Princip laserového svařování
Laserové svařování lze dosáhnout kontinuálním nebo pulzním laserovým paprskem. Princip laserového svařování lze rozdělit na svařování tepelným vedením a laserové svařování hlubokou penetrací. Když je hustota výkonu menší než 104~105 W/cm2, jedná se o svařování vedením tepla. V tomto okamžiku je hloubka průniku malá a rychlost svařování je pomalá; když je hustota výkonu větší než 105~107 W/cm2, je kovový povrch zahřátím zapuštěn do „dutin“, čímž se vytvoří hluboké penetrační svařování, které má vlastnosti rychlé svařovací rychlosti a velkého poměru stran.
Princip tepelně vodivého laserového svařování je: laserové záření ohřívá zpracovávaný povrch a povrchové teplo difunduje dovnitř vedením tepla. Řízením šířky laserového pulsu, energie, špičkového výkonu a opakovací frekvence a dalších parametrů laseru se obrobek roztaví a vytvoří specifickou roztavenou lázeň. .
Laserový svařovací stroj používaný pro svařování ozubených kol a metalurgické svařování tenkých plechů zahrnuje především laserové svařování hlubokou penetrací. Dále se zaměřuje na princip laserového svařování hlubokou penetrací.
Laserové svařování hlubokou penetrací obecně používá kontinuální laserové paprsky k dokončení spojení materiálů a jeho metalurgický fyzikální proces je velmi podobný svařování elektronovým paprskem, to znamená, že mechanismus přeměny energie je dokončen prostřednictvím struktury "klíčové dírky". Při dostatečně vysoké hustotě výkonu laserového záření se materiál odpařuje a tvoří malé póry. Tento malý otvor plný páry je jako černé těleso, pohlcuje téměř veškerou energii dopadajícího paprsku a rovnovážná teplota v dutině dosahuje asi 2500 0C. Teplo se přenáší z vnější stěny vysokoteplotní dutiny k roztavení kovu obklopujícího dutinu. Malý otvor je naplněn vysokoteplotní párou generovanou kontinuálním odpařováním materiálu stěny pod ozařováním paprsku, stěny malého otvoru jsou obklopeny roztaveným kovem a tekutý kov je obklopen pevnými materiály (zatímco v u většiny konvenčních svařovacích procesů a laserového kondukčního svařování se energie nejprve ukládá na povrch obrobku a poté je přenášena do interiéru přenosem). Proudění kapaliny vně stěny póru a povrchové napětí vrstvy stěny udržují dynamickou rovnováhu s kontinuálně vytvářeným tlakem páry v dutině pórů. Paprsek nepřetržitě vstupuje do malého otvoru a materiál mimo malý otvor nepřetržitě proudí. Jak se paprsek pohybuje, malý otvor je vždy ve stabilním stavu toku. To znamená, že malý otvor a roztavený kov obklopující stěnu otvoru se pohybují vpřed s dopřednou rychlostí vedoucího paprsku a roztavený kov vyplní mezeru zanechanou malým otvorem a poté kondenzuje, takže se vytvoří svar. To vše z výše uvedeného procesu probíhá tak rychle, že rychlost svařování může snadno dosáhnout několika metrů za minutu.
02
Hlavní parametry procesu laserového hloubkového penetračního svařování
1) Výkon laseru. Při laserovém svařování existuje prahová hodnota hustoty energie laseru. Pod touto hodnotou je hloubka průniku velmi malá. Jakmile je tato hodnota dosažena nebo překročena, hloubka průniku se výrazně zvýší. Plazma se generuje pouze tehdy, když hustota výkonu laseru na obrobku překročí prahovou hodnotu (v závislosti na materiálu), která označuje postup stabilního svařování s hlubokým průvarem. Pokud je výkon laseru pod touto hranicí, dochází pouze k povrchovému tavení obrobku, tj. svařování probíhá se stabilním vedením tepla. Když se hustota výkonu laseru blíží kritické podmínce pro tvorbu malých děr, provádí se střídavě hluboké penetrační svařování a kondukční svařování, což se stává nestabilním svařovacím procesem, což má za následek velké kolísání hloubky penetrace. Při laserovém svařování s hlubokým průvarem řídí výkon laseru současně hloubku průvaru a rychlost svařování. Průnik svařování přímo souvisí s hustotou výkonu paprsku a je funkcí výkonu dopadajícího paprsku a ohniska paprsku. Obecně platí, že pro laserový paprsek určitého průměru se hloubka průniku zvyšuje se zvyšujícím se výkonem paprsku.
