Лазерна технология

1. Принцип на лазерното заваряване

Лазерното заваряване може да се извърши чрез непрекъснати или импулсни лазерни лъчи. Принципът на лазерното заваряване може да се раздели на заваряване чрез топлопроводност и дълбоко проникващо лазерно заваряване. Плътността на мощността по-малка от 10 ⁴ ~10⁵ W/cm ² е заваряване чрез топлопроводност, характеризиращо се с плитко проникване и бавна скорост на заваряване. Когато плътността на мощното излъчване надвишава 10 ⁵ ~10⁷ W/cm ² , повърхността на метала се нагрява, образувайки „кавитети“, и се формира заваряване с дълбоко проникване, което се характеризира с висока скорост на заваряване и голямо съотношение дълбочина/ширина.

Принципът на лазерното заваряване чрез топлопроводност е следният: лазерното излъчване нагрява обработваната повърхност, а топлината от повърхността се разпространява навътре чрез топлопроводност. Чрез контролиране на лазерните параметри – като ширина, енергия, пиковата мощност и честотата на повторение на лазерния импулс – загряваният материал се стопява и се формира определен течнокапков резервоар.

Лазерните заваръчни машини, използвани за заваряване на зъбчати колела и за заваряване на тънки металургични листове, предимно прилагат лазерно заваряване с дълбоко проникване. Принципът на лазерното заваряване с дълбоко проникване ще бъде разгледан подробно по-долу.

Лазерното заваряване с дълбоко проникване обикновено използва непрекъснат лазерен лъч за съединяване на материали. Неговата металургична физика е много подобна на тази при електронно-лъчевото заваряване, като механизмът на преобразуване на енергията се осъществява чрез структура, наречена „ключова дупка“. При достатъчно висока плътност на лазерната мощност материалът изпарява и образува ключова дупка. Тази пълна с пара ключова дупка действа като черно тяло и поглъща почти цялата енергия на падащия лъч. Равновесната температура вътре в ключовата дупка достига приблизително 2500 °В. Топлината се предава от външната стена на този високотемпературен ключов отвор, което стопява метала около него. Ключовият отвор е изпълнен с високотемпературна пара, генерирана чрез непрекъснатото изпаряване на материалите от стената под облъчване с лазерен лъч. Стените на ключовия отвор обгръщат разтопения метал, а течният метал обгръща твърдия материал (при повечето конвенционални процеси на заваряване и при лазерно проводимо заваряване енергията първо се предава върху повърхността на заготовката, а след това се пренася към вътрешността ѝ). Течното течение и повърхностното напрежение извън стените на ключовия отвор поддържат динамично равновесие с непрекъснато генерираното парно налягане вътре в ключовия отвор. Докато лазерният лъч непрекъснато прониква в ключовия отвор, материала извън него продължава да тече. При движението на лазерния лъч ключовият отвор остава в устойчиво течение. С други думи, отворът и разтопеният метал около него се придвижват напред със същата скорост като насочващия лъч. Разтопеният метал запълва празнините, останали след оттеглянето на отвора, и след това се затвърдява, образувайки заваръчен шев. Всичко това протича толкова бързо, че скоростта на заваряване лесно може да достигне няколко метра в минута.

2. Основни параметри на процеса при лазерно заваряване с дълбоко проникване

Лазерна мощност

Лазерното заваряване включва прагова стойност на плътността на лазерната енергия. Под този праг дълбочината на проникване е малка; след достигането или надхвърлянето му дълбочината на проникване се увеличава значително. Плазмата се образува само когато плътността на лазерната мощност върху обработваната част надхвърли този праг (зависи от материала), което означава началото на стабилно заваряване с дълбоко проникване. Ако лазерната мощност е под този праг, върху обработваната част се наблюдава само повърхностно топене, т.е. заваряването протича в стабилен режим на топлопроводност. Когато плътността на лазерната мощност е близо до критичното условие за формиране на ключова дупка, заваряването с дълбоко проникване и заваряването чрез топлопроводност се редуват, което води до нестабилен заваръчен процес с големи колебания в дълбочината на проникване. При лазерното заваряване с дълбоко проникване лазерната мощност едновременно регулира както дълбочината на проникване, така и скоростта на заваряване. Дълбочината на проникване на заварката е пряко свързана с плътността на мощността на лъча и представлява функция от въздействащата мощност на лъча и фокусното петно на лъча. Обикновено при лазерен лъч с определен диаметър дълбочината на проникване се увеличава с нарастването на мощността на лъча.

Фокусно петно на лъча

Размерът на петното на лъча е една от най-важните променливи при лазерно заваряване, тъй като определя плътността на мощността. Измерването му за лазери с висока мощност обаче е предизвикателство, въпреки наличието на множество косвени методи за измерване.

