tegeliku keevitusefekti põhjal pole argoonikaitse mõju halb.
Plasmapilve mõju läbitungimisele on kõige ilmsem madala keevituskiiruse piirkonnas. Selle mõju väheneb keevituskiiruse kasvades.
Kaitsegaas süstitakse teatud rõhuga läbi düüsi, et jõuda tooriku pinnale. Düüsi hüdrodünaamiline kuju ja väljalaskeava läbimõõt on väga olulised. See peab olema piisavalt suur, et juhtida pihustatud kaitsegaasi, et katta keevituspind, kuid läätse tõhusaks kaitsmiseks ja metalliaurude saastumise või metalli pritsmete läätse kahjustamise vältimiseks tuleks piirata ka düüsi suurust. Samuti tuleks kontrollida voolukiirust, vastasel juhul muutub kaitsegaasi laminaarne vool turbulentseks ja atmosfäär osaleb sulabasseinis, moodustades lõpuks poorid.
Kaitseefekti parandamiseks võib kasutada ka täiendavat külgpuhumismeetodit ehk läbi väiksema läbimõõduga otsiku suunatakse kaitsegaas otse süvaläbivkeevituse väikesesse auku teatud nurga all. Kaitsegaas mitte ainult ei summuta plasmapilve tooriku pinnal, vaid avaldab mõju ka plasma ja väikeste aukude tekkele augus, suurendab veelgi läbitungimissügavust ja saavutab ideaalse sügavuse ja laiuse suhtega keevisõmbluse. . See meetod nõuab aga õhuvoolu suuruse ja suuna täpset kontrolli, vastasel juhul tekib tõenäoliselt turbulentne vool ja see hävitab sulabasseini, muutes keevitusprotsessi raskeks stabiliseerida.
6) Objektiivi fookuskaugus. Fookusmeetodit kasutatakse tavaliselt laseri kondenseerimiseks keevitamise ajal ja üldiselt kasutatakse objektiivi fookuskaugusega 63-254 mm (2,5"-10"). Fookuspunkti suurus on võrdeline fookuskaugusega, mida lühem on fookuskaugus, seda väiksem on koht. Kuid fookuskaugus mõjutab ka fookussügavust, see tähendab, et fookuskaugus suureneb sünkroonselt fookuskaugusega, nii et lühike fookuskaugus võib suurendada võimsustihedust, kuid väikese fookussügavuse tõttu on objektiivi ja tooriku vaheline kaugus. tuleb täpselt hooldada ja läbitungimissügavus ei ole suur. Keevitusprotsessis tekkivate pritsmete ja laserrežiimi mõju tõttu on tegelikul keevitamisel kasutatav lühim fookuskaugus enamasti 126 mm (5"). Kui liitekoht on suur või keevisõmblust on vaja suurendada suurendades punkti suurust, saate valida objektiivi fookuskaugusega 254 mm (10"). Sel juhul on sügava läbitungimise nõelaefekti saavutamiseks vajalik suurem laseri väljundvõimsus (võimsustihedus).
Kui laseri võimsus ületab 2 kW, eriti 10,6 μm CO2 laserkiire puhul, optilise süsteemi moodustamiseks spetsiaalsete optiliste materjalide kasutamise tõttu, et vältida teravustamisläätse optiliste kahjustuste ohtu, kasutatakse sageli peegeldavat teravustamismeetodit. kasutatakse ja reflektorina kasutatakse tavaliselt poleeritud vasest peeglit. Tõhusa jahutuse tõttu soovitatakse seda sageli suure võimsusega laserkiirte teravustamiseks.
7) Fookuse asend. Keevitamisel on fookusasend piisava võimsustiheduse säilitamiseks kriitiline. Muutused fookuspunkti ja tooriku pinna suhtelises asendis mõjutavad otseselt keevisõmbluse laiust ja sügavust. Joonisel 2-6 on näidatud fookuse asendi mõju 1018 terase läbitungimissügavusele ja õmbluse laiusele.
Enamikus laserkeevitusrakendustes asub fookuspunkt tavaliselt umbes 1/4 soovitud läbitungimissügavusest tooriku pinna all.
8) Laserkiire asend. Erinevate materjalide laserkeevitamisel kontrollib laserkiire asend keevisõmbluse lõppkvaliteeti, eriti põkkliidete kui ristliidete puhul. Näiteks kui karastatud terasest hammasratas keevitatakse pehme terastrumli külge, aitab laserkiire asendi õige juhtimine toota valdavalt madala süsinikusisaldusega komponendiga keevisõmblust, mis on suhteliselt vastupidav pragude tekkele. Mõnes rakenduses nõuab keevitatava tooriku geomeetria laserkiire nurga võrra kõrvalekaldumist. Kui läbipaindenurk kiire telje ja ühendustasandi vahel on 100 kraadi piires, ei mõjuta see laserenergia neeldumist tooriku poolt.