2) Ohnisko paprsku. Velikost bodu paprsku je jednou z nejdůležitějších proměnných při laserovém svařování, protože určuje hustotu výkonu. Ale pro vysoce výkonné lasery je jeho měření obtížným problémem, i když existuje mnoho nepřímých měřicích technik.
Difrakčně omezenou velikost bodu ohniska paprsku lze vypočítat podle teorie difrakce světla, ale kvůli existenci aberace zaostřovací čočky je skutečná velikost bodu větší než vypočítaná hodnota. Nejjednodušší praktickou metodou je metoda izotermického profilování, která měří ohniskovou skvrnu a průměr perforace po zuhelnatění a proražení polypropylenové desky silným papírem. Tato metoda vyžaduje zvládnutí výkonu laseru a doby působení paprsku pomocí praxe měření.
3) Hodnota absorpce materiálu. Absorpce laserového světla materiály závisí na některých důležitých vlastnostech materiálů, jako je pohltivost, odrazivost, tepelná vodivost, teplota tání, teplota vypařování atd., z nichž nejdůležitější je pohltivost.
Faktory, které ovlivňují rychlost absorpce materiálu laserovým paprskem, zahrnují dva aspekty: prvním je měrný odpor materiálu. Po změření rychlosti absorpce leštěného povrchu materiálu bylo zjištěno, že rychlost absorpce materiálu je úměrná druhé odmocnině měrného odporu a měrný odpor se mění s teplotou. Za druhé, povrchový stav (nebo hladkost) materiálu má důležitější vliv na rychlost absorpce paprsku, což má významný vliv na účinek svařování.
Výstupní vlnová délka CO2 laseru je obvykle 10,6 μm. Rychlost absorpce keramiky, skla, gumy, plastů a dalších nekovů je při pokojové teplotě velmi vysoká, zatímco rychlost absorpce kovových materiálů je při pokojové teplotě velmi nízká, dokud se materiál neroztaví nebo dokonce plyny. Jeho absorpce se dramaticky zvyšuje. Je velmi efektivní zlepšit absorpci světelných paprsků materiálem pomocí povrchové úpravy nebo vytvořením povrchového oxidového filmu.
4) Rychlost svařování. Rychlost svařování má velký vliv na hloubku průvaru. Zvýšení rychlosti způsobí, že průnik bude mělký, ale pokud je rychlost příliš nízká, materiál se přetaví a obrobek se provaří. Proto existuje vhodný rozsah rychlosti svařování pro konkrétní materiál s určitým výkonem laseru a určitou tloušťkou a při odpovídající hodnotě rychlosti lze získat maximální hloubku průvaru. Obrázek 10-2 ukazuje vztah mezi rychlostí svařování a hloubkou průvaru oceli 1018.
5) Ochranný plyn. Inertní plyn se často používá k ochraně roztavené lázně v procesu laserového svařování. Když jsou některé materiály svařovány bez ohledu na povrchovou oxidaci, ochrana nemusí být brána v úvahu, ale pro většinu aplikací se jako ochrana často používá helium, argon, dusík a další plyny, aby byl obrobek chráněn před oxidací během pájení.