Дифракционно ограничената големина на петното на лазерния лъч може да се изчисли въз основа на оптичната дифракционна теория. Поради аберациите в фокусиращата леща обаче действителната големина на петното е по-голяма от изчислената стойност. Най-простият практически метод за измерване е методът на изотермичната профилометрия, при който се изгаря дебел лист хартия и се пробива поли-пропиленова плоча, преди да се измери фокусното петно и диаметърът на пробивното отверстие. Този метод изисква практически измерване, за да се овладеят лазерната мощност и продължителността на контакт на лъча.

Стойност на абсорбцията на материала

Абсорбцията на лазерна светлина от материал зависи от няколко важни свойства, като например абсорбтивност, рефлективност, топлопроводност, температура на топене и температура на изпаряване, като най-важното от тях е абсорбтивността.

Факторите, които влияят върху абсорбтивността на материала към лазерния лъч, включват два аспекта: Първо, омичното съпротивление на материала. Измерванията на абсорбтивността на полирани повърхности показват, че абсорбтивността е пропорционална на квадратния корен от омичното съпротивление, което пък варира в зависимост от температурата. Второ, състоянието на повърхността (или гладкостта) на материала оказва значително влияние върху абсорбтивността на лъча и по този начин силно влияе върху ефекта от заварката.

Изходната дължина на вълната на CO2 лазер обикновено е 10,6 μ м. Неметалните материали, като керамика, стъкло, гума и пластмаси, имат висок коефициент на абсорбция при стайна температура, докато металните материали абсорбират лошо при стайна температура, като абсорбцията им рязко нараства едва след топене или дори изпаряване на материала. Повърхностните покрития или оксидните филми са ефективни методи за подобряване на абсорбцията на лазерния лъч от материала.

Скорост на заваряване

Скоростта на заваряване оказва значително влияние върху дълбочината на проникване на заваръчната шева. Увеличаването на скоростта води до по-плитко проникване, докато прекалено ниската скорост предизвиква прекомерно топене и пробиване. Следователно за конкретен материал при дадена лазерна мощност и дебелина съществува подходящ диапазон от скорости на заваряване, в който може да се постигне максимална дълбочина на проникване. Фигура 10-2 показва зависимостта между скоростта на заваряване и дълбочината на проникване за стомана 1018.

Защитен газ

Инертните газове често се използват за защита на течната вана по време на лазерно заваряване. Въпреки че окисляването на повърхността може да не е проблем за определени материали, хелият, аргонът и азотът обикновено се използват в повечето приложения, за да се предотврати окисляването на заготовката по време на заваряване.

Хелият се йонизира слабо (но има висока йонизационна енергия), което позволява на лазерния лъч да преминава гладко и да достигне повърхността на заготовката непречено. Това е най-ефективният защитен газ, използван при лазерно заваряване, но е относително скъп.

Аргонът е по-евтин и има по-висока плътност, което осигурява добра защита. Въпреки това той се йонизира лесно от високотемпературната метална плазма, която частично екранира лъча и попречва на неговото достигане до заготовката, намалявайки ефективната лазерна мощност и увреждайки скоростта и проникването при заваряване. Заварките, защитени с аргон, имат по-гладки повърхности в сравнение с тези, защитени с хелий.

Азотът е най-евтиният защитен газ, но не е подходящ за заваряване на определени видове неръждаема стомана, предимно поради металургични проблеми като абсорбция, която понякога може да причини пори в зоната на съединението.

Втора функция на защитните газове е да предпазват фокусиращата леща от замърсяване с метални пари и разпръскване на течни капки. Това е особено важно при лазерно заваряване с висока мощност, където изхвърлените материали стават много интензивни.

Трета функция на защитните газове е тяхната ефективност при разсейване на плазмата, генерирана от лазерно заваряване с висока мощност. Металната пара поглъща лазерния лъч и се йонизира, образувайки облак от плазма. Защитният газ, заобикалящ металната пара, също се йонизира поради нагряването. Ако има твърде много плазма, лазерният лъч се поглъща до известна степен от плазмата. Плазмата съществува като вторичен източник на енергия върху работната повърхност, което води до по-плитко проникване на заварката и по-широк заваръчен басейн. Скоростта на рекомбинация на електроните се увеличава чрез повишаване на сблъсъците между електрони, йони и неутрални атоми, като по този начин се намалява електронната плътност в плазмата. Колкото по-леки са неутралните атоми, толкова по-висока е честотата на сблъсъците и скоростта на рекомбинация; от друга страна, само защитен газ с висока енергия на йонизация може да предотврати увеличаването на електронната плътност поради йонизацията на самия газ.

