1.Principledin lsudare aser
Sudarea cu laser poate fi realizată prin fascicule laser continue sau pulsate. Principiul sudării cu laser poate fi împărțit în sudare cu conducție termică și sudare cu laser cu penetrare profundă. În cazul în care densitatea de putere este mai mică de 104 ~ 105W / cm2, este de sudare conducție termică. În acest moment, adâncimea de sudare este superficială și viteza de sudare este lentă. În cazul în care densitatea de putere este mai mare de 105 ~ 107W / cm2, suprafața metalică este încastrată într-o "cavitate" sub acțiunea căldurii, formând o sudură de fuziune profundă. Raport de aspect rapid și larg.
Principiul sudării cu laser cu conducție termică este: radiația laser încălzește suprafața care urmează să fie prelucrată, iar căldura suprafeței este difuză în interior prin conducție termică. Prin controlul parametrilor laser, ar fi lățimea pulsului laser, energie, putere de vârf, și frecvența de repetare, piesa de prelucrat este topit pentru a forma un bazin topit specifice.
Mașini de sudură cu laserpentru sudarea uneltelor și sudarea foilor metalurgice implică în principal sudarea cu laser cu penetrare profundă. Următoarele se concentrează pe principiul de sudare cu laser penetrare profundă.
Sudare a penetrării profunde cu laser utilizează, în general, un fascicul laser continuu pentru a finaliza conexiunea materialelor. Procesul fizic metalurgic este foarte similar cu sudarea cu fascicul de electroni, adică mecanismul de conversie a energiei este finalizat printr-o structură "cheie-gaură". Sub o densitate de putere suficient de mare iradiere cu laser, materialul se evaporă și formează găuri mici. Această gaură umplută cu abur este ca un corp negru, care absoarbe aproape toată energia fasciculului incident. Temperatura de echilibru în cavitatea ajunge la aproximativ 2500 ° C. Căldura este transferată din peretele exterior al cavității de înaltă temperatură, care se topește metalul din jurul cavității. Gaura mică este umplută cu abur de înaltă temperatură generat de evaporarea continuă a materialului de perete sub grindă. Cei patru pereți ai găurii mici înconjoară metalul topit, iar metalul lichid înconjoară materialul solid. (În cele mai multe procese convenționale de sudură și sudare cu laser conducție, energia este mai întâi (Depus pe suprafața piesei de prelucrat, și apoi transferate la interior prin transfer). Debitul lichidului și tensiunea superficială a peretelui în afara peretelui porilor sunt în concordanță cu presiunea aburului generată continuu în cavitatea porilor și mențin echilibrul dinamic. Fasciculul de lumină intră continuu în gaura mică, iar materialul din afara găurii mici curge continuu. Pe măsură ce fasciculul de lumină se mișcă, gaura mică este întotdeauna într-o stare constantă de curgere. Adică, gaura mică și metalul topit din jurul peretelui găurii merg înainte cu viteza înainte a fasciculului principal. Metalul topit umple golul rămas după ce gaura mică este îndepărtată și se condensează cu ea, și se formează o sudură. Toate acestea se întâmplă atât de repede încât viteza de sudare poate ajunge cu ușurință la câțiva metri pe minut.
2.Principalii parametri de proces de sudare cu laser penetrare profundă
(1)Putere laser. Există un prag de densitate a energiei laser în sudare cu laser. Sub această valoare, adâncimea de penetrare este foarte mică. Odată ce ajunge sau depășește această valoare, adâncimea de penetrare va fi mult crescută. Plasma este generată numai atunci când densitatea puterii laser pe piesa de prelucrat depășește un prag (dependent de material), ceea ce înseamnă sudare stabilă cu penetrare profundă. În cazul în care puterea laserului este mai mică decât acest prag, are loc numai topirea suprafeței piesei de prelucrat, adică sudarea se efectuează într-un tip stabil de conducție termică. Cu toate acestea, atunci când densitatea de putere cu laser este aproape de starea critică pentru formarea de găuri mici, sudare penetrare profundă, și sudare conductoare sunt efectuate alternativ, care devine un proces de sudare instabil, rezultând în fluctuații mari în adâncimea de penetrare. În sudarea profundă cu laser, puterea laser controlează atât adâncimea de penetrare, cât și viteza de sudare. Adâncimea de penetrare a sudurii este direct legată de densitatea puterii fasciculului și este o funcție a puterii fasciculului incident și a punctului focal al fasciculului. În general vorbind, pentru un anumit fascicul laser diametru, adâncimea de penetrare crește pe măsură ce crește puterea fasciculului.
