Laserhitsauksen periaate
Laserhitsaus voidaan suorittaa jatkuvilla tai pulssilaserisäteillä. Laserhitsauksen periaate voidaan jakaa lämmönjohtavaan hitsaukseen ja lasersyväläpihitsaukseen. Kun tehotiheys on alle 104-105 W/cm2, kyseessä on lämmönjohtava hitsaus. Tällä hetkellä tunkeutumissyvyys on matala ja hitsausnopeus hidas; kun tehotiheys on suurempi kuin 105 ~ 107 W/cm2, metallipinta upotetaan "onteloihin" kuumentamalla, jolloin muodostuu syvä tunkeumahitsaus, jolla on nopea hitsausnopeus ja suuri kuvasuhde.
Lämmönjohtavuuslaserhitsauksen periaate on: lasersäteily lämmittää käsiteltävän pinnan ja pintalämpö leviää sisälle lämmön johtumisen kautta. Ohjamalla laserpulssin leveyttä, energiaa, huipputehoa ja toistotaajuutta sekä muita laserparametreja työkappale sulatetaan tietyn sulan muodostamiseksi. .
Hammaspyörähitsaukseen ja metallurgiseen ohutlevyhitsaukseen käytettävä laserhitsauskone käsittää pääasiassa lasersyväläpihitsauksen. Seuraavassa keskitytään lasersyväläpihitsauksen periaatteeseen.
Laserin syväläpäisyhitsaus käyttää yleensä jatkuvia lasersäteitä materiaalien liittämisen viimeistelyyn, ja sen metallurginen fysikaalinen prosessi on hyvin samanlainen kuin elektronisuihkuhitsaus, eli energian muuntomekanismi valmistuu "avaimenreikä"-rakenteen kautta. Riittävän korkean tehotiheyden lasersäteilytyksessä materiaali haihtuu ja muodostaa pieniä huokosia. Tämä pieni reikä täynnä höyryä on kuin musta kappale, joka imee lähes kaiken tulevan säteen energian, ja onkalon tasapainolämpötila saavuttaa noin 2500 0C. Lämpö siirtyy korkean lämpötilan ontelon ulkoseinästä sulattamaan onteloa ympäröivää metallia. Pieni reikä on täytetty korkean lämpötilan höyryllä, joka syntyy seinämateriaalin jatkuvasta haihduttamisesta säteen säteilytyksen alaisena, pienen reiän seinät ovat sulan metallin ympäröimiä ja nestemäistä metallia ympäröivät kiinteät materiaalit. useimmat tavanomaiset hitsausprosessit ja laserjohdehitsaus, energia ensin kerrostetaan työkappaleen pinnalle ja siirretään sitten sisäpuolelle siirtämällä). Huokosen seinämän ulkopuolella oleva nestevirtaus ja seinäkerroksen pintajännitys ylläpitävät dynaamista tasapainoa huokosontelossa jatkuvasti syntyvän höyrynpaineen kanssa. Säde tulee jatkuvasti pieneen reikään ja materiaali pienen reiän ulkopuolella virtaa jatkuvasti. Palkin liikkuessa pieni reikä on aina vakaassa virtaustilassa. Toisin sanoen pieni reikä ja reiän seinämää ympäröivä sula metalli liikkuvat eteenpäin etupalkin eteenpäinnopeudella ja sula metalli täyttää pienen reiän jättämän raon ja tiivistyy, jolloin muodostuu hitsi. Kaikki tämä yllä oleva prosessi tapahtuu niin nopeasti, että hitsausnopeudet voivat helposti saavuttaa useita metrejä minuutissa.
02
Laser-syväläpihitsauksen pääprosessiparametrit
1) Laserteho. Laserhitsauksessa on laserenergian tiheyden kynnysarvo. Tämän arvon alapuolella tunkeutumissyvyys on hyvin matala. Kun tämä arvo saavutetaan tai ylittyy, tunkeutumissyvyys kasvaa huomattavasti. Plasmaa syntyy vain, kun laserin tehotiheys työkappaleessa ylittää kynnysarvon (riippuen materiaalista), mikä merkitsee vakaan syvähitsauksen etenemistä. Jos laserteho on tämän kynnyksen alapuolella, tapahtuu vain työkappaleen pintasulamista, eli hitsaus tapahtuu vakaalla lämmönjohtavuudella. Kun laserin tehotiheys on lähellä pienten reikien muodostumisen kriittistä tilaa, tehdään vuorotellen syväläpihitsausta ja johtamishitsausta, mikä muuttuu epävakaaksi hitsausprosessiksi, mikä johtaa suuriin vaihteluihin tunkeutumissyvyydessä. Laserin syväläpihitsauksen aikana laserteho säätelee tunkeutumissyvyyttä ja hitsausnopeutta samanaikaisesti. Hitsauksen tunkeutuminen liittyy suoraan säteen tehotiheyteen ja on tulevan säteen tehon ja säteen polttopisteen funktio. Yleisesti ottaen tietyn halkaisijan omaavan lasersäteen tunkeutumissyvyys kasvaa säteen tehon kasvaessa.
