Lazer texnologiyası

1. Laser lehimləmənin prinsipi

Laser lehimləməsi davamlı və ya impulsverici laser şüalarından istifadə edilərək həyata keçirilə bilər. Laser lehimləməsinin prinsipi istilik keçiriciliyi ilə lehimləmə və laser dərin nüfuzlu lehimləmə olmaqla iki yerə bölünür. Güc sıxlığı 10 ⁴ ~10⁵ Vt/sm² ² ısı keçirilməsi ilə qaynaq olmaq, səthi nüfuz etmə və yavaş qaynaq sürəti ilə xarakterizə olunur. Güc sıxlığı 10-dan çox olduqda ⁵ ~10⁷ Vt/sm² ² , metal səthi qızdırılır və "kavitarlar" yaranır; bu da dərin nüfuz etməli qaynaq əmələ gətirir ki, bu da sürətli qaynaq sürəti və böyük dərinlik-en nisbəti ilə xarakterizə olunur.

İsı keçirilməsi ilə lazer qaynağının prinsipi aşağıdakı kimidir: lazer şüalanması emal ediləcək səthi qızdırır və səth istiliyi istilik keçirilməsi vasitəsilə daxilə yayılır. Lazer parametrlərini — məsələn, lazer impulsunun eni, enerjisi, zirvə gücü və təkrarlanma tezliyi — idarə edərək detallar əriməyə başlayır və müəyyən bir ərimiş bulaq əmələ gəlir.

Dişli çarxların qaynağı və metallurgiya nazik lövhələrinin qaynağı üçün istifadə olunan lazer qaynaq maşınları əsasən lazer dərin nüfuz etməli qaynağını əhatə edir. Aşağıda lazer dərin nüfuz etməli qaynağının prinsipi ətraflı izah olunacaq.

Lazer dərin nüfuzlu qaynaq ümumiyyətlə materialları birləşdirmək üçün kəsilməz lazer şüasından istifadə edir. Onun metallurgiya fizikası elektron şüa ilə qaynaqla çox oxşardır və enerji çevrilmə mexanizmi «açıq delik» strukturu vasitəsilə həyata keçirilir. Kifayət qədər yüksək güc sıxlığına malik lazer işıqlandırması altında material buxarlanır və açıq delik əmələ gətirir. Bu buxarla dolu açıq delik şüa şəklində gələn enerjinin demək olar ki, hamısını udan «qara cisim» kimi davranır. Açığın daxilindəki tarazlıq temperaturu təxminən 2500-dən ibarətdir °C. İstilik bu yüksək temperaturlu dəlikin xarici divarından keçir və onun ətrafındakı metali əriyir. Dəlik şüa təsiri altında divar materialının davamlı buxarlanmasından yaranan yüksək temperaturlu buxarla doldurulur. Dəlik divarları ərimiş metal ilə əhatə olunub və maye metal bərk materialı əhatə edir (çoxsaylı ənənəvi qaynaq proseslərində və lazer konduksiyalı qaynaqda enerji əvvəlcə emal olunan səthə, sonra isə daxili hissəyə ötürülür). Dəlik divarlarının xaricindəki maye axını və səth gərginliyi dəlik daxilində davamlı yaranan buxar təzyiqi ilə dinamik tarazlıqda qalır. Lazer şüası dəlikə davamlı daxil olduqca dəlik xaricindəki material da davamlı axır. Lazer şüası hərəkət etdikcə dəlik sabit axın vəziyyətində qalır. Başqa sözlə, dəlik və onun ətrafındakı ərimiş metal idarə edici şüanın sürəti ilə eyni sürətlə irəli hərəkət edir. Ərimiş metal dəlik irəli getdikdən sonra yaranan boşluqları doldurur və sonra bərkidilir; beləliklə, qaynaq formalaşır. Bütün bu proses o qədər sürətlə baş verir ki, qaynaq sürəti asanlıqla dəqiqədə bir neçə metrə çata bilər.

