A lézeres hegesztés elve
A lézeres hegesztés történhet folyamatos vagy impulzusos lézersugárral. A lézeres hegesztés elve hővezető hegesztésre és lézeres mélybehatolásos hegesztésre osztható. Ha a teljesítménysűrűség kisebb, mint 104-105 W/cm2, akkor hővezető hegesztésről van szó. Ekkor a behatolási mélység kicsi és a hegesztési sebesség lassú; Ha a teljesítménysűrűség nagyobb, mint 105-107 W/cm2, a fémfelületet melegítéssel "üregekbe" süllyesztik, mély behatolású hegesztést hozva létre, amely a gyors hegesztési sebesség és a nagy oldalarány jellemzőivel rendelkezik.
A hővezető lézeres hegesztés elve: a lézersugárzás felmelegíti a megmunkálandó felületet, és a felületi hő a hővezetésen keresztül befelé diffundál. A lézerimpulzus szélességének, energiájának, csúcsteljesítményének és ismétlési frekvenciájának, valamint egyéb lézerparaméterek szabályozásával a munkadarab megolvasztódik, hogy egy meghatározott olvadékmedencét képezzen. .
A fogaskerék-hegesztéshez és a kohászati vékonylemez-hegesztéshez használt lézeres hegesztőgép főként lézeres mélybehatolásos hegesztést foglal magában. Az alábbiakban a lézeres mélybehatolásos hegesztés elvét mutatjuk be.
A lézeres mélybehatolásos hegesztés általában folyamatos lézersugarat használ az anyagok összekapcsolásának befejezésére, kohászati fizikai folyamata pedig nagyon hasonlít az elektronsugaras hegesztéshez, vagyis az energiaátalakítási mechanizmus a "kulcslyuk" szerkezeten keresztül teljesül. Kellően nagy teljesítménysűrűségű lézeres besugárzás hatására az anyag elpárolog és kis pórusokat képez. Ez a gőzzel teli kis lyuk olyan, mint egy fekete test, elnyeli a beeső sugár szinte teljes energiáját, és az üregben az egyensúlyi hőmérséklet eléri a 2500 0C körüli hőmérsékletet. A hőt a magas hőmérsékletű üreg külső faláról továbbítják, hogy megolvasztsák az üreget körülvevő fémet. A kis lyukat a sugár besugárzása mellett a falanyag folyamatos párolgása során keletkező magas hőmérsékletű gőz tölti ki, a kis lyuk falait fémolvadék, a folyékony fémet szilárd anyagok veszik körül (míg a A legtöbb hagyományos hegesztési eljárás és a lézeres vezetéses hegesztés, az energia először a munkadarab felületén lerakódik, majd átvitel útján a belsejébe kerül). A pórusfalon kívüli folyadékáramlás és a falréteg felületi feszültsége dinamikus egyensúlyt tart fenn a pórusüregben folyamatosan keletkező gőznyomással. A sugár folyamatosan belép a kis lyukba, és a kis lyukon kívüli anyag folyamatosan áramlik. Ahogy a gerenda mozog, a kis lyuk mindig stabil áramlási állapotban van. Vagyis a kis lyuk és a furatfalat körülvevő fémolvadék a vezető gerenda előrehaladási sebességével halad előre, és az olvadt fém kitölti a kis lyuk által hagyott rést, majd lecsapódik, így létrejön a varrat. A fenti folyamatok mindegyike olyan gyorsan megy végbe, hogy a hegesztési sebesség könnyen elérheti a percenkénti több métert is.
