1.Principlelасер сварки
Лазерная сварка может быть достигнута путем непрерывных или импульсных лазерных лучей. Принцип лазерной сварки можно разделить на теплопроводную сварку и лазерную сварку глубокого проникновения. Когда плотность мощности составляет менее 104 х 105 Вт / см2, это теплопроводной сварки. В это время глубина сварки неглубокая, а скорость сварки медленная. Когда плотность мощности составляет более 105 х 107 Вт / см2, металлическая поверхность утоплена в "полость" под действием тепла, образуя глубокую термоядерную сварку. Быстрый, широкий аспект соотношения.
Принцип теплопроводной лазерной сварки таков: лазерное излучение нагревает поверхность, которая должна быть обработана, а поверхностное тепло рассеивается внутрь путем тепловой проводимости. Контролируя параметры лазера, такие как ширина лазерного импульса, энергия, пиковая мощность и частота повторения, заготовка расплавляется, чтобы сформировать определенный расплавленный бассейн.
Лазерные сварочные машиныдля сварки передач и сварки металлургического листа в основном связаны лазерного глубокого проникновения сварки. Следующие фокусируется на принципе лазерного глубокого проникновения сварки.
Лазерная сварка глубокого проникновения обычно использует непрерывный лазерный луч для завершения соединения материалов. Металлургический физический процесс очень похож на сварку электронных лучей, то есть механизм преобразования энергии завершается через структуру «ключ-дыры». При достаточно высокой плотности мощности лазерного облучения материал испаряется и образует небольшие отверстия. Это заполненное паром отверстие похоже на черное тело, которое поглощает почти всю энергию луча инцидента. Равновесная температура в полости достигает около 2500 градусов по Цельсию. Тепло передается из внешней стенки высокотемо температурной полости, которая тает металл, окружающий полость. Небольшое отверстие заполняется высоко температурным паром, генерируемым непрерывным испарением стенного материала под балкой. Четыре стенки небольшого отверстия окружают расплавленный металл, а жидкий металл окружает твердый материал. (В большинстве обычных сварочных процессов и лазерной сварочных работ энергия сначала (откладывается на поверхности заготовки, а затем передается в интерьер путем передачи). Поток жидкости и натяжение поверхности стены за пределами стенки поры соответствуют давлению пара, непрерывно генерируемому в полости поры, и поддерживают динамическое равновесие. Световой луч непрерывно входит в небольшое отверстие, а материал за пределами небольшого отверстия непрерывно течет. По мере движения светового луча небольшое отверстие всегда находится в устойчивом состоянии потока. То есть, небольшое отверстие и расплавленный металл, окружающий отверстие стены двигаться вперед с вперед скорость ведущего луча. Расплавленный металл заполняет зазор, оставшийся после удаления небольшого отверстия, и конденсируется вместе с ним, и образуется сварной шв. Все это происходит так быстро, что скорость сварки может легко достигать нескольких метров в минуту.
2.Основные параметры процесса лазерной сварки глубокого проникновения
(1)Лазерная сила. Существует порог плотности энергии лазера в лазерной сварке. Ниже этого значения глубина проникновения очень мелкая. Как только он достигнет или превысит это значение, глубина проникновения будет значительно увеличена. Плазма генерируется только тогда, когда плотность мощности лазера на заготовке превышает порог (материал-зависимый), что означает стабильную сварку глубокого проникновения. Если мощность лазера ниже этого порога, происходит только поверхностное таяние заготовки, то есть сварка выполняется в стабильном типе теплопровода. Однако, когда плотность мощности лазера находится вблизи критического состояния для образования небольших отверстий, поочередно выполняются сварка глубокого проникновения и проведение сварочных работ, что становится нестабильным процессом сварки, что приводит к большим колебаниям глубины проникновения. При лазерной глубокой сварке лазерная мощность контролирует как глубину проникновения, так и скорость сварки. Глубина проникновения сварного шва напрямую связана с плотностью мощности луча и является функцией мощности луча инцидента и координационного центра луча. Вообще говоря, для лазерного луча определенного диаметра глубина проникновения увеличивается по мере увеличения мощности луча.
(2)Луч координационного центра. Размер пятна пучка является одной из наиболее важных переменных для лазерной сварки, поскольку он определяет плотность мощности. Но для высокоскоростных лазеров, его измерение является трудной проблемой, хотя Есть уже много косвенных методов измерения.
