Laser tegnologie

1. Beginsel van laserslas.

Lasverbinding met behulp van lasers kan bereik word met behulp van kontinue- of gepulsede laserstrale. Die beginsel van laserslas kan verdeel word in hittegeleidingslas en diepdringende laserslas. Vermoëdigtheid minder as 10 ⁴ ~10⁵ B/CM ² is hitgeleidingslasverbinding, wat gekenmerk word deur 'n vlakke penetrasie en 'n stadige lasspoed. Wanneer die drywingsdigtheid groter is as 10 ⁵ ~10⁷ B/CM ² , word die metaaloppervlak verhit, wat "holtes" skep en dieptepenetrasielasverbinding vorm, wat gekenmerk word deur 'n vinnige lasspoed en 'n groot diepte-tot-wydte-verhouding.

Die beginsel van hitgeleidingslaserlasverbinding is soos volg: laserstraling verhit die oppervlak wat behandel moet word, en die hitte versprei na binne deur hittegeleiding. Deur laserparameters soos die wydte, energie, piekdrywing en herhaalfrekwensie van die laserpuls te beheer, smelt die werkstuk en vorm 'n spesifieke smeltbad.

Laserlasmasjiene wat gebruik word vir ratlasverbinding en metallurgiese dunplaatlasverbinding behels hoofsaaklik laserdieptepenetrasielasverbinding. Die beginsel van laserdieptepenetrasielasverbinding sal hieronder in besonderhede bespreek word.

Laserdiepdringlasies gebruik gewoonlik 'n kontinue laserstraal om materiale saam te voeg. Die metallurgiese fisika daarvan is baie soortgelyk aan elektronstraallasies, met die energie-omsettingsmeganisme wat deur 'n "sleutelgat"-struktuur bereik word. Onder voldoende hoë drywingsdigtheid-laserbestraling verdamp die materiaal en vorm 'n sleutelgat. Hierdie dampgevulde sleutelgat tree op soos 'n swartliggaam en absorbeer amper al die energie van die invalstraal. Die ewewigstemperatuur binne die sleutelgat bereik ongeveer 2500 °C. Hitte word oorgedra vanaf die buitekant van hierdie hoë-temperatuur-pynhol, wat die metaal rondom dit smelt. Die pynhol is gevul met hoë-temperatuur-damp wat voortdurend gegenereer word deur die verdamping van die wandmateriaal onder straalbestraling. Die pynholwande omring gesmelte metaal, en die vloeibare metaal omring vastestof (in die meeste konvensionele lasprosesse en lasergeleidingslassing word energie eers op die werkstukoppervlak afgeset en dan na die binnekant oorgedra). Die vloeistofstroming en oppervlakspanning buite die pynholwande handhaaf ’n dinamiese ewewig met die voortdurend gegenereerde dampdruk binne-in die pynhol. Terwyl die lasersstraal voortdurend in die pynhol ingaan, gaan die materiaal buite die pynhol voort om te vloei. Soos die lasersstraal beweeg, bly die pynhol in ’n stabiele vloei-toestand. Met ander woorde, beweeg die pynhol en die gesmelte metaal wat dit omring voorwaarts teen dieselfde spoed as die rigstraal. Die gesmelte metaal vul die openinge wat agtergelaat word nadat die pynhol verbybeweeg het, en stol dan, wat so ’n laslas vorm. Al hierdie gebeur so vinnig dat lasspoed maklik verskeie meter per minuut kan bereik.