02
A lézeres mélybehatolásos hegesztés fő folyamatparaméterei
1) Lézer teljesítmény. A lézeres hegesztésnél van egy küszöbérték a lézerenergia-sűrűségnek. Ez alatt az érték alatt a behatolási mélység nagyon sekély. Ha ezt az értéket eléri vagy túllépi, a behatolási mélység jelentősen megnő. Plazma csak akkor keletkezik, ha a lézer teljesítménysűrűsége a munkadarabon túllép egy küszöbértéket (anyagtól függően), ami a stabil mélybehatoló hegesztés előrehaladását jelzi. Ha a lézerteljesítmény e küszöbérték alatt van, akkor csak a munkadarab felületi olvadása megy végbe, azaz a hegesztés stabil hővezetés mellett megy végbe. Ha a lézerteljesítménysűrűség a kis lyukak kialakulásához szükséges kritikus feltétel közelében van, felváltva végezzük a mélybehatoló hegesztést és a vezetőhegesztést, ami instabil hegesztési folyamattá válik, ami nagy ingadozásokat eredményez a behatolási mélységben. A lézeres mélybehatolásos hegesztés során a lézerteljesítmény egyszerre szabályozza a behatolási mélységet és a hegesztési sebességet. A hegesztési behatolás közvetlenül összefügg a sugár teljesítménysűrűségével, és a beeső sugárteljesítmény és a sugár fókuszpontjának függvénye. Általánosságban elmondható, hogy egy bizonyos átmérőjű lézersugár esetében a behatolási mélység a sugárteljesítmény növekedésével nő.
2) Nyaláb fókuszpontja. A sugárfolt mérete az egyik legfontosabb változó a lézerhegesztésben, mert ez határozza meg a teljesítménysűrűséget. De a nagy teljesítményű lézereknél a mérése nehéz probléma, bár sok közvetett mérési technika létezik.
A nyalábfókusz diffrakció-korlátozott foltmérete a fénydiffrakciós elmélet szerint számítható, de a fókuszáló lencse aberrációjának megléte miatt a tényleges foltméret nagyobb, mint a számított érték. A legegyszerűbb gyakorlati módszer az izoterm profilalkotás, amely a fókuszfoltot és a perforáció átmérőjét méri, miután elszenesedett és vastag papírral áthatolt egy polipropilén lemezen. Ennek a módszernek mérési gyakorlattal kell elsajátítania a lézer teljesítményét és a sugárhatás idejét.
3) Anyag abszorpciós értéke. A lézerfény anyagok általi elnyelése az anyagok néhány fontos tulajdonságától függ, mint például az abszorpció, a visszaverő képesség, a hővezető képesség, az olvadáspont, a párolgási hőmérséklet stb., amelyek közül a legfontosabb az abszorpció.
Az anyag lézersugárral szembeni abszorpciós sebességét befolyásoló tényezők két szempontot foglalnak magukban: az első az anyag ellenállása. Az anyag polírozott felületének abszorpciós sebességének mérése után kiderül, hogy az anyag abszorpciós sebessége arányos az ellenállás négyzetgyökével, és az ellenállás a hőmérséklettel változik. Másodszor, az anyag felületi állapota (vagy simasága) nagyobb mértékben befolyásolja a nyaláb elnyelési sebességét, ami jelentős hatással van a hegesztési hatásra.
A CO2 lézer kimeneti hullámhossza általában 10,6 μm. A kerámiák, üvegek, gumik, műanyagok és egyéb nemfémek felszívódása szobahőmérsékleten nagyon magas, míg a fémanyagok felszívódása nagyon gyenge szobahőmérsékleten, egészen addig, amíg az anyag meg nem olvad, vagy akár elgázosodik. Felszívódása drámaian megnő. Nagyon hatékonyan javítja az anyag fénynyalábok elnyelését felületi bevonattal vagy felületi oxidfilm képzéssel.
4) Hegesztési sebesség. A hegesztési sebesség nagyban befolyásolja a behatolási mélységet. A sebesség növelésével a behatolás sekély lesz, de túl alacsony sebesség esetén az anyag túlolvad, és a munkadarab áthegesztődik. Ezért van egy adott anyaghoz megfelelő hegesztési sebesség tartomány, bizonyos lézerteljesítmény és meghatározott vastagság mellett, és a maximális behatolási mélység a megfelelő sebességérték mellett érhető el. A 10-2 ábra a hegesztési sebesség és az 1018-as acél behatolási mélysége közötti összefüggést mutatja.
5) Védőgáz. A lézeres hegesztési folyamat során gyakran használnak inert gázt az olvadt medence védelmére. Amikor egyes anyagokat a felületi oxidációtól függetlenül hegesztenek, a védelem nem jöhet számításba, de a legtöbb alkalmazásnál gyakran héliumot, argont, nitrogént és más gázokat használnak védelemként a munkadarab elkészítéséhez. Védve a forrasztás során bekövetkező oxidációtól.