Размер пятна луча дифракции может быть рассчитан в соответствии с теорией дифракции света, но из-за аберрации фокусировки объектива фактический размер пятна больше расчетного значения. Простейшим методом измерения является изотермальное профилирование, которое измеряет фокусное пятно и диаметр перфорации после сжигания и проникновения на полипропиленовую доску с толстой бумагой. Этот метод заключается в измерении мощности лазера и времени пучка с помощью практики измерения.
(3)Значение поглощения материала. Поглощение лазера материалом зависит от некоторых важных свойств материала, таких как абсорбционность, отражательная способность, теплопроводность, температура плавления, температура испарения и т.д. Наиболее важным из них является абсорбционность.
Факторы, влияющие на скорость поглощения лазерного луча материалом, включают два аспекта: во-первых, резистенционность материала. После измерения поглощения полированной поверхности материала, установлено, что абсорбтность материала пропорциональна квадратному корню резистенности, а резистенность меняется в зависимости от температуры и изменений; во-вторых, состояние поверхности (или гладкость) материала оказывает более важное влияние на скорость поглощения луча, что оказывает значительное влияние на эффект сварки.
Выходная длина волны лазера CO2 обычно составляет 10,6 мкм. Неметаллы, такие как керамика, стекло, резина и пластик имеют высокую скорость поглощения при комнатной температуре, а металлические материалы имеют плохое поглощение при комнатной температуре до тех пор, пока материал не расплавится и даже газ Его поглощение резко возросло.
Очень эффективно улучшить поглощение светового луча методом поверхностного покрытия или формирования оксидной пленки на поверхности.
(4)Скорость сварки. Скорость сварки оказывает большее влияние на глубину проникновения. Увеличение скорости сделает глубину проникновения меньше, но слишком низкая скорость приведет к чрезмерному таянию материала и сварке заготовки. Таким образом, существует подходящий диапазон скорости сварки для определенного материала с определенной лазерной мощностью и определенной толщиной, а максимальную глубину проникновения можно получить при соответствующем значении скорости.
(5)Защитный газ. Процесс лазерной сварки часто использует инертный газ для защиты расплавленного бассейна. Когда некоторые материалы свариваются, окисление поверхности может быть проигнорировано, но защита не считается, но для большинства применений, гелий, аргон, азот и другие газы часто используются для защиты заготовки. Защищен от окисления во время сварки.
Гелий не легко ионизирован (более высокая энергия ионизации), что позволяет лазеру проходить плавно, а энергия луча беспрепятственно достигает поверхности заготовки. Это наиболее эффективный защитный газ, используемый в лазерной сварке, но он дороже.
Аргон дешевле и имеет более высокую плотность, поэтому защитный эффект лучше. Тем не менее, он восприимчив к высокотем температурной ионизации металлической плазмы. В результате, он защищает часть светового луча от излучения на заготовку, уменьшая эффективную лазерную мощность для сварки, и повреждая скорость сварки и проникновение. Поверхности сварных швов, защищенные аргоном, более гладкие, чем защищенные гелием.
Азот является самым дешевым газом в качестве защитного газа, но он не подходит для сварки некоторых видов нержавеющей стали, в основном из-за металлургических проблем, таких как поглощение, а иногда поры создаются в области перекрытия.
Вторая роль использования защитного газа заключается в защите фокусировки объектива от загрязнения паров металла и распыления жидких капель. Особенно во время мощной лазерной сварки, так как выброс становится очень мощным, более необходимо защищать объектив в это время.
Третья функция защитного газа заключается в эффективном рассеивании плазменного щита, генерируемого высокой мощностью лазерной сварки. Металлический пар поглощает лазерный луч и ионизируется в плазменное облако. Защитный газ, окружающий металлический пар, также ионизируется при нагревании. Если плазмы слишком много, лазерный луч потребляется плазмой в некоторой степени. Плазма существует на рабочей поверхности в качестве второй энергии, что делает проникновение более мелким, а поверхность сварочного бассейна шире. Скорость рекомбинации электронов увеличивается за счет увеличения столкновения электронов с ионами и нейтральными атомами, с тем чтобы уменьшить плотность электронов в плазме. Чем легче нейтральный атом, тем выше частота столкновения и выше скорость рекомбинации; с другой стороны, только защитный газ с высокой энергией ионизации не увеличит плотность электронов за счет ионизации самого газа.