9) Laseri võimsuse järkjärguline tõus ja langus keevitamise algus- ja lõpp-punktis. Lasersügavkeevituse ajal on väikesed augud alati olemas, olenemata keevisõmbluse sügavusest. Kui keevitusprotsess on lõpetatud ja toitelüliti välja lülitatud, ilmub keevisõmbluse lõppu süvend. Lisaks, kui laserkeevituskiht katab algse keevisõmbluse, tekib laserkiire liigne neeldumine, mille tulemuseks on keevisõmbluse ülekuumenemine või pooride teke.
Ülaltoodud nähtuse vältimiseks saab toite algus- ja seiskamispunktid programmeerida nii, et toite algus- ja lõppaeg oleks reguleeritav, st algvõimsust suurendatakse elektrooniliselt nullist seatud võimsuse väärtuseni lühikese aja jooksul, ja keevitust saab reguleerida. Aeg ja lõpuks vähendatakse keevitamise lõpetamisel võimsust järk-järgult seatud võimsuselt nullini.
03
Lasersügavkeevituse omadused ning eelised ja puudused
Lasersügavkeevituse omadused
1) Kõrge kuvasuhe. Kui sulametall moodustub kuuma auru silindrilise õõnsuse ümber ja ulatub töödeldava detaili poole, muutub keevisõmblus sügavaks ja kitsaks.
2) Minimaalne soojussisend. Kuna väikese augu temperatuur on väga kõrge, toimub sulamisprotsess ülikiiresti, tooriku soojussisend on väga väike ning termiline deformatsioon ja kuumusest mõjutatud tsoon on väikesed.
3) Suur tihedus. Kuna kõrge temperatuuriga auruga täidetud väikesed poorid soodustavad keevisvanni segamist ja gaasi väljapääsu, mille tulemuseks on poorideta läbitungkeevitus. Kõrge jahutuskiirus pärast keevitamist võib kergesti muuta keevisõmbluse struktuuri peenemaks.
4) Tugevad keevisõmblused. Lõõgastava soojusallika ja mittemetalliliste komponentide piisava neeldumise tõttu väheneb lisandite sisaldus ning muudetakse inklusioonide suurust ja nende jaotumist sulabasseinis. Keevitusprotsess ei vaja elektroode ega täitetraate ning sulamistsoon on vähem saastunud, nii et keevisõmbluse tugevus ja sitkus on vähemalt võrdne või isegi suurem kui põhimetalli oma.
5) Täpne juhtimine. Kuna fokuseeritud valguspunkt on väike, saab keevisõmblust väga täpselt positsioneerida. Laseri väljundil puudub "inerts", seda saab suurel kiirusel peatada ja taaskäivitada ning keerulist toorikut saab keevitada arvjuhtimiskiire liikumise tehnoloogiaga.
6) Mittekontaktne atmosfääri keevitusprotsess. Kuna energia pärineb footonkiirest, puudub töödeldava detailiga füüsiline kontakt, mistõttu toorikule ei rakendata välist jõudu. Lisaks ei mõjuta magnetism ja õhk laservalgusele.
Laser-sügavkeevituse eelised
1) Kuna fokuseeritud laseril on palju suurem võimsustihedus kui tavapärastel meetoditel, on keevituskiirus kiire, kuumusest mõjutatud tsoon ja deformatsioon väikesed ning keevitada saab ka raskesti keevitatavaid materjale, näiteks titaani.
2) Kuna kiirt on lihtne edastada ja juhtida ning põletit ja düüsi pole vaja sageli vahetada ning elektronkiirega keevitamiseks ei ole vaja vaakumit, mis vähendab oluliselt seisaku lisaaega, mistõttu koormustegur ja tootmise efektiivsus on kõrge.
3) Puhastusefekti ja kõrge jahutuskiiruse tõttu on keevisõmbluse tugevus, sitkus ja terviklik jõudlus kõrge.
4) Madala keskmise soojussisendi ja suure töötlemise täpsuse tõttu saab ümbertöötlemiskulusid vähendada; lisaks on laserkeevituse töökulud samuti madalad, mis võib vähendada tooriku töötlemise kulusid.
5) See suudab tõhusalt juhtida valgusvihu intensiivsust ja täpset positsioneerimist ning automaatset toimimist on lihtne teostada.
Laser-sügavkeevituse puudused
1) Keevitussügavus on piiratud.
2) Tooriku montaažinõuded on kõrged.
3) Lasersüsteemi ühekordne investeering on suhteliselt suur