A hélium nem könnyen ionizálható (nagyobb ionizációs energia), ami lehetővé teszi a lézer zökkenőmentes áthaladását, és a sugárenergia akadálytalanul eléri a munkadarab felületét. Ez a lézeres hegesztésnél használt leghatékonyabb védőgáz, de drágább.
Az argongáz olcsóbb és sűrűbb, így a védőhatás jobb. Azonban érzékeny a magas hőmérsékletű fémplazma ionizációra, amely megvédi a sugár egy részét a munkadarabhoz való ütközéstől, csökkenti a hegesztéshez szükséges lézer effektív teljesítményét, valamint rontja a hegesztési sebességet és a behatolást. Az argonnal védett varrat felülete simább, mint a héliummal védetté.
A nitrogén a legolcsóbb védőgáz, de egyes rozsdamentes acélfajták hegesztésére nem alkalmas, elsősorban kohászati problémák, például abszorpció miatt, ami esetenként porozitást okoz az átfedő területen.
A védőgáz használatának második funkciója, hogy megvédje a fókuszáló lencsét a fémgőz szennyeződésétől és a folyadékcseppek porlasztásától. Főleg a nagy teljesítményű lézerhegesztésnél, mivel a kilökődés nagyon erős lesz, ilyenkor inkább szükséges a lencse védelme.
A védőgáz harmadik funkciója, hogy nagyon hatékonyan oszlatja el a nagy teljesítményű lézerhegesztéssel előállított plazmaárnyékolást. A fémgőz elnyeli a lézersugarat és plazmafelhővé ionizálódik, valamint a fémgőz körüli védőgáz is ionizálódik a hő hatására. Ha túl sok plazma van jelen, a lézersugarat valamelyest elnyeli a plazma. A plazma a munkafelületen második energiaként van jelen, ami sekélyebbé teszi a behatolást és kiszélesíti a hegesztőmedence felületét. Az elektronok rekombinációs sebességét növeli az elektronok ionokkal és semleges atomokkal való háromtestes ütközésének növelése a plazma elektronsűrűségének csökkentése érdekében. Minél könnyebbek a semleges atomok, annál nagyobb az ütközési gyakoriság és annál nagyobb a rekombinációs ráta; másrészt csak a nagy ionizációs energiájú védőgáz nem növeli az elektronsűrűséget magának a gáznak az ionizációja miatt.
A plazmafelhő mérete a használt védőgáztól függően változik, a hélium a legkisebb, a nitrogén a második, és az argon a legnagyobb. Minél nagyobb a plazma mérete, annál sekélyebb a behatolás. Ennek az eltérésnek az oka egyrészt a gázmolekulák eltérő ionizációs foka, másrészt a fémgőz diffúziójában a védőgáz eltérő sűrűsége által okozott különbség.
A hélium a legkevésbé ionizált és legkevésbé sűrű gáz, és gyorsan elűzi az olvadt fémfürdőből felszálló fémgőzöket. Ezért a hélium védőgázként történő alkalmazása a legnagyobb mértékben elnyomhatja a plazmát, ezáltal növelve a behatolási mélységet és növelve a hegesztési sebességet; könnyű súlya miatt ki tud szökni és nem könnyű pórusokat okozni. Természetesen a tényleges hegesztési hatásunkból az argonvédelem hatása nem rossz.
A plazmafelhő behatolásra gyakorolt hatása a legszembetűnőbb az alacsony hegesztési sebességű területen. Hatása a hegesztési sebesség növekedésével csökken.
A védőgázt bizonyos nyomással a fúvókán keresztül fecskendezik be, hogy elérje a munkadarab felületét. Nagyon fontos a fúvóka hidrodinamikus formája és a kimenet átmérője. Elég nagynak kell lennie ahhoz, hogy a kipermetezett védőgázt a hegesztési felületet befedje, de a lencse hatékony védelme és a fémgőz szennyeződésének vagy a lencse károsodásának elkerülése érdekében a fúvóka méretét is korlátozni kell. Az áramlási sebességet is szabályozni kell, különben a védőgáz lamináris áramlása turbulenssé válik, és az atmoszféra részt vesz az olvadékban, végül pórusokat képezve.