Големината на плазменото облак зависи от използвания защитен газ, като хелият има най-малкия размер, следван от азота, а аргонът – най-големия. По-голямата големина на плазменото облак води до по-плитко проникване при заваряването. Тази разлика се дължи предимно на различната степен на йонизация на молекулите на газа, както и на разликите в дифузията на металната пара, причинени от различните плътности на защитните газове.

Хелият има най-ниска йонизационна енергия и плътност, което му позволява бързо да измести изкачващата се метална пара от течната метална баня. Следователно използването на хелий като защитен газ максимално потиска образуването на плазма, увеличавайки по този начин проникването при заваряването и скоростта на заваряване; неговата малка маса също допринася за лесното му излизане, намалявайки вероятността от пори. Въпреки това, според нашите практически резултати от заваряване, защитата с аргон се е оказало доста ефективна.

Влиянието на плазмената облачност върху проникването при заваряване е най-изразено при ниски скорости на заваряване. Това влияние намалява с увеличаване на скоростта на заваряване.

Защитният газ се изхвърля под определено налягане през дюза и достига повърхността на обработваната детайл. Хидродинамичната форма на дюзата и диаметърът на изходното отверстие са от решаващо значение. Защитният газ трябва да е достатъчно обилен, за да покрива повърхността за заваряване, но размерът на дюзата трябва да е ограничен, за да се осигури ефективна защита на лещата и да се предотврати замърсяването от метални пари или повредите от разпръснати метални капки. Скоростта на подаване също трябва да се контролира; в противен случай ламинарният поток на защитния газ ще стане турбулентен, атмосферният въздух ще бъде увлечён в течната вана и в крайна сметка ще се образуват пори.

За подобряване на ефекта от защитата може да се използва допълнителен латерален метод за подаване на защитен газ, при който защитният газ се инжектира директно в пората на дълбокото проникващо заваръчно съединение чрез сопло с по-малък диаметър под определен ъгъл. Защитният газ не само потиска плазмената облачност на повърхността на обработваната част, но също така влияе върху плазмата вътре в пората и формирането на пората, което допълнително увеличава дълбочината на проникване и осигурява заваръчно съединение с идеално съотношение дълбочина/ширина. Този метод обаче изисква прецизен контрол върху скоростта на подаване и посоката на газа; в противен случай лесно могат да възникнат турбулентности, които повреждат разтопения басейн и правят заваръчния процес нестабилен.

Фокусно разстояние на обектива

По време на заваряване лазерът обикновено се фокусира, най-често чрез лещи с фокусни разстояния от 63 до 254 мм (2,5 ”~10”размерът на фокусираното петно е директно пропорционален на фокусното разстояние; колкото по-късо е фокусното разстояние, толкова по-малко е петното. Всъщност фокусното разстояние също влияе върху дълбочината на фокуса, като дълбочината на фокуса нараства пропорционално с фокусното разстояние. Следователно по-късото фокусно разстояние може да увеличи плътността на мощността, но поради плитката дълбочина на фокуса разстоянието между лещата и обработваната детайл трябва да се поддържа с голяма точност, а също така е ограничена и дълбочината на проникване. Поради влиянието на разпръснатия материал („съска“) и лазерния режим, генерирани по време на заваряване, най-късото практически използвано фокусно разстояние при заваряване обикновено е 126 мм (5 ”когато съединението е голямо или когато е необходимо да се увеличи размерът на заваръчния шев чрез увеличаване на размера на фокусираното петно, може да се избере леща с фокусно разстояние 254 мм (10 ”) В този случай, за постигане на ефекта на дълбоко проникваща ключова дупка (keyhole), е необходима по-висока изходна мощност на лазера (по-висока плътност на мощността).

Когато лазерната мощност надвишава 2 kW, особено за 10,6 μ лазерни лъчи с дължина на вълната 10,6 мкм, поради използването на специални оптични материали в оптичната система, често се използва отражателно фокусиране, за да се избегне оптично повреждане на фокусиращата леща. Обикновено се използват полираните медни огледала като отражатели. Поради ефективните им охладителни свойства те често се препоръчват за фокусиране на лазерни лъчи с висока мощност.

Позиция на фокуса

По време на заваряването положението на фокуса е от решаващо значение за поддържане на достатъчна плътност на мощността. Промените в относителното положение на фокуса спрямо повърхността на обработваната детайл директно влияят върху широчината и дълбочината на заваръчния шев. Фигура 2-6 показва влиянието на положението на фокуса върху дълбочината на проникване и широчината на заваръчния шев при стомана 1018.

При повечето лазерни заваръчни приложения фокусът обикновено се позиционира приблизително на една четвърт от дебелината на детайла под повърхността му, за да се постигне желаната дълбочина на проникване.