2. Laser dərin nüfuz qaynaqlanmasının əsas proses parametrləri

Lazer gücü

Lazer qaynaqlanması lazer enerjisi sıxlığı həddini nəzərdə tutur. Bu həddin altına düşəndə, dərindəlik az olur; bu həddə çatdıqda və ya ondan artıq olduqda, dərindəlik əhəmiyyətli dərəcədə artır. Plazma yalnız o zaman yaranır ki, iş parçası üzərindəki lazer gücü sıxlığı bu həddi (materialdan asılı olaraq) keçsin; bu da sabit dərin nüfuzlu qaynaqlanmanın başlanğıcı sayılır. Əgər lazer gücü bu həddin altındadırsa, iş parçasında yalnız səthi ərimə baş verir, yəni qaynaqlanma sabit istilik keçiriciliyi rejimində gedir. Lazer gücünün sıxlığı açıq kanalın (keyhole) əmələ gəlməsi üçün kritik şərtlərə yaxın olduqda, dərin nüfuzlu qaynaqlanma və keçiricilik qaynaqlanması növbələşir və bu da dərindəlikdə böyük dalğalanmalarla müşayiət olunan qeyri-sabit qaynaqlanma prosesinə səbəb olur. Lazerlə dərin nüfuzlu qaynaqlanmada lazer gücü eyni zamanda dərindəliyi və qaynaqlanma sürətini idarə edir. Qaynaq dərindəliyi birbaşa şüa gücünün sıxlığı ilə bağlıdır və gələn şüa gücünün və şüanın fokus ləkəsinin funksiyasıdır. Ümumiyyətlə, müəyyən diametrli lazer şüası üçün dərindəlik şüa gücünün artması ilə artır.

Şüa Fokus Nöqtəsi

Şüa ləkəsinin ölçüsü, güc sıxlığını müəyyən etdiyinə görə, lazer qaynağı üçün ən vacib dəyişənlərdən biridir. Bununla belə, yüksək güclü lazerlər üçün onun ölçülməsi çox çətindir, baxmayaraq ki, bir çox dolayı ölçmə üsulları mövcuddur.

Lazer şüasının difraksiya ilə məhdudlaşdırılmış ləkə ölçüsü optik difraksiya nəzəriyyəsinə əsasən hesablanıla bilər. Bununla belə, fokuslaşdırıcı linzada baş verən aberrasiyalar səbəbindən faktiki ləkə ölçüsü hesablanmış dəyərdən böyükdür. Ən sadə praktik ölçmə üsulu izotermal profilometriya üsuludur; bu üsul qalın kağız parçasının kömürleşdirilməsini və polipropilen lövhənin delinməsini, sonra isə fokus ləkəsinin və delik diametrinin ölçülmesini nəzərdə tutur. Bu üsul lazer gücünün və şüanın toxunma müddətinin praktik olaraq öyrənilməsini tələb edir.

Materialın Sorulma Dəyəri

Lazer işığının material tərəfindən udulması bir neçə vacib xassəyə, məsələn, udma qabiliyyətinə, əks etdirici qabiliyyətə, istilik keçiriciliyinə, ərimə temperaturuna və buxarlaşma temperaturuna bağlıdır; bunlardan ən vacibi udma qabiliyyətidir.

Materialın lazer şüasına udma qabiliyyətini təsir edən amillər iki cəhətdən ibarətdir: Birincisi, materialın müqaviməti. Parlaq səthlərin udma qabiliyyətinin ölçülməsi göstərir ki, udma qabiliyyəti müqavimətin kvadrat kökünə mütənasibdir; bu isə öz növbəsində temperaturdan asılı olaraq dəyişir. İkincisi, materialın səthi vəziyyəti (və ya hamarlığı) şüanın udulmasına əhəmiyyətli təsir göstərir və beləliklə, qaynaq effektinə əhəmiyyətli təsir edir.

CO2 lazerinin çıxış dalğa uzunluğu adətən 10,6-dır μ m. Keramika, şüşə, rezin və plastik kimi qeyri-metallıq materiallar otaq temperaturunda yüksək udma dərəcəsinə malikdirlər, metal materiallar isə otaq temperaturunda lazer şüasını zəif udur; udma yalnız material əriməyə başlayanda və ya hətta buxarlananda kəskin şəkildə artır. Səth örtükləri və oksid təbəqələri materialın lazer şüasını udmasını yaxşılaşdırmaq üçün effektiv üsullardır.