2) Säteen polttopiste. Säteen pistekoko on yksi tärkeimmistä laserhitsauksen muuttujista, koska se määrää tehotiheyden. Mutta suuritehoisille lasereille sen mittaus on vaikea ongelma, vaikka epäsuoria mittaustekniikoita on monia.
Säteen tarkennuksen diffraktiorajoitettu pistekoko voidaan laskea valodiffraktioteorian mukaan, mutta tarkennuslinssin aberraation olemassaolon vuoksi todellinen pistekoko on suurempi kuin laskettu arvo. Yksinkertaisin käytännön menetelmä on isoterminen profilointimenetelmä, joka mittaa polttopisteen ja rei'ityksen halkaisijan hiiltymisen ja polypropeenilevyn läpitunkemisen jälkeen paksulla paperilla. Tämän menetelmän on hallittava laserin teho ja säteen toiminta-aika mittauskäytännön avulla.
3) Materiaalin absorptioarvo. Laservalon absorptio materiaaliin riippuu joistakin tärkeistä materiaalien ominaisuuksista, kuten absorptiokyky, heijastavuus, lämmönjohtavuus, sulamislämpötila, haihtumislämpötila jne., joista tärkein on absorptiokyky.
Tekijät, jotka vaikuttavat materiaalin absorptionopeuteen lasersäteeseen, sisältävät kaksi näkökohtaa: ensimmäinen on materiaalin ominaisvastus. Materiaalin kiillotetun pinnan absorptionopeuden mittaamisen jälkeen havaitaan, että materiaalin absorptionopeus on verrannollinen resistiivisyyden neliöjuureen ja resistiivisyys vaihtelee lämpötilan mukaan. Toiseksi materiaalin pinnan tilalla (tai sileydellä) on suurempi vaikutus säteen absorptionopeuteen, millä on merkittävä vaikutus hitsausvaikutukseen.
CO2-laserin lähtöaallonpituus on yleensä 10,6 μm. Keramiikan, lasin, kumin, muovin ja muiden ei-metallien absorptionopeus on erittäin korkea huoneenlämmössä, kun taas metallimateriaalien absorptionopeus on huoneenlämmössä erittäin huono, kunnes materiaali sulaa tai jopa kaasua. Sen absorptio kasvaa dramaattisesti. On erittäin tehokasta parantaa materiaalin valonsäteiden absorptiota käyttämällä pintapinnoitusta tai pintaoksidikalvon muodostusta.
4) Hitsausnopeus. Hitsausnopeudella on suuri vaikutus tunkeutumissyvyyteen. Nopeuden lisääminen tekee tunkeutumisesta matalaa, mutta jos nopeus on liian alhainen, materiaali ylisulaa ja työkappale hitsautuu läpi. Siksi tietylle materiaalille, jolla on tietty laserteho ja tietty paksuus, on sopiva hitsausnopeusalue, ja suurin tunkeutumissyvyys voidaan saada vastaavalla nopeusarvolla. Kuvassa 10-2 näkyy hitsausnopeuden ja 1018-teräksen tunkeutumissyvyyden välinen suhde.
5) Suojakaasu. Inerttiä kaasua käytetään usein suojaamaan sulaa altaan laserhitsausprosessissa. Kun joitain materiaaleja hitsataan pinnan hapettumisesta riippumatta, suojausta ei ehkä harkita, mutta useimmissa sovelluksissa heliumia, argonia, typpeä ja muita kaasuja käytetään usein suojana työkappaleen valmistuksessa. Suojattu hapettumiselta juottamisen aikana.
Helium ei ionisoidu helposti (korkeampi ionisaatioenergia), minkä ansiosta laser kulkee sujuvasti läpi ja säteen energia saavuttaa esteettä työkappaleen pinnan. Tämä on tehokkain laserhitsauksessa käytetty suojakaasu, mutta se on kalliimpaa.