2. Sleutelprosesparameters van laserdoordringlas

Laser krag

Laserlas is 'n proses wat 'n drempelwaarde van laserenergie-digtheid behels. Onder hierdie drempel is die deurdringingsdiepte oppervlakkig; sodra dit bereik of oorskry word, neem die deurdringingsdiepte aansienlik toe. Plasma word slegs gegenereer wanneer die laserdryfheid op die werkstuk hierdie drempel (wat van die materiaal afhang) oorskry, wat die begin van stabiele diepdeurdringingslaswerk aandui. Indien die laserdryfheid onder hierdie drempel is, vind slegs oppervlaktesmelting op die werkstuk plaas, wat beteken dat laswerk in 'n stabiele hittegeleidingsmodus voortgaan. Wanneer die laserdryfheid naby die kritieke toestand vir sleutelgatvorming is, wissel diepdeurdringingslaswerk en geleidingslaswerk mekaar af, wat lei tot 'n onstabiele lasproses met groot variasies in die deurdringingsdiepte. In laserdiepdeurdringingslaswerk beheer die laserdryfheid gelyktydig die deurdringingsdiepte en die lasspoed. Die lasdeurdringingsdiepte is direk verwant aan die straaldryfheid en is 'n funksie van die insidente straaldryfheid en die straalfokusplek. Algemeen gesproke neem die deurdringingsdiepte vir 'n laserstraal met 'n gegewe deursnee toe met toenemende straaldryfheid.

Straal Fokusplek

Die straalgrootte is een van die belangrikste veranderlikes in laserslas omdat dit die drywingsdigtheid bepaal. Dit is egter uitdagend om dit vir hoë-kraglaserstrale te meet, ten spyte van die bestaan van talle indirekte meetmetodes.

Die diffraksie-beperkte plekgrootte van die laserstraal kan gebaseer word op optiese diffraksieteorie bereken word. Vanweë aberrasies in die fokuslens is die werklike plekgrootte egter groter as die berekende waarde. Die eenvoudigste praktiese meetmetode is die isotermiese profielmetode, wat behels dat 'n dik stuk papier gebrand word en 'n polipropileenplaat deurboor word voordat die fokusplek en die deursnee van die deurboorgat gemeet word. Hierdie metode vereis praktiese meting om die laserdrywing en die tydsduur van straalkontak te bemeester.

Materiaalabsorpsiewaarde

Die absorpsie van laserlig deur 'n materiaal hang af van verskeie belangrike eienskappe, soos absorptiwiteit, reflektiwiteit, termiese geleidingsvermoë, smelttemperatuur en verdampingstemperatuur, waarvan absorptiwiteit die belangrikste is.

Faktore wat die absorptiwiteit van 'n materiaal vir 'n laserstraal beïnvloed, sluit twee aspekte in: Eerstens, die materiaal se weerstand. Metings van die absorptiwiteit van gepoleerde oppervlaktes toon dat die absorptiwiteit eweredig is aan die vierkantswortel van die weerstand, wat op sy beurt met temperatuur wissel. Tweedens het die oppervlaktoestand (of gladheid) van die materiaal 'n beduidende invloed op die straalabsorptiwiteit, en dus 'n groot invloed op die las-effek.

Die uitvoer-golflengte van 'n CO2-laser is gewoonlik 10,6 μ m. Nie-metaliese materiale soos keramiek, glas, rubber en plastieke het hoë absorpsietempo's by kamertemperatuur, terwyl metaliese materiale dit swaklik by kamertemperatuur absorbeer, met absorpsie wat net skerp toeneem sodra die materiaal smelt of selfs verdamp. Oppervlakbedekkings of oksiedvelle is doeltreffende metodes om die materiaal se absorpsie van die lasersstraal te verbeter.

Souderingsspoed

Lasspoed beïnvloed lasdoordringing beduidend. 'n Toename in spoed lei tot 'n minder diep doordringing, terwyl buitengewoon lae snelhede tot oormelting en deurburning lei. Daarom bestaan daar vir 'n spesifieke materiaal met 'n gegewe laserdrywing en dikte 'n geskikte reeks laspoeds, waarbinne maksimum doordringing bereik kan word. Figuur 10-2 toon die verhouding tussen laspoed en doordringing vir 1018-staal.

Beskermingsgas

Inert gasse word algemeen gebruik om die gesmelte poel tydens laserslas te beskerm. Hoewel oppervlakoksidasie nie vir sekere materiale 'n probleem mag wees nie, word helium, argon en stikstof algemeen in die meeste toepassings gebruik om oksidasie van die werkstuk tydens laswerk te voorkom.

Helium word swak geïoniseer (maar het 'n hoë ionisasie-energie), wat toelaat dat die laserstraal glad deur gaan en onbelemmer op die werkstuk se oppervlak bereik. Dit is die doeltreffendste beskermingsgas wat by laserslas gebruik word, maar dit is relatief duur.