Qaynaq sürəti

Qaynaq sürəti qaynaq dərinliyini əhəmiyyətli dərəcədə təsir edir. Sürətin artırılması qaynaq dərinliyinin azalmasına səbəb olur, çox aşağı sürətlər isə artıq əriməyə və delinməyə gətirib çıxarır. Beləliklə, müəyyən bir material üçün verilmiş lazer gücü və qalınlıq şəraitində uyğun qaynaq sürəti intervalı mövcuddur; bu interval daxilində maksimum qaynaq dərinliyi əldə edilə bilər. Şəkil 10-2 1018 polad üçün qaynaq sürəti ilə dərinlik arasındakı əlaqəni göstərir.

Qoruyucu qaz

İnert qazlar, lazer qaynağı zamanı ərimiş bulaqı qorumaq üçün geniş istifadə olunur. Səth oksidləşməsi bəzi materiallar üçün problem yaratmasa da, iş parçasının qaynaq edilməsi zamanı oksidləşməsini qarşısını almaq üçün əksər tətbiqlərdə helium, argon və azotdan istifadə olunur.

Helium zəif ionlaşır (lakin ionlaşma enerjisi yüksəkdir), bu da lazer şüasının pürüzsüz keçməsinə və iş parçasının səthinə mane olmada çatmasına imkan verir. Bu, lazer qaynağında ən effektiv qoruyucu qazdır, lakin nisbətən bahalıdır.

Argon daha ucuzdur və sıxlığı daha yüksəkdir, buna görə də yaxşı qoruma təmin edir. Bununla belə, o, yüksək temperaturda metal plazma tərəfindən asanlıqla ionlaşır; nəticədə şüanın bir hissəsi iş parçasına çatmasını qarşılamaq üçün mane olur, bu da effektiv lazer gücünü azaldır və qaynaq sürətini ilə dərinliyini zəiflədir. Argonla qorunan qaynaqların səthi heliumla qorunan qaynaqlara nisbətən daha hamardır.

Azot ən ucuz qoruyucu qazdır, lakin metallurgik problemlər səbəbilə, əsasən udulma kimi, bəzi növ paslanmayan poladların qaynağı üçün uyğun deyil; bu bəzən birləşmə sahəsində porozluğa səbəb ola bilər.

Qoruyucu qazların ikinci funksiyası, fokus lensini metal buxarı kontaminasiyasından və ərimiş damcıların püskürməsindən qorumaqdır. Bu, xüsusilə çıxarılan materialın çox güclü olduğu yüksək gücə malik lazer qaynağında xüsusi əhəmiyyət daşıyır.

Qoruyucu qazların üçüncü funksiyası — yüksək güclü lazer qaynağı zamanı yaranan plazmanın yayılmasına kömək etməsidir. Metal buxarı lazer şüasını udur və plazma buludu şəklində ionlaşır. Metal buxarını əhatə edən qoruyucu qaz da istiləşmə səbəbilə ionlaşır. Plazmadan çoxluq olarsa, lazer şüası qismən plazma tərəfindən udulur. Plazma iş səthində ikinci enerji mənbəyi kimi mövcuddur və nəticədə qaynaq dərinliyi azalır, qaynaq banyosunun eni isə artır. Elektronların rekombinasiya sürəti elektronlar, ionlar və neytral atomlar arasındakı toqquşmaların sayının artırılması hesabına artır. Bu, plazmadakı elektron sıxlığını azaldır. Neytral atomlar nə qədər yüngül olarsa, toqquşma tezliyi və rekombinasiya sürəti bir o qədər yüksək olar; digər tərəfdən, yalnız ionlaşma enerjisi yüksək olan qoruyucu qaz özünün ionlaşmasından dolayı elektron sıxlığının artmasını maneə törədə bilər.