Гелий имеет самую низкую ионизацию и самую низкую плотность, и он может быстро удалить поднимающийся металлический пар, генерируемый из расплавленного металлического бассейна. Таким образом, использование гелия в качестве защитного газа может подавлять плазму в максимальной степени, тем самым увеличивая глубину проникновения и скорость сварки; он может бежать из-за его легкий и не легко вызвать поры. Конечно, от эффекта нашей фактической сварки, эффект защиты аргона не плохо.
Влияние плазменного облака на проникновение наиболее очевидно в области низкой скорости сварки. По мере увеличения скорости сварки, ее эффекты уменьшаются.
Защитный газ выбрасывается на поверхность заготовки через сопло с определенным давлением. Очень важна гидродинамическая форма сопла и диаметр розетки. Он должен быть достаточно большим, чтобы управлять распыленным защитным газом, чтобы покрыть поверхность сварки, но для того, чтобы эффективно защитить объектив и предотвратить загрязнение пара металла или брызг металла от повреждения объектива, размер сопла также должен быть ограничен. Скорость потока также должна контролироваться, в противном случае ламинарный поток защитного газа становится турбулентным, атмосфера втягивается в расплавленный бассейн, и в конечном итоге образуются поры.
Для того, чтобы улучшить защитный эффект, можно также использовать дополнительный метод бокового выдувания, то есть защитный газ непосредственно впрыскивается в небольшое отверстие сварки глубокого проникновения через сопло малого диаметра под определенным углом. Защитный газ не только подавляет плазменное облако на поверхности заготовки, но и оказывает влияние на плазму внутри отверстий и образование небольших отверстий, а глубина проникновения еще больше увеличивается, чтобы получить идеальный сварной шв с сравнением глубины до ширины. Тем не менее, этот метод требует точного контроля величины и направления потока газа, в противном случае, турбулентность может произойти и повредить расплавленный бассейн, что делает процесс сварки трудно стабилизировать.
(6)Координационное расстояние объектива. При сварке фокусировка обычно используется для сближения лазера. Как правило, используется объектив с фокусным расстоянием 63 и 254 мм (2,5 "No 10"). Размер координационного центра прямо пропорционален фокусной длине. Чем короче фокусное расстояние, тем меньше координационное место. Тем не менее, фокусное расстояние также влияет на фокусную глубину, то есть фокусная глубина увеличивается синхронно с фокусным расстоянием, поэтому короткое фокусное расстояние может увеличить плотность мощности, но поскольку фокусная глубина мала, расстояние между объективом и заготовки должно быть точно сохранено, а глубина проникновения невелика. Из-за воздействия шпателей и лазерных режимов, генерируемых во время сварки, самая короткая фокусная глубина, используемая в фактической сварке, в основном является фокусным расстоянием 126 мм (5 "). Когда шов большой или необходимо увеличить сварку за счет увеличения размера пятна, Выберите объектив с фокусным расстоянием 254 мм (10 "). В этом случае для достижения эффекта глубоко расплавленной скважины требуется более высокая мощность лазерной мощности (плотность мощности).
Когда мощность лазера превышает 2 кВт, особенно для co2 лазерного луча 10,6 мкм, из-за использования специальных оптических материалов для формирования оптической системы, во избежание риска оптического повреждения фокусировки объектива, метод фокусировки отражения часто используется, и полированные медные зеркала обычно используются в качестве зеркал. Благодаря эффективному охлаждению, он часто рекомендуется для высокой мощности лазерного луча фокусировки.
(7)Позиция фокусировки. Для поддержания достаточной плотности мощности во время сварки, положение фокусировки имеет решающее значение. Изменение относительного положения фокуса и поверхности заготовки напрямую влияет на ширину и глубину сварного шва.
В большинстве приложений лазерной сварки, положение координационного центра, как правило, устанавливается около 1/4 требуемой глубины проникновения ниже поверхности заготовки.