Argon is goedkoper en het 'n hoër digtheid, wat goeie beskerming verseker. Dit word egter maklik deur hoë-temperatuur metaalplasma geïoniseer, wat 'n gedeelte van die straal afskerm sodat dit nie die werkstuk bereik nie, wat die effektiewe laserower verlaag en die lasspoed sowel as die deurdringing benadeel. Lasverbindings wat met argon beskerm word, het gladter oppervlaktes as dié wat met helium beskerm word.

Stikstof is die goedkoopste beskermingsgas, maar dit is nie geskik vir die las van sekere tipes roestvrystaal nie, hoofsaaklik as gevolg van metallurgiese probleme soos absorpsie, wat soms porositeit in die voegarea kan veroorsaak.

’n Tweede funksie van beskermingsgasse is om die fokuslens teen kontaminasie deur metaaldamp en spatting van smelt druppels te beskerm. Dit is veral belangrik by hoëvermoë-laserlaswerk, waar die uitgeworpe materiaal baie kragtig word.

‘n Derde funksie van beskermende gasse is hul doeltreffendheid in die verspreiding van die plasma wat deur hoëvermoë-laserlasmetaalwerk gegenereer word. Metaaldamp absorbeer die laserstraal en ioniseer na ‘n plasma-wolk. Die beskermende gas wat die metaaldamp omring, ioniseer ook as gevolg van verhitting. Indien daar te veel plasma is, word die laserstraal tot ‘n sekere mate deur die plasma verbruik. Plasma bestaan as ‘n sekondêre energiebron op die werkoppervlak, wat lei tot ‘n vlakker laspenetrasiemate en ‘n wyer lasbad. Die elektronherkombinasietempo word verhoog deur botsings tussen elektrone, ioon en neutrale atome te verhoog, wat sodoende die elektrondigtheid in die plasma verminder. Hoe ligter die neutrale atome is, hoe hoër is die botsingsfrekwensie en herkombinasietempo; aan die ander kant kan slegs ‘n beskermende gas met ‘n hoë ionisasie-energie ‘n toename in elektrondigtheid voorkom as gevolg van die self-ionisasie van die gas.

Die grootte van die plasma-wolk wissel afhangende van die beskermingsgas wat gebruik word, met helium wat die kleinste grootte het, gevolg deur stikstof, en argon wat die grootste het. 'n Groter plasma-wolk lei tot 'n minder diep lasnaadpenetrasie. Hierdie verskil is hoofsaaklik te wyte aan die verskillende grade van ionisasie van die gasmolekules, sowel as aan die verskille in metaaldampdiffusie wat veroorsaak word deur die verskillende digthede van die beskermingsgasse.

Helium het die laagste ionisasie-energie en digtheid, wat dit in staat stel om stygende metaaldamp vinnig uit die gesmelte metaalpoel te verdring. Gevolglik onderdruk die gebruik van helium as beskermingsgas plasma maksimaal, wat die lasnaadpenetrasie en -snelheid verhoog; sy ligtheid laat dit ook maklik ontsnap, wat die waarskynlikheid van porositeit verminder. Egter, gebaseer op ons werklike lasresultate, het argonbeskerming bewys dat dit baie effektief is.

Die impak van die plasma-wolk op lasdiepte is die mees uitgesproke by lae lasspoed. Sy effek verminder namate die lasspoed toeneem.

Die beskermingsgas word teen 'n sekere druk deur 'n mondstuk uitgestoot en bereik die werkstukoppervlak. Die hidrodinamiese vorm van die mondstuk en die deursnee van die uitlaat is krities. Die beskermingsgas moet voldoende groot wees om die lasoppervlak te bedek, maar die mondstukgrootte moet beperk word om die lens effektief te beskerm en kontaminasie deur metaalvapour of skade deur metaalspattering te voorkom. Die vloei-tempo moet ook beheer word; anders sal die laminêre vloei van die beskermingsgas turbulent word, atmosferiese insluiting sal in die smeltbad ingaan, en uiteindelik porositeit sal ontstaan.