A védőhatás javítása érdekében további oldalfúvási módszer is alkalmazható, azaz egy kisebb átmérőjű fúvókán keresztül a védőgázt közvetlenül a mélybehatoló hegesztés kis furatába fecskendezik be, meghatározott szögben. A védőgáz nemcsak elnyomja a plazmafelhőt a munkadarab felületén, hanem befolyást gyakorol a plazma és a furatban lévő kis lyukak képződésére, tovább növeli a behatolási mélységet, és ideális mélység-szélesség arányú hegesztést eredményez. . Ez a módszer azonban megköveteli a légáramlás méretének és irányának pontos szabályozását, különben valószínűleg turbulens áramlás lép fel, és tönkreteszi az olvadt medencét, így a hegesztési folyamat nehezen stabilizálható.
6) Az objektív gyújtótávolsága. A fókuszálási módszert általában a lézer hegesztés közbeni kondenzálására használják, és általában 63-254 mm (2,5"-10") fókusztávolságú lencsét használnak. A fókuszpont mérete arányos a gyújtótávolsággal, minél rövidebb a fókusztávolság, annál kisebb a folt. De a gyújtótávolság is befolyásolja a fókuszmélységet, vagyis a fókuszmélység szinkronban növekszik a gyújtótávolsággal, így a rövid gyújtótávolság növelheti a teljesítménysűrűséget, de a kis fókuszmélység miatt a lencse és a munkadarab távolsága pontosan karban kell tartani, és a behatolási mélység nem nagy. A hegesztési folyamat során keletkező fröcskölés és lézermód hatása miatt a tényleges hegesztésnél a legrövidebb fókuszmélység többnyire a 126 mm-es (5") gyújtótávolság. Ha a kötés nagy, vagy a hegesztési varrat növelése szükséges. a szpotméretet, akkor Válasszon egy objektívet, amelynek gyújtótávolsága 254 mm (10"). Ebben az esetben a mély behatoló lyukhatás eléréséhez nagyobb lézer kimeneti teljesítmény (teljesítménysűrűség) szükséges.
Ha a lézerteljesítmény meghaladja a 2 kW-ot, különösen a 10,6 μm-es CO2 lézersugár esetében, az optikai rendszer kialakításához speciális optikai anyagok felhasználása miatt, a fókuszáló lencse optikai károsodásának elkerülése érdekében, a reflektív fókuszálási módszer gyakran használt, és általában polírozott réztükröt használnak reflektorként. A hatékony hűtés miatt gyakran ajánlott nagy teljesítményű lézersugarak fókuszálására.
7) Fókuszpozíció. Hegesztéskor a fókusz helyzete kritikus a megfelelő teljesítménysűrűség megőrzése érdekében. A fókuszpont és a munkadarab felületének egymáshoz viszonyított helyzetében bekövetkező változások közvetlenül befolyásolják a varrat szélességét és mélységét. A 2-6. ábra a fókuszpozíció hatását mutatja az 1018-as acél behatolási mélységére és varratszélességére.
A legtöbb lézeres hegesztési alkalmazásban a fókuszpont jellemzően a kívánt behatolási mélység körülbelül 1/4-ében található a munkadarab felülete alatt.
8) A lézersugár helyzete. Különböző anyagok lézeres hegesztése esetén a lézersugár pozíciója szabályozza a hegesztés végső minőségét, különösen a tompakötések, mint az átlapolt kötések esetében. Például, ha egy edzett acél fogaskereket lágyacél dobhoz hegesztenek, a lézersugár helyzetének megfelelő szabályozása elősegíti a túlnyomórészt alacsony széntartalmú komponensű hegesztést, amely viszonylag ellenáll a repedésnek. Egyes alkalmazásokban a hegesztendő munkadarab geometriája megköveteli, hogy a lézersugarat egy szöggel eltérítsék. Ha a nyaláb tengelye és az illesztési sík közötti elhajlási szög 100 fokon belül van, a lézerenergia munkadarab általi elnyelését nem befolyásolja.
9) A lézerteljesítmény fokozatos emelkedése és süllyesztése a hegesztés kezdeti és végpontjában. A lézeres mélybehatolásos hegesztés során a varrat mélységétől függetlenül mindig vannak kis lyukak. A hegesztési folyamat befejezésekor és a főkapcsoló kikapcsolásakor egy gödör jelenik meg a varrat végén. Ezen túlmenően, amikor a lézerhegesztő réteg lefedi az eredeti hegesztési varratot, a lézersugár túlzott elnyelése következik be, ami a hegesztés túlmelegedését vagy pórusok képződését eredményezi.