Plazma buludunun ölçüsü istifadə olunan qoruyucu qaza görə dəyişir: helium ən kiçik ölçülüdür, ondan sonra azot, ən böyük isə argon dur. Daha böyük plazma buludu daha səthi qaynaq nüfuzuna səbəb olur. Bu fərq əsasən qaz molekullarının ionlaşma dərəcələrindəki fərqlərə və müxtəlif sıxlıqlı qoruyucu qazlar səbəbi ilə metal buxarının yayılmasındakı fərqlərə əsaslanır.

Helium ən aşağı ionlaşma və sıxlığa malikdir; bu da ona erimiş metal çuxurundan yuxarı doğru yüksələn metal buxarını sürətlə yerdəyişməyə imkan verir. Buna görə də heliumu qoruyucu qaz kimi istifadə etmək plazmanı maksimum dərəcədə suppress edir və nəticədə qaynaq nüfuzunu və qaynaq sürətini artırır; onun yüngül çəkisi də onun asanlıqla çıxmasına imkan verir və porozluq ehtimalını azaldır. Bununla belə, bizim praktiki qaynaq nəticələrimizə əsasən, argonla qoruma olduqca effektiv olmuşdur.

Plazma buludunun qaynaq dərinliyinə təsiri ən çox aşağı qaynaq sürətlərində müşahidə olunur. Qaynaq sürəti artırıqca bu təsir zəifləyir.

Qoruyucu qaz müəyyən təzyiqdə nozuldan çıxarılır və iş parçasının səthini əhatə edir. Nozulun hidrodinamik forması və çıxış diametri çox vacibdir. Qoruyucu qazın həcmi qaynaq səthinin tamamilə örtülməsi üçün kifayət qədər böyük olmalıdır, lakin nozulun ölçüsü obyektivin effektiv qorunmasını təmin etmək və metal buxarının kontaminasiyasını və ya metal püskürməsinin zədələnməsini maneə törətmək üçün məhdudlaşdırılmalıdır. Həmçinin, axın sürəti də nəzarət olunmalıdır; əks halda qoruyucu qazın laminar axını turbulenta çevriləcək, atmosfer havası eriyik bulağa daxil olacaq və nəticədə porozluq əmələ gələcək.

Qoruyucu təsirin artırılması üçün əlavə yan üfürmə üsulundan istifadə edilə bilər; burada qoruyucu qaz kiçik diametrli nozul vasitəsilə müəyyən bucaq altında dərin nüfuzlu qaynaqda iynə dəliklərinə birbaşa verilir. Qoruyucu qaz yalnız iş parçasının səthindəki plazma buludunu deyil, həmçinin iynə dəlikləri daxilindəki plazmanı və iynə dəliklərinin əmələ gəlməsini də təsir edir; bu da nüfuz dərinliyini daha da artıraraq ideal dərinlik-en nisbətinə malik qaynaq əldə etməyə imkan verir. Bununla belə, bu üsul qaz axını sürəti və istiqamətinin dəqiq idarə edilməsini tələb edir; əks halda, turbulens asanlıqla yaranır, erimiş bulaq zədələnir və qaynaq prosesi sabitsizlik göstərir.

Linzin fokus məsafəsi

Qaynaq zamanı lazer adətən fokuslanır; bu, adətən 63–254 mm (2,5 ”~10”fokuslanan ləkənin ölçüsü fokus məsafəsi ilə birbaşa mütənasibdir; fokus məsafəsi qısa olduqda, ləkə də kiçik olur. Bununla belə, fokus məsafəsi həmçinin fokus dərinliyini təsir edir, yəni fokus dərinliyi fokus məsafəsi ilə mütənasib olaraq artır. Beləliklə, daha qısa fokus məsafəsi güc sıxlığını artırmağa imkan verir, lakin səthi fokus dərinliyi səbəbindən obyektivlə iş parçası arasındakı məsafə dəqiq qorunmalıdır və nüfuz dərinliyi də məhdudlaşır. Qaynaq zamanı püskürmə və lazer rejimi tərəfindən yaranan təsirlər nəticəsində praktikada istifadə olunan ən qısa fokus məsafəsi adətən 126 mm (5"-dir. ”birləşmə böyük olduqda və ya ləkə ölçüsünü artırmaqla qaynaq ölçüsünü genişləndirmək tələb olunduqda, fokus məsafəsi 254 mm (10" olan obyektiv seçilməlidir. ”bu halda, dərin nüfuzlu açıq kanal effekti əldə etmək üçün daha yüksək lazer çıxış gücü (güc sıxlığı) tələb olunur.