Om die afskermingseffek te verbeter, kan 'n addisionele laterale blaasmetode gebruik word, waar die afskermingsgas direk in die gaatjie van die diep deurdringingslas deur 'n mondstuk met 'n kleiner deursnee teen 'n sekere hoek ingespuit word. Die afskermingsgas onderdruk nie net die plasma-wolk op die werkstukoppervlak nie, maar beïnvloed ook die plasma binne die gaatjie en die vorming van die gaatjie, wat die deurdringingsdiepte verdere verhoog en 'n las met 'n ideale diepte-tot-wydte-verhouding bewerkstellig. Hierdie metode vereis egter presiese beheer van die gasvloei-tempo en -rigting; anders kan turbulensie maklik ontstaan, wat die smeltbad beskadig en die laste proses onstabiel maak.

Lens brandpuntlengte

Tydens laswerk word die laser gewoonlik gefokus, meestal met behulp van lense met brandpunte van 63–254 mm (2,5 ”~10”die grootte van die gefokusseerde kolletjie is direk eweredig aan die brandpuntafstand; hoe korter die brandpuntafstand, hoe kleiner die kolletjie. Die brandpuntafstand beïnvloed egter ook die diepte van fokus, wat beteken dat die diepte van fokus eweredig met die brandpuntafstand toeneem. 'n Korter brandpuntafstand kan dus die drywingsdigtheid verhoog, maar as gevolg van die vlak diepte van fokus moet die afstand tussen die lens en die werkstuk presies gehandhaaf word, en die deurdringingsdiepte is ook beperk. As gevolg van die invloed van spatting en die lasermodus wat tydens laswerk gegenereer word, is die kortste werklike brandpuntafstand wat gewoonlik by laswerk gebruik word, dikwels 126 mm (5 ”wanneer die voeg groot is of wanneer dit nodig is om die lasgrootte te verhoog deur die kolletjiegrootte te vergroot, kan 'n lens met 'n brandpuntafstand van 254 mm (10 ”) gekies word. In hierdie geval word 'n hoër laseruitsetkrag (drywingsdigtheid) benodig om die diep deurdringende sleutelgat-effek te bereik.

Wanneer die laserkrag 2 kW oorskry, veral vir 10.6 μ m CO2-laserstrale, as gevolg van die gebruik van spesiale optiese materiale in die optiese stelsel, word refleksie-fokussering dikwels gebruik om optiese skade aan die fokuslens te voorkom. Gepoleerde koper spiegels word tipies as reflektore gebruik. Weens hul doeltreffende verkoelingseienskappe word hulle dikwels aanbeveel vir die fokussering van hoëvermoë-laserstrale.

Fokusposisie

Tydens laswerk is die fokusposisie noodsaaklik om 'n voldoende vermoe-digtheid te handhaaf. Veranderinge in die relatiewe posisie van die fokus ten opsigte van die werkstukoppervlak beïnvloed direk die lasbreedte en -diepte. Figuur 2-6 toon die effek van die fokusposisie op die deurdringingsdiepte en lasbreedte van 1018-staal.

In die meeste laserlas-toepassings word die fokus tipies ongeveer 'n kwart van die weg onder die werkstukoppervlak geposisioneer om die gewenste deurdringingsdiepte te bereik.

Laserstraalposisie

By laserlasies van verskillende materiale beheer die posisie van die laserstraal die finale lasgehalte, veral by stykverbindings waar dit meer sensitief is as by oorlapverbindings. Byvoorbeeld, wanneer ’n geharde staalrat aan ’n laag-koolstofstaaltrommel gelas word, sal behoorlike beheer van die laserstraalposisie ’n las tot gevolg hê wat hoofsaaklik uit laag-koolstofkomponente bestaan en wat beter weerstand teen kraakvorming toon. In sommige toepassings vereis die geometrie van die werkstuk wat gelas moet word dat die laserstraal onder ’n hoek afgebuk word. Wanneer die afbuighoek tussen die straallas en die verbindingsvlak binne 100 grade val, sal die werkstuk se absorpsie van laserenergie nie beïnvloed word nie.