Положение на лазерния лъч

При лазерното заваряване на различни материали положението на лазерния лъч контролира крайното качество на заварката, особено при стикови съединения, където е по-чувствително в сравнение с нахлупени съединения. Например, при заваряване на зъбчато колело от закалена стомана към барабан от нискоуглеродна стомана правилният контрол върху положението на лазерния лъч води до получаване на заварка, състояща се предимно от компоненти от нискоуглеродна стомана, която притежава по-добра устойчивост към пукнатини. В някои приложения геометрията на заваряваната детайла изисква лазерният лъч да бъде отклонен под ъгъл. Когато ъгълът на отклонение между оста на лъча и равнината на съединението е в границите на 100 градуса, абсорбцията на лазерна енергия от страна на детайла не се влияе.

Контрол върху увеличаването и намаляването на лазерната мощност в началните и крайните точки на заваряването

По време на лазерно заваряване с дълбоко проникване, независимо от дълбочината на заварката, винаги се наблюдава феноменът на образуване на отвор („пинхол“). Когато заваръчният процес приключи и захранването се изключи, в края на заварката се образува вдлъбнатина. Освен това, когато новият лазерен заваръчен слой покрива предишната заварка, може да възникне прекомерно поглъщане на лазерния лъч, което води до прегряване или порестост в заварения шев.

За предотвратяване на тези явления началните и крайните точки на мощността могат да бъдат програмирани така, че времето за включване и изключване на мощността да е регулируемо. Това означава, че началната мощност се увеличава електронно от нула до зададената стойност за кратко време, а времето за заваряване се коригира. Накрая, в края на заваряването мощността постепенно намалява от зададената стойност до нула.

3. Характеристики, предимства и недостатъци на лазерното заваряване с дълбоко проникване

Характеристики на лазерното заваряване с дълбоко проникване

1) Високо съотношение на височина към ширина. 1) **Дълбок и тесен заваръчен шев:** Тъй като разтопеният метал се формира около цилиндричната пара-кавитетна камера с висока температура и се удължава към обработваната детайл, заваръчният шев става дълбок и тесен.

2) **Минимален топлинен вход:** Поради изключително високата температура вътре в отвора процесът на топене протича много бързо, което води до много нисък топлинен вход към обработваната детайл, минимизирайки топлинната деформация и зоната, засегната от топлината.

3) **Висока плътност:** Отворът, изпълнен с пара при висока температура, подпомага разбъркването на заваръчната вана и отделянето на газовете, което води до заваръчен шев без пори и с пълно проникване. Високата скорост на охлаждане след заваряването допълнително усъвършенства микроструктурата на заваръчния шев.

4) **Силна заварка:** Интензивният източник на топлина и пълното абсорбиране на неметални компоненти намаляват съдържанието на примеси и променят размера и разпределението на включванията в заваръчната вана. Заваръчният процес не изисква електроди или допълнителна жица, което води до по-малко замърсяване в течната зона и прави якостта и ударната вязкост на заварката поне равни на тези на основния метал, а често дори по-високи.

5) **Точно управление:** Тъй като фокусираният лъч е много малък, заварката може да се позиционира точно. Лазерният изход няма „инерция“, което позволява бързо спиране и рестартиране при високи скорости. Технологията за движение на лъча чрез ЧПУ осигурява възможността за заваряване на сложни детайли. 6) Безконтактен атмосферен заваръчен процес. Тъй като енергията идва от фотонен лъч, няма физически контакт с детайла и следователно не се прилага външна сила върху него. Освен това магнетизмът и въздухът нямат влияние върху лазера.

Преимущества на лазерното дълбоко проникващо заваряване

1) Поради значително по-високата плътност на мощността на фокусираните лазери в сравнение с конвенционалните методи скоростта на заваряване е висока, зоната, засегната от топлината, и деформацията са малки, а могат да се заваряват трудно заваряеми материали като титана.

2) Тъй като лъчът лесно се предава и контролира, няма нужда от чести смяни на заваръчните горелки и дюзите, както и от вакуумиране (както при електроннолъчевото заваряване), което значително намалява простоите и води до висок коефициент на товар и висока производствена ефективност.

3) Поради очистителния ефект и високата скорост на охлаждане заваръчната шев има висока якост, ударна вязкост и обща издръжливост.

4) Поради ниската средна топлинна мощност, подавана в процеса, точността на обработката е висока, което намалява разходите за повторна обработка; освен това експлоатационните разходи при лазерното заваряване също са по-ниски, което намалява разходите за обработка на детайлите.

5) Интензитетът на лъча и прецизното му позициониране могат да се контролират ефективно, което улеснява автоматизираната работа.

Недостатъци на дълбокото лазерно заваряване

1) Ограничена дълбочина на заваряване.

2) Високи изисквания към сглобяването на заготовките.

3) Високи първоначални инвестиции в лазерните системи.