Lazer gücü 2 kVt-dən artıq olduqda, xüsusilə 10.6 μ cO₂ lazer şüaları, optik sistemdə xüsusi optik materiallardan istifadə olunması səbəbindən, fokuslanma linzasına optik zərər verməmək üçün çox vaxt əks etdirən fokuslama üsulu tətbiq olunur. Parlaq mis güzgülər adətən əks etdiricilər kimi istifadə olunur. Onların effektiv soyutma xüsusiyyətləri səbəbindən yüksək güclü lazer şüalarının fokuslanmasında tez-tez tövsiyə olunurlar.

Fokus pozisiyası

Qaynaq zamanı fokusun mövqeyi kifayət qədər yüksək güc sıxlığını saxlamaq üçün çox vacibdir. Fokusun emal edilən səthə nisbi mövqeyində baş verən dəyişikliklər birbaşa qaynaq eni və dərinliyini təsir edir. Şəkil 2-6 1018 poladında fokusun mövqeyinin nüfuz dərinliyi və qaynaq eninə təsirini göstərir.

Çoxlu lazer qaynağı tətbiqlərində fokus, adətən, arzu olunan nüfuz dərinliyini əldə etmək üçün emal edilən səthin altına təxminən dörddə bir hissəsi qədər yerləşdirilir.

Lazer Şüasının Mövqeyi

Lazer qaynağı ilə müxtəlif materialların birləşdirilməsində lazer şüasının mövqeyi son qaynaq keyfiyyətini müəyyən edir, xüsusilə də lap (üst-üstə) qoşulmalara nisbətən daha həssas olan kənar-qarşı qoşulmalarda. Məsələn, sərtləşdirilmiş polad dişli çarkı aşağı karbonlu polad barabanla qaynatdıqda, düzgün lazer şüasının mövqeyinin idarə edilməsi nəticəsində əsasən aşağı karbonlu komponentlərdən ibarət olan və çatlamalara qarşı daha yaxşı müqavimət göstərən bir qaynaq əldə edilir. Bəzi tətbiqlərdə qaynatılacaq detalin həndəsi forması lazer şüasının müəyyən bucaq altında meyl etdirilməsini tələb edir. Şüa oxu ilə qoşulma müstəvisi arasındakı meyl bucağı 100 dərəcədən az olduqda detalin lazer enerjisinə udulması təsirlənmir.

Qaynağın başlanğıc və son nöqtələrində lazer gücünün artırılması və azaldılması idarəsi

Lazer dərin nüfuzlu qaynaq zamanı, qaynaq dərinliyindən asılı olmayaraq, həmişə delik fenomeni müşahidə olunur. Qaynaq prosesi başa çatdıqda və enerji verən düymə söndürüləndə, qaynağın sonunda bir çuxur əmələ gəlir. Bundan əlavə, lazer qaynaq təbəqəsi orijinal qaynağı örtəndə lazer şüasının artıq udulması baş verə bilər ki, bu da qaynaq məhsulunda aşırı istiləşməyə və ya porozluğa səbəb olar.

Bu fenomenləri qarşısını almaq üçün gücün başlanğıc və son nöqtələri proqramlaşdırıla bilər ki, beləliklə gücün başlanğıc və son vaxtları tənzimlənə bilər. Yəni başlanğıc gücü elektron şəkildə sıfırdan quraşdırılmış güc dəyərinə qədər qısa müddət ərzində artırılır və qaynaq müddəti tənzimlənir. Nəhayət, qaynaq prosesinin sonunda güc quraşdırılmış dəyərdən sıfıra qədər postepen azaldılır.

3. Lazer dərin nüfuzlu qaynağın xarakteristikaları, üstünlükləri və çatışmazlıqları

Lazer dərin nüfuzlu qaynağın xarakteristikaları

1) Yüksək nisbətli profil. 1) **Dərin və dar qaynaq:** Çünki ərimiş metal silindrik yüksək temperaturlu buxar boşluğunu əhatə edir və iş parçası istiqamətində uzanır, buna görə də qaynaq dərin və dar olur.