Argonkaasu on halvempaa ja tiheämpää, joten suojavaikutus on parempi. Se on kuitenkin herkkä korkean lämpötilan metalliplasma-ionisaatiolle, joka suojaa osan sädystä osumasta työkappaleeseen, vähentää tehollista lasertehoa hitsauksessa ja vahingoittaa myös hitsausnopeutta ja tunkeutumista. Argonilla suojatun hitsin pinta on sileämpi kuin heliumilla suojattu.
Typpi on halvin suojakaasu, mutta se ei sovellu joidenkin ruostumattomien terästen hitsaukseen, mikä johtuu pääasiassa metallurgisista ongelmista, kuten absorptiosta, joka aiheuttaa joskus huokoisuutta limittäiselle alueelle.
Suojakaasun käytön toinen tehtävä on suojata tarkennuslinssiä metallihöyrykontaminaatiolta ja nestepisaroiden roiskumiselta. Erityisesti suuritehoisessa laserhitsauksessa, koska ulostyöntö tulee erittäin voimakkaaksi, linssin suojaaminen on tällä hetkellä tarpeellisempaa.
Suojakaasun kolmas tehtävä on, että se hajottaa erittäin tehokkaasti suuren tehon laserhitsauksen tuottaman plasmasuojan. Metallihöyry imee lasersäteen ja ionisoituu plasmapilveksi, ja myös metallihöyryn ympärillä oleva suojakaasu ionisoituu lämmön vaikutuksesta. Jos plasmaa on liikaa, plasma kuluttaa jonkin verran lasersädettä. Plasma esiintyy työpinnalla toisena energiana, mikä tekee tunkeutumisen matalaksi ja hitsisulan pinnan levenevän. Elektronien rekombinaationopeutta lisätään lisäämällä elektronien kolmen kappaleen törmäyksiä ionien ja neutraalien atomien kanssa plasman elektronitiheyden vähentämiseksi. Mitä kevyempiä neutraalit atomit ovat, sitä suurempi on törmäystaajuus ja sitä suurempi rekombinaationopeus; toisaalta vain suojakaasu, jolla on korkea ionisaatioenergia, ei lisää elektronitiheyttä itse kaasun ionisoitumisesta johtuen.
Plasmapilven koko vaihtelee käytetyn suojakaasun mukaan, helium on pienin, typpi toiseksi suurin ja argon suurin. Mitä suurempi plasmakoko, sitä matalampi tunkeutuminen. Syy tähän eroon johtuu ensinnäkin kaasumolekyylien erilaisesta ionisaatioasteesta ja myös suojakaasun eri tiheydistä johtuvasta erosta metallihöyryn diffuusiossa.
Helium on vähiten ionisoitunut ja vähiten tiheä kaasu, ja se ajaa nopeasti pois sulasta metallikylvystä syntyneet metallihöyryt. Siksi heliumin käyttö suojakaasuna voi tukahduttaa plasman suurimmassa määrin, mikä lisää tunkeutumissyvyyttä ja lisää hitsausnopeutta; Kevyen painonsa vuoksi se voi karkaa, eikä siitä ole helppo muodostaa huokosia. Varsinaisen hitsausvaikutuksen perusteella argonsuojan vaikutus ei tietenkään ole huono.
Plasmapilven vaikutus tunkeutumiseen on selkein alhaisen hitsausnopeuden alueella. Sen vaikutus heikkenee hitsausnopeuden kasvaessa.
Suojakaasu ruiskutetaan tietyllä paineella suuttimen läpi, jotta se saavuttaa työkappaleen pinnan. Suuttimen hydrodynaaminen muoto ja ulostulon halkaisija ovat erittäin tärkeitä. Sen on oltava riittävän suuri ohjaamaan ruiskutetun suojakaasun peittämään hitsauspinnan, mutta linssin tehokkaan suojaamiseksi ja metallihöyryjen estämiseksi kontaminaatiolta tai metalliroiskeilta vahingoittamasta linssiä, myös suuttimen kokoa tulisi rajoittaa. Virtausnopeutta on myös säädettävä, muuten suojakaasun laminaarivirtaus muuttuu pyörteiseksi ja ilmakehä on mukana sulassa altaassa muodostaen lopulta huokosia.