(2)Punctul focal al fasciculului. Dimensiunea spot fascicul este una dintre cele mai importante variabile pentru sudare cu laser, deoarece determină densitatea de putere. Dar pentru laserele de mare putere, măsurarea sa este o problemă dificilă, deși există deja multe tehnici de măsurare indirectă.
Dimensiunea punctului limită de difracție a fasciculului poate fi calculată în conformitate cu teoria difracției luminii, dar datorită aberației obiectivului de focalizare, dimensiunea reală a spotului este mai mare decât valoarea calculată. Cea mai simplă metodă de măsurare este profilarea izotermică, care măsoară punctul focal și diametrul perforării după ardere și penetrarea unei plăci de polipropilenă cu hârtie groasă. Această metodă este de a măsura puterea laserului și timpul fasciculului prin practica de măsurare.
(3)Valoarea absorbției materialelor. Absorbția unui laser de către un material depinde de unele proprietăți importante ale materialului, ar fi absorptivitatea, reflexia, conductivitatea termică, temperatura de topire, temperatura de evaporare etc. Cea mai importantă dintre acestea este absorptivitatea.
Factorii care afectează rata de absorbție a unui fascicul laser de material includ două aspecte: În primul rând, rezistivitatea materialului. După măsurarea absorbanței suprafeței lustruite a materialului, se constată că absorbanța materialului este proporțională cu rădăcina pătrată a rezistivității, iar rezistivitatea variază în funcție de temperatură și schimbări; în al doilea rând, starea suprafeței (sau netezimea) materialului are o influență mai importantă asupra ratei de absorbție a fasciculului, care are un efect semnificativ asupra efectului de sudură.
Lungimea de undă de ieșire a unui laser cu CO2 este, de obicei, de 10,6 μm. Non-metale, ar fi ceramica, sticla, cauciuc, și plastic au o rată ridicată de absorbție la temperatura camerei, și materiale metalice au o absorbție slabă la temperatura camerei până când materialul este topit și chiar gaz absorbția sa a crescut brusc.
Este foarte eficient să se îmbunătățească absorbția fasciculului de lumină prin metoda de acoperire de suprafață sau formarea unui film de oxid pe suprafață.
(4)Viteza de sudare. Viteza de sudare are un impact mai mare asupra adâncimii de penetrare. Creșterea vitezei va face adâncimea de penetrare mai mică, dar viteza prea mică va provoca topirea excesivă a materialului și sudarea piesei de prelucrat. Prin urmare, există o gamă adecvată de viteză de sudură pentru un anumit material cu o anumită putere laser și o anumită grosime, iar adâncimea maximă de penetrare poate fi obținută la valoarea de viteză corespunzătoare.
(5)Gaz protector. Procesul de sudare cu laser utilizează adesea gaz inert pentru a proteja piscina topit. Atunci când unele materiale sunt sudate, oxidarea suprafeței poate fi ignorată, dar protecția nu este luată în considerare, dar pentru majoritatea aplicațiilor, heliul, argonul, azotul și alte gaze sunt adesea folosite pentru a proteja piesa de prelucrat. Protejat de oxidare în timpul sudării.
Heliul nu este ușor ionizat (energie de ionizare mai mare), ceea ce permite laserului să treacă lin, iar energia fasciculului ajunge la suprafața piesei de prelucrat nestingherită. Acesta este cel mai eficient gaz de ecranare utilizate în sudare cu laser, dar este mai scump.