Helium není snadno ionizovatelné (vyšší ionizační energie), což umožňuje hladký průchod laseru a energie paprsku se bez překážek dostává na povrch obrobku. Jedná se o nejúčinnější ochranný plyn používaný při laserovém svařování, je však dražší.
Argonový plyn je levnější a hustší, takže ochranný účinek je lepší. Je však náchylný na vysokoteplotní ionizaci kovového plazmatu, která chrání část paprsku před dopadem na obrobek, snižuje efektivní výkon laseru pro svařování a také poškozuje rychlost svařování a průvar. Povrch svařence chráněný argonem je hladší než při ochraně heliem.
Dusík je nejlevnější ochranný plyn, ale není vhodný pro svařování některých typů nerezové oceli, zejména kvůli metalurgickým problémům, jako je absorpce, která někdy vytváří poréznost v oblasti překrytí.
Druhou funkcí použití ochranného plynu je ochrana zaostřovací čočky před kontaminací kovovými výpary a rozprašováním kapiček kapaliny. Zejména při vysokovýkonném laserovém svařování, protože vyhazování se stává velmi silným, je v tuto chvíli více nutné chránit čočku.
Třetí funkcí ochranného plynu je, že je velmi účinný při rozptylování plazmového štítu vyrobeného vysokovýkonným laserovým svařováním. Pára kovu pohltí laserový paprsek a ionizuje do plazmového oblaku a ochranný plyn kolem páry kovu je také ionizován vlivem tepla. Pokud je přítomno příliš mnoho plazmatu, laserový paprsek je poněkud spotřebován plazmatem. Plazma existuje na pracovní ploše jako druhá energie, díky čemuž je průnik mělký a povrch svarové lázně se rozšiřuje. Rychlost rekombinace elektronů se zvyšuje zvýšením srážek elektronů tří těles s ionty a neutrálními atomy, aby se snížila hustota elektronů v plazmatu. Čím lehčí jsou neutrální atomy, tím vyšší je frekvence srážek a tím vyšší je rychlost rekombinace; na druhou stranu pouze ochranný plyn s vysokou ionizační energií nezvýší elektronovou hustotu vlivem ionizace samotného plynu.
Velikost plazmového oblaku se liší podle použitého ochranného plynu, přičemž helium je nejmenší, dusík je druhý a argon je největší. Čím větší je velikost plazmy, tím mělčí penetrace. Důvodem tohoto rozdílu je jednak rozdílný stupeň ionizace molekul plynu a také rozdíl v difúzi kovových par způsobený rozdílnými hustotami ochranného plynu.
Helium je nejméně ionizovaný a nejméně hustý plyn a rychle odvádí stoupající kovové páry generované z lázně roztaveného kovu. Proto použití helia jako ochranného plynu může potlačit plazma v největší míře, čímž se zvýší hloubka průniku a zvýší se rychlost svařování; díky své nízké hmotnosti může unikat a není snadné způsobit póry. Samozřejmě z našeho skutečného svařovacího efektu není účinek argonové ochrany špatný.
Vliv plazmového oblaku na penetraci je nejzřetelnější v oblasti nízké rychlosti svařování. Jeho účinek se snižuje se zvyšující se rychlostí svařování.
Ochranný plyn je vstřikován pod určitým tlakem tryskou, aby se dostal na povrch obrobku. Velmi důležitý je hydrodynamický tvar trysky a průměr výstupu. Musí být dostatečně velká, aby poháněla rozstřikovaný ochranný plyn tak, aby pokryl svařovací povrch, ale aby byla čočka účinně chráněna a aby se zabránilo kontaminaci výpary kovu nebo poškození čočky rozstřikováním kovu, měla by být také omezena velikost trysky. Průtok by měl být také řízen, jinak se laminární proudění ochranného plynu stane turbulentním a atmosféra bude zapojena do roztavené lázně a případně vytvoří póry.