Suojavaikutuksen parantamiseksi voidaan käyttää myös lisäpuhallusmenetelmää, eli halkaisijaltaan pienemmän suuttimen kautta suojakaasu ruiskutetaan suoraan syväläpihitsauksen pieneen reikään tietyssä kulmassa. Suojakaasu ei ainoastaan tukahduta plasmapilviä työkappaleen pinnalla, vaan se vaikuttaa myös plasman muodostumiseen ja pieniin reikiin reiässä, lisää edelleen tunkeutumissyvyyttä ja saa aikaan hitsin, jolla on ihanteellinen syvyys-leveyssuhde. . Tämä menetelmä edellyttää kuitenkin ilmavirran koon ja suunnan tarkkaa säätöä, muuten pyörteinen virtaus todennäköisesti tapahtuu ja tuhoaa sulan altaan, mikä tekee hitsausprosessista vaikeasti stabiloitavan.
6) Objektiivin polttoväli. Tarkennusmenetelmää käytetään yleensä laserin kondensoimiseen hitsauksen aikana, ja yleensä käytetään linssiä, jonka polttoväli on 63-254 mm (2,5"-10"). Tarkennuspisteen koko on verrannollinen polttoväliin, mitä lyhyempi polttoväli, sitä pienempi piste. Mutta polttoväli vaikuttaa myös polttosyvyyteen, eli polttosyvyys kasvaa synkronisesti polttovälin kanssa, joten lyhyt polttoväli voi lisätä tehotiheyttä, mutta pienen polttosyvyyden vuoksi linssin ja työkappaleen välinen etäisyys on säilytettävä tarkasti, eikä tunkeutumissyvyys ole suuri. Hitsausprosessissa syntyvän roiskeen ja lasertilan vaikutuksesta lyhin varsinaisessa hitsauksessa käytetty polttoväli on enimmäkseen 126 mm (5"). Kun liitos on suuri tai hitsisaumaa on lisättävä lisäämällä pistekoon, voit valita objektiivin, jonka polttoväli on 254 mm (10"). Tässä tapauksessa syvän tunkeutumisen neulanreikävaikutuksen saavuttamiseksi tarvitaan suurempi laserlähtöteho (tehotiheys).
Kun laserteho ylittää 2 kW, erityisesti 10,6 μm CO2-lasersäteellä, koska optisen järjestelmän muodostamiseen käytetään erityisiä optisia materiaaleja, jotta vältetään tarkennuslinssin optisten vaurioiden riski, heijastava tarkennusmenetelmä on usein käytetään, ja heijastimena käytetään yleensä kiillotettua kuparipeiliä. Sitä suositellaan usein tehokkaiden lasersäteiden tarkentamiseen tehokkaan jäähdytyksen ansiosta.
7) Tarkennusasento. Hitsauksessa tarkennusasento on kriittinen riittävän tehotiheyden ylläpitämiseksi. Muutokset polttopisteen ja työkappaleen pinnan suhteellisessa asennossa vaikuttavat suoraan hitsin leveyteen ja syvyyteen. Kuvassa 2-6 näkyy tarkennusasennon vaikutus 1018-teräksen tunkeutumissyvyyteen ja sauman leveyteen.
Useimmissa laserhitsaussovelluksissa polttopiste sijaitsee tyypillisesti noin 1/4 halutusta tunkeutumissyvyydestä työkappaleen pinnan alapuolella.
8) Lasersäteen asento. Erilaisia materiaaleja laserhitsattaessa lasersäteen asento ohjaa hitsin lopullista laatua, erityisesti päittäisliitoksissa kuin lamelliliitoksissa. Esimerkiksi kun karkaistu teräshammaspyörä hitsataan pehmeään teräsrumpuun, lasersäteen asennon oikea hallinta auttaa tuottamaan hitsin, jossa on pääasiassa vähähiilinen komponentti ja joka kestää suhteellisen halkeilua. Joissakin sovelluksissa hitsattavan työkappaleen geometria edellyttää lasersäteen taivuttamista kulman verran. Kun säteen akselin ja liitostason välinen poikkeutuskulma on 100 astetta, työkappaleen laserenergian absorptio ei vaikuta.
9) Lasertehon asteittainen nousu- ja laskusäätö hitsauksen alku- ja loppupisteissä. Laserin syväläpihitsauksen aikana pieniä reikiä syntyy aina hitsin syvyydestä riippumatta. Kun hitsausprosessi lopetetaan ja virta katkaistaan, hitsin päähän tulee kuoppa. Lisäksi, kun laserhitsauskerros peittää alkuperäisen hitsisauman, tapahtuu lasersäteen liiallinen absorptio, mikä johtaa hitsauksen ylikuumenemiseen tai huokosten muodostumiseen.