Beheer van laserdryfverhoging en -verlaging by die begin- en eindpunte van laswerk

Tydens laserdoordringingslasies bestaan die gatverskynsel altyd, ongeag die lasdiepte. Wanneer die lasproses beëindig word en die kragtoets afgeskakel word, sal 'n kuil aan die einde van die lasvoeg verskyn. Daarbenewens kan oormatige absorpsie van die laserstraal voorkom wanneer die laserlaslaag die oorspronklike las bedek, wat tot oorverhitting of porositeit in die gelasde stuk kan lei.

Om hierdie verskynsels te voorkom, kan die kragbegin- en -eindpunte programmeerbaar ingestel word sodat die begin- en eindtye van die krag aanpasbaar is. Dit beteken dat die begin-krag elektronies binne 'n kort tydperk van nul na die ingestelde kragwaarde verhoog word, en dat die las tyd aangepas word. Laastens word die krag aan die einde van die lasproses geleidelik vanaf die ingestelde krag na nul verminder.

3. Kenmerke, voordele en nadele van laserdoordringingslasies

Kenmerke van laserdoordringingslasies

1) Hoë aspekverhouding. 1) **Diep en nou lasnaad:** Aangesien die vloeibare metaal rondom die silindriese hoogtemperatuurstoomholte vorm en na die werkstuk uitbrei, word die lasnaad diep en nou.

2) **Minimum hitte-invoer:** As gevolg van die baie hoë temperatuur binne die opening vind die smeltproses baie vinnig plaas, wat tot baie lae hitte-invoer na die werkstuk lei en hittevervorming sowel as die hitte-geaffekteerde sone tot 'n minimum beperk.

3) **Hoë digtheid:** Die opening wat met hoogtemperatuurstoom gevul is, vergemaklik roering van die lasbad en gasontsnapping, wat lei tot 'n porositeit-vrye, volledig deurgelase lasnaad. Die hoë koelspoed na laswerk verfyn verder die mikrostruktuur van die lasnaad.

4) **Sterk las:** Die intense hittebron en die volledige absorpsie van nie-metaalbestanddele verminder die impuriteitsinhoud en verander die grootte en verspreiding van insluitings in die lasbad. Die lasproses vereis geen elektrodes of vuldraad nie, wat tot minder kontaminasie in die gesmelte sone lei, wat die lassterkte en -toutheid ten minste gelyk aan of selfs hoër as dié van die basismetaal maak.

5) **Presiese beheer:** Aangesien die gefokusse kolletjie baie klein is, kan die las presies geposisioneer word. Laseruitset het geen "inertie" nie, wat vinnige stop- en herbeginpunte by hoë spoed moontlik maak. CNC-straalbewegingstegnologie maak dit moontlik om komplekse werkstukke te las. 6) Nie-kontak atmosferiese lasproses. Aangesien die energie vanaf 'n fotonstraal kom, is daar geen fisiese kontak met die werkstuk nie, dus word geen eksterne krag op die werkstuk toegepas nie. Verder het magnetiese velde en lug geen invloed op die laser nie.

Voordele van Laserdieplas

1) As gevolg van die baie hoër drywingsdigtheid van gefokusse lasers in vergelyking met konvensionele metodes, is die lasspoed vinnig, die hitte-geaffekteerde sone en vervorming klein, en dit kan moeilik-lasbare materiale soos titaan las.

2) Aangesien die straal maklik oorgedra en beheer word, en daar nie gereeld lasfakkels en mondstukke vervang hoef te word nie, en geen vakuum vereis word vir elektronstraallassing nie, word stilstandtyd aansienlik verminder, wat lei tot 'n hoë belastingfaktor en produksiedoeltreffendheid.

3) As gevolg van die suiwerings-effek en hoë verkoelingskoers het die lasverbinding hoë sterkte, taaiheid en algehele prestasie.

4) As gevolg van die lae gemiddelde hitte-invoer is die prosesakkuraatheid hoog, wat herverwerkingkoste verminder; boonop is die bedryfskoste van laserslassing ook laer, wat dus die werkstukverwerkkoste verminder.

5) Straalintensiteit en presiese posisionering kan doeltreffend beheer word, wat outomatiese bedryf vergemaklik.

Nadele van Laserdieplaslas

1) Beperkte lasdiepte.

2) Hoë vereistes vir die samestelling van werkstukke.

3) Hoë aanvanklike belegging in lasersisteme.