2) **Minimum istilik girişi:** Açılışın daxilindəki çox yüksək temperatur səbəbindən ərimə prosesi çox sürətlə baş verir və nəticədə iş parçasına verilən istilik miqdarı çox az olur; bu da istiliyə bağlı deformasiya və istilik təsir zonasını minimuma endirir.

3) **Yüksək sıxlıq:** Yüksək temperaturlu buxarla dolu açılış qaynaq banyosunun qarışdırılmasına və qazların çıxmasına şərait yaradır ki, bu da porozluqdan azad, tam penetrasiyalı qaynaq əmələ gətirir. Qaynaqdan sonra yüksək soyuma sürəti qaynaq mikrostrukturunu daha da incələdir.

4) **Güclü qaynaq:** İntensiv istilik mənbəyi və qeyri-metallik komponentlərin tam udulması qaynaq banyosundakı qatışığın miqdarını azaldır və daxil olmaqların ölçüsünü və paylanmasını dəyişdirir. Qaynaq prosesi elektrodlar və ya doldurucu tel tələb etmir, nəticədə ərimiş zonada kontaminasiya azalır və bu da qaynağın möhkəmliyini və sürtünməyə davamlılığını ən azı bazov metalın möhkəmliyi və sürtünməyə davamlılığı ilə bərabər, hətta ondan artıq edir.

5) **Dəqiq nəzarət:** Fokuslanmış ləkə çox kiçik olduğu üçün qaynaq dəqiq yerləşdirilə bilər. Lazer çıxışı "inertsiyası" yoxdur, bu da yüksək sürətlərdə sürətli dayanma və yenidən başlamağa imkan verir. CNC şüa hərəkəti texnologiyası mürəkkəb detalların qaynağını mümkün edir. 6) Qontakt olmayan atmosfer şəraitində qaynaq prosesi. Enerji foton şüasından gəldiyi üçün iş parçası ilə fiziki kontakt yoxdur və beləliklə, iş parçasına heç bir xarici qüvvə tətbiq olunmur. Bundan əlavə, maqnetizm və hava lazer üzərində heç bir təsir göstərmir.

Lazer dərin nüfuzlu qaynağının üstünlükləri

1) Fokuslanmış lazerlərin ənənəvi üsullara nisbətən çox daha yüksək güc sıxlığına malik olması səbəbindən, qaynaq sürəti yüksəkdir, isti təsir zonası və deformasiya kiçikdir və titan kimi qaynaqlanması çətin olan materialları qaynaqlamaq mümkündür.

2) Lazer şüasının ötürülməsi və idarə edilməsi asan olduğu üçün qaynaq qurğuları və nazolların tez-tez dəyişdirilməsinə ehtiyac yoxdur və elektron şüa qaynağı üçün vakuum yaratmaq lazım deyil; bu da dayanma müddətini əhəmiyyətli dərəcədə azaldır və nəticədə yüksək yükləmə əmsalı və istehsalat səmərəliliyi əldə olunur.

3) Təmizləyici təsir və yüksək soyuma sürəti səbəbindən qaynaq birləşməsinin möhkəmliyi, plastikliyi və ümumi performansı yüksəkdir.

4) Orta istilik girişi aşağı olduğu üçün emal dəqiqliyi yüksəkdir və təkrar emal xərcləri azalır; bundan əlavə, lazer qaynağının işlətmə xərcləri də daha aşağıdır, beləliklə, detalların emal xərcləri azalır.

5) Şüa intensivliyi və dəqiq yerləşdirmə effektiv şəkildə idarə edilə bilər, bu da avtomatlaşdırılmış əməliyyatları asanlaşdırır.

Lazer dərinlik qaynağının mənfi cəhətləri

1) Qaynaq dərinliyinin məhdudluğu.

2) İş parçasının montajı üçün yüksək tələblər.

3) Laser sistemlərinə ilk investisiya yüksəkdir.