Argon este mai ieftin și are o densitate mai mare, astfel încât efectul de protecție este mai bine. Cu toate acestea, este sensibil la ionizarea plasmei metalice la temperatură ridicată. Ca urmare, protejează o parte a fasciculului de lumină de a fi radiat la piesa de prelucrat, reducând puterea laser eficiente pentru sudare, și deteriorarea vitezei de sudare și penetrare. Suprafețele sudurilor protejate cu argon sunt mai fine decât cele protejate cu heliu.
Azotul este cel mai ieftin gaz ca gaz de ecranare, dar nu este potrivit pentru sudarea anumitor tipuri de oțel inoxidabil, în principal din cauza problemelor metalurgice, ar fi absorbția, și, uneori, porii sunt create în zona de suprapunere.
Al doilea rol al utilizării unui gaz protector este de a proteja obiectivul de focalizare de contaminarea cu vapori metalici și de sputtering de picături de lichid. Mai ales în timpul sudării cu laser de mare putere, deoarece ejecția devine foarte puternică, este mai necesar să se protejeze obiectivul în acest moment.
A treia funcție a gazului de ecranare este de a risipi în mod eficient scutul plasmatic generat de sudarea cu laser de mare putere. Vaporii metalici absorb fasciculul laser și ionizează într-un nor de plasmă. Gazul protector din jurul vaporilor metalici este, de asemenea, ionizat prin încălzire. Dacă există prea multă plasmă, fasciculul laser este consumat de plasmă într-o anumită măsură. Plasma există pe suprafața de lucru ca a doua energie, ceea ce face penetrarea mai puțin adâncă și suprafața bazinului de sudură mai larg. Rata de recombinare a electronilor este crescută prin creșterea coliziunii electronilor cu ionii și atomii neutri, astfel încât să se reducă densitatea electronilor în plasmă. Cu cât este mai ușor atomul neutru, cu atât este mai mare frecvența coliziunii și cu atât este mai mare rata de recombinare; pe de altă parte, numai gazul protector cu energie de ionizare ridicată nu va crește densitatea electronilor datorită ionizării gazului în sine.
Heliul are cea mai mică ionizare și cea mai mică densitate, și poate elimina rapid vaporii de metal în creștere generați din rezerva de metal topit. Prin urmare, utilizarea heliului ca gaz protector poate suprima plasma în măsura maximă, crescând astfel adâncimea de penetrare și viteza de sudare; se poate scăpa din cauza sale ușoare și nu este ușor de a provoca porii. Desigur, din efectul sudării noastre reale, efectul de a proteja cu argon nu este rău.
Efectul norului de plasmă asupra pătrunderii este cel mai evident în regiunea vitezei scăzute de sudare. Pe măsură ce viteza de sudare crește, efectele sale se diminuează.
Gazul protector este ejectat pe suprafața piesei de prelucrat prin duză cu o anumită presiune. Forma hidrodinamică a duzei și diametrul ieșirii este foarte importantă. Acesta trebuie să fie suficient de mare pentru a conduce gazul de protecție pulverizat pentru a acoperi suprafața de sudură, dar pentru a proteja în mod eficient obiectivul și pentru a preveni poluarea cu vapori metalici sau stropi de metal de la deteriorarea obiectivului, dimensiunea duzei trebuie să fie, de asemenea, limitată. Debitul trebuie, de asemenea, controlat, în caz contrar, fluxul laminar al gazului protector devine turbulent, atmosfera este atrasă în piscina topită și, în cele din urmă, porii se formează.