Pro zlepšení ochranného účinku lze také použít přídavnou metodu bočního foukání, to znamená, že přes trysku s menším průměrem je ochranný plyn vstřikován přímo do malého otvoru hlubokého penetračního svařování pod určitým úhlem. Ochranný plyn nejen potlačuje plazmový oblak na povrchu obrobku, ale také ovlivňuje tvorbu plazmatu a malých otvorů v otvoru, dále zvyšuje hloubku průniku a získává svar s ideálním poměrem hloubky a šířky. . Tato metoda však vyžaduje přesnou kontrolu velikosti a směru proudění vzduchu, jinak pravděpodobně dojde k turbulentnímu proudění a zničení roztavené lázně, což znesnadní stabilizaci svařovacího procesu.
6) Ohnisková vzdálenost objektivu. Ke kondenzaci laseru během svařování se obvykle používá metoda zaostřování a obecně se používá čočka s ohniskovou vzdáleností 63~254 mm (2,5"~10"). Velikost ohniska je úměrná ohniskové vzdálenosti, čím kratší ohnisková vzdálenost, tím menší bod. Ohnisková vzdálenost však také ovlivňuje hloubku ohniska, to znamená, že hloubka ohniska se zvyšuje synchronně s ohniskovou vzdáleností, takže krátká ohnisková vzdálenost může zvýšit hustotu výkonu, ale kvůli malé hloubce ohniskové vzdálenosti je vzdálenost mezi čočkou a obrobkem musí být přesně udržována a hloubka průniku není velká. Kvůli vlivu rozstřiku a režimu laseru generovaného při svařovacím procesu je nejkratší ohnisková hloubka používaná při skutečném svařování většinou ohnisková vzdálenost 126 mm (5"). Když je spoj velký nebo je potřeba zvětšit svarový šev velikost bodu, můžete Vyberte objektiv s ohniskovou vzdáleností 254 mm (10"). V tomto případě, aby se dosáhlo efektu hlubokého pronikání, je zapotřebí vyšší výstupní výkon laseru (hustota výkonu).
Když výkon laseru překročí 2 kW, zejména u 10,6μm CO2 laserového paprsku, v důsledku použití speciálních optických materiálů k vytvoření optického systému, aby se zabránilo riziku optického poškození zaostřovací čočky, je často metoda reflexní zaostřování a jako reflektor se obecně používá leštěné měděné zrcadlo. Často se doporučuje pro zaostřování vysoce výkonných laserových paprsků kvůli účinnému chlazení.
7) Poloha zaostření. Při svařování je poloha ohniska kritická pro udržení dostatečné hustoty výkonu. Změny vzájemné polohy ohniska a povrchu obrobku přímo ovlivňují šířku a hloubku svaru. Obrázek 2-6 ukazuje vliv polohy zaostření na hloubku průniku a šířku švu oceli 1018.
Ve většině aplikací laserového svařování je ohnisko typicky umístěno přibližně 1/4 požadované hloubky průniku pod povrchem obrobku.
8) Pozice laserového paprsku. Při laserovém svařování různých materiálů poloha laserového paprsku řídí konečnou kvalitu svaru, zejména v případě tupých spojů než přeplátovaných spojů. Například, když je ozubené kolo z tvrzené oceli přivařeno k bubnu z měkké oceli, správná kontrola polohy laserového paprsku pomůže vytvořit svar s převážně nízkouhlíkovou složkou, která je relativně odolná vůči praskání. V některých aplikacích geometrie svařovaného obrobku vyžaduje, aby byl laserový paprsek vychýlen o určitý úhel. Když je úhel vychýlení mezi osou paprsku a rovinou spoje v rozmezí 100 stupňů, nebude absorpce laserové energie obrobkem ovlivněna.