Yllä olevan ilmiön estämiseksi tehon aloitus- ja pysäytyspisteet voidaan ohjelmoida niin, että tehon aloitus- ja lopetusaika on säädettävissä, eli alkutehoa nostetaan sähköisesti nollasta asetettuun tehoarvoon lyhyessä ajassa, ja hitsaus on säädettävissä. Aika ja lopuksi teho pienennetään asteittain asetetusta tehosta nollaan, kun hitsaus lopetetaan.
03
Laser-syväläpihitsauksen ominaisuudet ja edut ja haitat
Laserin syväläpihitsauksen ominaisuudet
1) Korkea kuvasuhde. Kun sula metalli muodostuu kuuman höyryn sylinterimäisen ontelon ympärille ja ulottuu työkappaletta kohti, hitsausaineesta tulee syvä ja kapea.
2) Pienin lämmöntuotto. Koska lämpötila pienessä reiässä on erittäin korkea, sulamisprosessi tapahtuu erittäin nopeasti, lämmön syöttö työkappaleeseen on erittäin alhainen ja lämpömuodonmuutos ja lämmön vaikutusalue ovat pieniä.
3) Suuri tiheys. Koska pienet korkean lämpötilan höyryllä täytetyt huokoset edistävät hitsisulan sekoittumista ja kaasun karkaamista, jolloin syntyy huokoseton tunkeutuva hitsi. Suuri jäähdytysnopeus hitsauksen jälkeen voi helposti tehdä hitsausrakenteesta hienompaa.
4) Vahvat hitsit. Paahtavan lämmönlähteen ja ei-metallisten komponenttien riittävän imeytymisen vuoksi epäpuhtauspitoisuus vähenee ja sulkeumien koko ja jakautuminen sulassa altaassa muuttuvat. Hitsausprosessissa ei tarvita elektrodeja tai täytelankoja, ja sulamisvyöhyke on vähemmän saastunut, joten hitsin lujuus ja sitkeys ovat vähintään yhtä suuret tai jopa korkeammat kuin perusmetallin.
5) Tarkka ohjaus. Koska kohdistettu valopiste on pieni, hitsisauma voidaan sijoittaa erittäin tarkasti. Laserlähdössä ei ole "inertiaa", se voidaan pysäyttää ja käynnistää uudelleen suurella nopeudella ja monimutkainen työkappale voidaan hitsata numeerisen ohjaussäteen liiketekniikalla.
6) Kosketukseton ilmakehän hitsausprosessi. Koska energia tulee fotonisäteestä, työkappaleeseen ei ole fyysistä kosketusta, joten työkappaleeseen ei kohdistu ulkoista voimaa. Lisäksi magnetismi ja ilma eivät vaikuta laservaloon.
Laserhitsauksen edut
1) Koska fokusoidulla laserilla on paljon suurempi tehotiheys kuin perinteisillä menetelmillä, hitsausnopeus on nopea, lämpövaikutusalue ja muodonmuutos ovat pieniä, ja myös vaikeasti hitsattavia materiaaleja, kuten titaania, voidaan hitsata.
2) Koska säde on helppo siirtää ja ohjata, eikä poltinta ja suutinta tarvitse vaihtaa usein, eikä elektronisuihkuhitsaukseen vaadita tyhjiötä, mikä vähentää merkittävästi seisonta-ajan ylimääräistä aikaa, joten kuormituskerroin ja tuotannon tehokkuus on korkea.
3) Puhdistusvaikutuksen ja korkean jäähdytysnopeuden ansiosta hitsin lujuus, sitkeys ja kattava suorituskyky ovat korkeat.
4) Alhaisen keskimääräisen lämmönsyötön ja korkean käsittelytarkkuuden ansiosta jälleenkäsittelykustannuksia voidaan vähentää; Lisäksi laserhitsauksen käyttökustannukset ovat myös alhaiset, mikä voi vähentää työkappaleen käsittelykustannuksia.
5) Se voi tehokkaasti ohjata säteen voimakkuutta ja hienoa sijoittelua, ja automaattinen toiminta on helppo toteuttaa.
Laser-syväläpihitsauksen haitat
1) Hitsaussyvyys on rajoitettu.
2) Työkappaleen asennusvaatimukset ovat korkeat.
3) Laserjärjestelmän kertainvestointi on suhteellisen korkea