(8)Положение лазерного луча. При лазерной сварке различных материалов, положение лазерного луча контролирует окончательное качество сварки, особенно в случае прикладом суставов, которые являются более чувствительными, чем в случае коленях суставов. Например, когда затвердевшие стальные шестерни привариваются к низкоуглеродным стальным барабанам, правильное управление положением лазерного луча будет полезно для производства сварных швов, в основном состоящих из низкоуглеродных компонентов, которые имеют лучшую устойчивость к трещинам. В некоторых приложениях геометрия сварного заготовки требует, чтобы лазерный луч отклонялся под углом. Когда угол отклонения между оси луча и совместной плоскости находится в пределах 100 градусов, поглощение заготовки лазерной энергии не будет затронуто.
(9)Лазерная мощность в начале и конце сварки контролируется постепенно. В лазерной глубокой сварки, пинхолы всегда существуют независимо от глубины сварки. Когда процесс сварки будет завершен и выключатель питания выключен, ямочки появятся в конце сварки. Кроме того, когда слой лазерной сварки покрывает оригинальный сварочный шов, может произойти чрезмерное поглощение лазерного луча, что приводит к перегреву сварки или генерации пористости.
To предотвратить вышеупомянутое явление от происходящих, программа может быть сделана для стартовых и окончание точек власти, так что время начала и окончания власти может быть скорректирована, то есть, стартовая мощность увеличивается с нуля до установленного значения мощности в течение короткого времени с помощью электронных методов, и сварка регулируется Время , и, наконец, мощность постепенно снижается от установленного питания до нуля, когда сварка прекращается.
3.Лазерные функции сварки глубокого синтеза, преимущества и недостатки
(1)Характеристики лазерной сварки глубокого проникновения
①Высокое соотношение сторон. Поскольку расплавленный металл образуется вокруг цилиндрической высокотемпорной паровой полости и простирается к заготовке, шв сварки становится глубоким и узким.
②Минимальный ввод тепла. Поскольку температура в небольших отверстиях очень высока, процесс плавления происходит очень быстро, тепловой вход в заготовку очень низок, а тепловое искажение и зона, пораженная теплом, невелика.
③Высокая плотность. Потому что небольшие отверстия, заполненные высокотемпорным паром, способствуют перемешиванию сварочного бассейна и выходу газа, что приводит к образованию сварных швов без пор. Высокая скорость охлаждения после сварки позволяет легко миниатюризировать структуру сварки.
④Сильные сварные швы. Из-за источника горячего тепла и достаточного поглощения неметаллических компонентов уменьшается содержание примесей, меняются размер включений и их распределение в расплавленном бассейне. Процесс сварки не требует электродов или проводов наполнителя, а зона плавления менее загрязнена, что делает прочность и прочность сварки по крайней мере эквивалентно или даже больше, чем родительский металл.
⑤Точный контроль. Поскольку фокусное место небольшое, сварка может быть расположена с высокой точностью. Лазерный выход не имеет "инерции" и может быть остановлен и перезапущен на высоких скоростях. Технология перемещения пучка ЧПУ может сваривать сложные заготовки.
⑥Бесконтактный процесс сварки атмосферы. Поскольку энергия исходит от фотона пучка и нет физического контакта с заготовки, никакая внешняя сила не применяется к заготовке. Кроме того, как магнитные, так и воздух не влияют на лазер.
(2)Advantages лазерной глубокой сварки
①Сфокусированные лазеры имеют гораздо более высокую плотность мощности, чем обычные методы, в результате чего быстрее скорости сварки, меньше тепла пострадавших зон и деформации, и сварка трудно сварных материалов, таких как титан.
②Поскольку луч легко передавать и контролировать, нет необходимости часто менять сварочный факел и сопло, и нет вакуума, необходимого для сварки электронных лучей, что значительно сокращает вспомогательное время для остановки, поэтому коэффициент нагрузки и эффективность производства высоки.
③Благодаря эффекту очистки и высокой скорости охлаждения, сварка имеет высокую прочность, прочность и всестороннюю производительность.
④Из-за низкого среднего ввода тепла и высокой точности обработки затраты на переработку могут быть снижены; кроме того, затраты на лазерную сварку также ниже, что может снизить затраты на переработку заготовки.
⑤Он может эффективно контролировать интенсивность пучка и тонкое позиционирование, и это легко реализовать автоматическую работу.
(3)Недостатки лазерной глубокой сварки
①Жглубина elding является лиОграниченное.
②Требования к сборке заготовки высоки.
③Oне-время инвестиций в лазерные системы высока.