Pentru a îmbunătăți efectul de protecție, se poate utiliza, de asemenea, o metodă suplimentară de suflare laterală, adică un gaz protector este injectat direct în gaura mică de sudare cu penetrare profundă printr-o duză cu diametru mic la un anumit unghi. Gazul de ecranare nu numai că suprimă norul de plasmă de pe suprafața piesei de prelucrat, dar exercită, de asemenea, o influență asupra plasmei din interiorul găurilor și formarea de găuri mici, iar adâncimea de penetrare este crescută în continuare pentru a obține o sudură ideală cu o comparație adâncime-lățime. Cu toate acestea, această metodă necesită un control precis al magnitudinii și direcției fluxului de gaz, în caz contrar, turbulențe este probabil să apară și deteriorarea piscina topit, ceea ce face procesul de sudare dificil de stabilizat.
(6)Distanța focală a lentilelor. Atunci când sudare, concentrându-se este de obicei folosit pentru a converge cu laser. În general, se utilizează un obiectiv cu o distanță focală de 63 ~ 254mm (2,5 "~ 10"). Dimensiunea punctului focal este direct proporțională cu distanța focală. Cu cât distanța focală este mai scurtă, cu atât punctul focal este mai mic. Cu toate acestea, distanța focală afectează, de asemenea, adâncimea focală, adică adâncimea focală crește sincron cu distanța focală, astfel încât o distanță focală scurtă poate crește densitatea de putere, dar deoarece adâncimea focală este mică, distanța dintre lentilă și piesa de prelucrat trebuie menținută cu precizie, iar adâncimea de penetrare nu este mare. Datorită efectelor stropilor și modurilor laser generate în timpul sudării, cea mai scurtă adâncime focală utilizată în sudarea reală este cea mai mare parte o distanță focală de 126mm (5 "). În cazul în care cusătura este mare sau este necesar să se mărească sudura prin creșterea dimensiunii spot, Alegeți un obiectiv cu o distanță focală de 254mm (10 "). În acest caz, pentru a obține efectul de gaură de pin de topire profundă, este necesară o putere de ieșire laser mai mare (densitatea puterii).
Atunci când puterea laserului depășește 2kW, în special pentru fasciculul laser CO2 de 10,6 μm, datorită utilizării de materiale optice speciale pentru a forma sistemul optic, pentru a evita riscul de deteriorare optică a obiectivului de focalizare, metoda de focalizare de reflexie este adesea utilizată, iar oglinzile din cupru lustruit sunt utilizate în general ca oglinzi. Datorită răcirii sale eficiente, este adesea recomandat pentru focalizarea fasciculului laser de mare putere.
(7)Poziția focalizării. Pentru a menține o densitate suficientă a puterii în timpul sudării, poziția focalizării este critică. Schimbarea poziției relative a focalizării și a suprafeței piesei de prelucrat afectează în mod direct lățimea și adâncimea sudurii.
În cele mai multe aplicații de sudare cu laser, poziția punctului focal este, de obicei, stabilit aproximativ 1/4 din adâncimea de penetrare necesară sub suprafața piesei de prelucrat.
(8)Poziția fasciculului laser. Atunci când sudarea cu laser diferite materiale, poziția fasciculului laser controlează calitatea finală a sudurii, în special în cazul articulațiilor cap la cap, care sunt mai sensibile decât în cazul articulațiilor poală. De exemplu, atunci când uneltele din oțel călit sunt sudate la butoaie din oțel cu emisii scăzute de carbon, controlul corect al poziției fasciculului laser va fi benefic pentru producția de suduri compuse în principal din componente cu emisii scăzute de carbon, care au o rezistență mai bună la fisuri. În unele aplicații, geometria piesei de prelucrat sudate necesită ca fasciculul laser să fie deviat de un unghi. Când unghiul de deformare dintre axa fasciculului și planul articular se află la mai mult de 100 de grade, absorbția energiei laser de către piesa de prelucrat nu va fi afectată.
(9)Puterea laserului la începutul și la sfârșitul sudării este controlată treptat. În sudarea profundă cu laser, găurile există întotdeauna, indiferent de adâncimea sudurii. Când procesul de sudură este întrerupt și comutatorul de alimentare este oprit, gropițe vor apărea la sfârșitul sudurii. În plus, atunci când stratul de sudură cu laser acoperă cusătura de sudură originală, poate apărea absorbția excesivă a fasciculului laser, ducând la supraîncălzirea sudurii sau generarea de porozitate.