A fenti jelenség elkerülése érdekében a teljesítmény indítási és leállítási pontjait úgy lehet programozni, hogy a teljesítmény kezdési és befejezési időpontja állítható legyen, azaz a kezdeti teljesítményt elektronikusan nulláról rövid időn belül a beállított teljesítményértékre növeljük, és a hegesztés állítható. Az idő és végül a teljesítmény a beállított teljesítményről fokozatosan nullára csökken a hegesztés befejezésekor.
03
A lézeres mélybehatolásos hegesztés jellemzői és előnyei és hátrányai
A lézeres mélybehatolásos hegesztés jellemzői
1) Magas képarány. Ahogy az olvadt fém a forró gőz hengeres ürege körül képződik, és a munkadarab felé nyúlik, a hegesztési varrat mély és keskeny lesz.
2) Minimális hőbevitel. Mivel a kis lyukban nagyon magas a hőmérséklet, az olvadási folyamat rendkívül gyorsan megy végbe, a munkadarab hőbevitele nagyon alacsony, a termikus deformáció és a hőhatás zóna kicsi.
3) Nagy sűrűség. Mivel a magas hőmérsékletű gőzzel feltöltött kis pórusok elősegítik a hegesztőmedence felkavarását és a gáz kijutását, így pórusmentes áthatoló varrat keletkezik. A hegesztés utáni nagy hűtési sebesség könnyen finomabbá teheti a hegesztési varrat szerkezetét.
4) Erős varratok. A lángoló hőforrás és a nem fémes komponensek megfelelő felszívódása miatt csökken a szennyeződések tartalma, megváltozik a zárványok mérete és eloszlása az olvadékmedencében. A hegesztési eljáráshoz nincs szükség elektródákra vagy töltőhuzalokra, és az olvadási zóna kevésbé szennyezett, így a hegesztési varrat szilárdsága és szívóssága legalább egyenlő vagy még nagyobb, mint az alapfémé.
5) Pontos vezérlés. Mivel a fókuszált fénypont kicsi, a hegesztési varrat nagy pontossággal pozícionálható. A lézerkimenetnek nincs "tehetetlensége", nagy sebességgel leállítható és újraindítható, a numerikus vezérlésű sugármozgatás technológiával az összetett munkadarab hegeszthető.
6) Érintésmentes légköri hegesztési eljárás. Mivel az energia a fotonsugárból származik, nincs fizikai érintkezés a munkadarabbal, így a munkadarabra nem hat külső erő. Ezenkívül a mágnesesség és a levegő nincs hatással a lézerfényre.
A lézeres mélybehatolásos hegesztés előnyei
1) Mivel a fókuszált lézer teljesítménysűrűsége sokkal nagyobb, mint a hagyományos módszerek, a hegesztési sebesség gyors, a hőhatás zóna és a deformáció kicsi, és nehezen hegeszthető anyagok, például titán is hegeszthető.
2) Mivel a sugár könnyen továbbítható és vezérelhető, és nem kell gyakran cserélni a fáklyát és a fúvókát, valamint nincs szükség vákuumra az elektronsugaras hegesztéshez, ami jelentősen csökkenti a leállási segédidőt, így a terhelési tényező ill. termelési hatékonysága magas.
3) A tisztító hatás és a magas hűtési sebesség miatt a hegesztési szilárdság, szívósság és átfogó teljesítmény magas.
4) Az alacsony átlagos hőbevitel és a nagy feldolgozási pontosság miatt az újrafeldolgozási költségek csökkenthetők; emellett a lézeres hegesztés működési költsége is alacsony, ami csökkentheti a munkadarab feldolgozási költségeit.
5) Hatékonyan szabályozhatja a sugár intenzitását és a finom pozicionálást, és könnyen megvalósítható az automatikus működés.
A lézeres mélybehatolásos hegesztés hátrányai
1) A hegesztési mélység korlátozott.
2) A munkadarab összeszerelési követelményei magasak.
3) A lézerrendszer egyszeri beruházása viszonylag magas