9) Postupné řízení stoupání a klesání výkonu laseru na začátku a konci svařování. Při laserovém svařování hlubokou penetrací vždy existují malé otvory bez ohledu na hloubku svaru. Po ukončení svařovacího procesu a vypnutí hlavního vypínače se na konci svaru objeví důlek. Navíc, když vrstva laserového svařování pokryje původní svarový šev, dojde k nadměrné absorpci laserového paprsku, což má za následek přehřátí svaru nebo tvorbu pórů.
Aby se předešlo výše uvedenému jevu, mohou být body startu a zastavení výkonu naprogramovány tak, aby byl čas spuštění a ukončení výkonu nastavitelný, to znamená, že počáteční výkon se elektronicky zvýší z nuly na nastavenou hodnotu výkonu v krátkém čase, a svařování lze upravit. Čas a nakonec výkon se po ukončení svařování postupně snižuje z nastaveného výkonu na nulu.
03
Vlastnosti a výhody a nevýhody laserového hloubkového penetračního svařování
Vlastnosti laserového svařování hlubokou penetrací
1) Vysoký poměr stran. Jak se roztavený kov tvoří kolem válcové dutiny horké páry a rozšiřuje se směrem k obrobku, svar se stává hlubokým a úzkým.
2) Minimální tepelný příkon. Protože teplota v malém otvoru je velmi vysoká, proces tavení probíhá extrémně rychle, vstup tepla do obrobku je velmi nízký a tepelná deformace a tepelně ovlivněná zóna jsou malé.
3) Vysoká hustota. Protože malé póry vyplněné vysokoteplotní párou přispívají k promíchávání svarové lázně a úniku plynu, což vede k penetračnímu svaru bez pórů. Vysoká rychlost ochlazování po svařování může snadno zjemnit strukturu svaru.
4) Silné svary. V důsledku žhavého zdroje tepla a dostatečné absorpce nekovových složek se snižuje obsah nečistot a mění se velikost vměstků a jejich distribuce v tavné lázni. Proces svařování nevyžaduje elektrody ani přídavné dráty a zóna tavení je méně znečištěná, takže pevnost a houževnatost svaru je alespoň stejná nebo dokonce vyšší než u základního kovu.
5) Přesné ovládání. Protože je zaostřený světelný bod malý, svar může být umístěn s vysokou přesností. Laserový výstup nemá žádnou „setrvačnost“, lze jej zastavit a znovu spustit vysokou rychlostí a složitý obrobek lze svařit technologií numerického řízení pohybu paprsku.
6) Proces bezkontaktního atmosférického svařování. Protože energie pochází z fotonového paprsku, nedochází k fyzickému kontaktu s obrobkem, takže na obrobek nepůsobí žádná vnější síla. Navíc magnetismus a vzduch nemají žádný vliv na laserové světlo.
Výhody laserového hloubkového penetračního svařování
1) Protože fokusovaný laser má mnohem vyšší hustotu výkonu než konvenční metody, rychlost svařování je vysoká, tepelně ovlivněná zóna a deformace jsou malé a lze svařovat i obtížně svařitelné materiály, jako je titan.
2) Protože se paprsek snadno přenáší a ovládá a není třeba často vyměňovat hořák a trysku a pro svařování elektronovým paprskem není potřeba vakuum, což výrazně snižuje pomocnou dobu prostojů, takže faktor zatížení a efektivita výroby je vysoká.
3) Díky čisticímu efektu a vysoké rychlosti chlazení je pevnost svaru, houževnatost a komplexní výkon vysoká.
4) Díky nízkému průměrnému tepelnému příkonu a vysoké přesnosti zpracování lze snížit náklady na přepracování; kromě toho jsou provozní náklady laserového svařování také nízké, což může snížit náklady na zpracování obrobku.
5) Může účinně ovládat intenzitu paprsku a jemné polohování a je snadné realizovat automatický provoz.
Nevýhody laserového hloubkového penetračního svařování
1) Hloubka svařování je omezená.
2) Požadavky na montáž obrobku jsou vysoké.
3) Jednorázová investice laserového systému je poměrně vysoká