To preveni fenomenul menționat mai sus de la apariția, un program poate fi făcut pentru punctele de pornire și de sfârșit ale puterii, astfel încât timpul de pornire și de sfârșit al puterii poate fi ajustat, adică puterea de pornire este crescută de la zero la valoarea de putere stabilită într-un timp scurt prin metode electronice, iar sudarea este ajustată Timpul , și în cele din urmă puterea este redusă treptat de la puterea stabilită la zero atunci când sudarea este terminat.
3.Caracteristici de sudare cu laser de fuziune profundă, avantaje, și dezavantaje
(1)Caracteristicile sudării cu laser cu penetrare profundă
①Raport de aspect ridicat. Deoarece metalul topit se formează în jurul cavității cilindrice de vapori de înaltă temperatură și se extinde spre piesa de prelucrat, cusătura de sudură devine adâncă și îngustă.
②Intrare minimă de căldură. Deoarece temperatura în găurile mici este foarte mare, procesul de topire are loc foarte repede, intrarea de căldură la piesa de prelucrat este foarte scăzută, iar distorsiunea căldurii și zona afectată de căldură este mică.
③Densitate mare. Deoarece găurile mici umplute cu abur de înaltă temperatură sunt favorabile pentru piscina de sudură agitare și de evacuare de gaz, rezultând în formarea de suduri de penetrare fără porilor. Rata ridicată de răcire după sudare facilitează miniaturizarea structurii de sudură.
④Suduri puternice. Datorită sursei de căldură caldă și absorbției suficiente a componentelor nemetalice, conținutul de impurități este redus, dimensiunea incluziunilor și distribuția lor în piscina topită sunt schimbate. Procesul de sudură nu necesită electrozi sau fire de umplere, iar zona de topire este mai puțin poluată, ceea ce face rezistența sudurii și tenacitatea cel puțin echivalentă sau chiar mai mare decât metalul părinte.
⑤Control precis. Deoarece punctul focal este mic, sudura poate fi poziționată cu precizie ridicată. Ieșirea laser nu are "inerție" și poate fi oprită și repornită la viteze mari. Tehnologia de mișcare a fasciculului CNC poate suda piese de prelucrat complexe.
⑥Procesul de sudare a atmosferei fără contact. Deoarece energia provine de la fasciculul de fotoni și nu există contact fizic cu piesa de prelucrat, nu se aplică nicio forță externă piesei de prelucrat. În plus, atât magnetice și aer nu au nici un efect asupra laser.
(2)Rdvantages de sudare profundă cu laser
①Laserele focalizate au o densitate de putere mult mai mare decât metodele convenționale, rezultând viteze mai mari de sudare, mai puține zone afectate de căldură și deformare, precum și sudarea materialelor dificil de sudat, ar fi titanul.
②Deoarece fasciculul este ușor de transmis și de controlat, nu este nevoie să schimbați frecvent torța de sudură și duza și nu există nici un vid necesar pentru sudarea cu fascicul de electroni, ceea ce reduce semnificativ timpul auxiliar de închidere, astfel încât factorul de sarcină și eficiența producției sunt ridicate.
③Datorită efectului de purificare și a vitezei ridicate de răcire, sudura are rezistență ridicată, rezistență și performanță cuprinzătoare.
④Datorită intrării medii scăzute a căldurii și preciziei ridicate de prelucrare, costurile de reprocesare pot fi reduse; în plus, costurile de operare de sudură cu laser sunt, de asemenea, mai mici, care pot reduce costurile de prelucrare piesa de prelucrat.
⑤Acesta poate controla în mod eficient intensitatea fasciculului și poziționarea fină, și este ușor de realizat funcționarea automată.
(3)Dezavantajele sudării profunde cu laser
①Wadâncimea de elding EsteLimitat.
②Cerințele de asamblare a piesei de prelucrat sunt ridicate.
③One-timp de investiții în sisteme laser este mare.