Τεχνολογία Λέιζερ

1. Αρχή της λέιζερ συγκόλλησης

Η συγκόλληση με λέιζερ μπορεί να επιτευχθεί με συνεχείς ή παλμικές δέσμες λέιζερ. Η αρχή της συγκόλλησης με λέιζερ διαχωρίζεται σε συγκόλληση με μεταφορά θερμότητας και βαθιά διεισδυτική συγκόλληση με λέιζερ. Η πυκνότητα ισχύος μικρότερη των 10 ⁴ ~10⁵ Π/ΕΚ ² είναι συγκόλληση μέσω θερμικής αγωγιμότητας, χαρακτηριζόμενη από επιφανειακή διείσδυση και αργή ταχύτητα συγκόλλησης. Όταν η πυκνότητα ισχύος είναι μεγαλύτερη των 10 ⁵ ~10⁷ Π/ΕΚ ² , η επιφάνεια του μετάλλου θερμαίνεται, δημιουργώντας «κοιλότητες» και σχηματίζοντας συγκόλληση με βαθιά διείσδυση, η οποία χαρακτηρίζεται από υψηλή ταχύτητα συγκόλλησης και μεγάλο λόγο βάθους προς πλάτος.

Η αρχή της συγκόλλησης με λέιζερ μέσω θερμικής αγωγιμότητας είναι η εξής: η ακτινοβολία του λέιζερ θερμαίνει την επιφάνεια που πρόκειται να επεξεργαστεί, και η θερμότητα από την επιφάνεια διαδίδεται προς τα μέσα μέσω θερμικής αγωγιμότητας. Με τον έλεγχο παραμέτρων του λέιζερ, όπως του πλάτους, της ενέργειας, της πικ-ισχύος και της συχνότητας επανάληψης του λέιζερ, το τεμάχιο λιώνει, σχηματίζοντας έναν συγκεκριμένο λιωμένο κολοβό.

Οι μηχανές συγκόλλησης με λέιζερ που χρησιμοποιούνται για τη συγκόλληση γραναζιών και για τη συγκόλληση λεπτών μεταλλικών ελασμάτων αφορούν κυρίως τη βαθιά συγκόλληση με λέιζερ. Η αρχή της βαθιάς συγκόλλησης με λέιζερ θα συζητηθεί λεπτομερώς παρακάτω.

Η λέιζερ συγκόλληση με βαθιά διείσδυση χρησιμοποιεί συνήθως μια συνεχή λέιζερ δέσμη για τη σύνδεση υλικών. Η μεταλλουργική φυσική της είναι πολύ παρόμοια με αυτήν της συγκόλλησης με δέσμη ηλεκτρονίων, ενώ ο μηχανισμός μετατροπής της ενέργειας επιτυγχάνεται μέσω μιας δομής «οπής-κλειδιού» (keyhole). Υπό επαρκή πυκνότητα ισχύος της λέιζερ ακτινοβολίας, το υλικό εξατμίζεται και σχηματίζει μια οπή-κλειδί. Αυτή η γεμάτη ατμό οπή-κλειδί λειτουργεί ως μαύρο σώμα, απορροφώντας σχεδόν όλη την ενέργεια της προσπίπτουσας δέσμης. Η θερμοκρασία ισορροπίας εντός της οπής-κλειδιού φθάνει περίπου στους 2500 °Γ. Η θερμότητα μεταφέρεται από το εξωτερικό τοίχωμα αυτής της υψηλής θερμοκρασίας «οπής-κλειδαριάς» (keyhole), προκαλώντας την τήξη του μετάλλου που την περιβάλλει. Η οπή-κλειδαριά γεμίζει με ατμό υψηλής θερμοκρασίας, ο οποίος δημιουργείται συνεχώς από την εξάτμιση του υλικού του τοιχώματος υπό την επίδραση της δέσμης. Τα τοιχώματα της οπής-κλειδαριάς περιβάλλουν την τηκτή μεταλλική μάζα, ενώ η υγρή μεταλλική μάζα περιβάλλει το στερεό υλικό (στις περισσότερες συμβατικές διαδικασίες συγκόλλησης και στη συγκόλληση με λέιζερ με μεταφορά θερμότητας, η ενέργεια προσδίδεται πρώτα στην επιφάνεια του εξαρτήματος και στη συνέχεια μεταφέρεται στο εσωτερικό του). Η ροή του υγρού μετάλλου και η επιφανειακή τάση έξω από τα τοιχώματα της οπής-κλειδαριάς διατηρούν μια δυναμική ισορροπία με τη συνεχώς παραγόμενη πίεση ατμού εντός της οπής-κλειδαριάς. Καθώς η δέσμη λέιζερ εισέρχεται συνεχώς στην οπή-κλειδαριά, το υλικό έξω από αυτήν συνεχίζει να ρέει. Καθώς η δέσμη λέιζερ μετακινείται, η οπή-κλειδαριά παραμένει σε μια σταθερή κατάσταση ροής. Με άλλα λόγια, η οπή-κλειδαριά και το περιβάλλον τηκτό μέταλλο μετακινούνται προς τα εμπρός με την ίδια ταχύτητα με την κατευθυντήρια δέσμη. Το τηκτό μέταλλο γεμίζει τα κενά που απομένουν μετά την απομάκρυνση της οπής-κλειδαριάς και στη συνέχεια στερεοποιείται, σχηματίζοντας έτσι τη συγκόλληση. Όλη αυτή η διαδικασία λαμβάνει χώρα τόσο γρήγορα, ώστε οι ταχύτητες συγκόλλησης να φθάνουν εύκολα σε αρκετά μέτρα ανά λεπτό.

2. Βασικές Παράμετροι Διαδικασίας της Λέιζερ Συγκόλλησης Μεγάλου Βάθους

Ισχύς λέιζερ

Η συγκόλληση με λέιζερ περιλαμβάνει ένα κατώφλι πυκνότητας ενέργειας λέιζερ. Κάτω από αυτό το κατώφλι, το βάθος διείσδυσης είναι επιφανειακό· όταν αυτό το κατώφλι επιτευχθεί ή υπερβεί, το βάθος διείσδυσης αυξάνεται σημαντικά. Το πλάσμα δημιουργείται μόνο όταν η πυκνότητα ισχύος του λέιζερ στο εξάρτημα υπερβαίνει αυτό το κατώφλι (εξαρτώμενο από το υλικό), σηματοδοτώντας την έναρξη της σταθερής βαθιάς διείσδυσης στη συγκόλληση. Εάν η ισχύς του λέιζερ είναι κάτω από αυτό το κατώφλι, πραγματοποιείται μόνο επιφανειακή τήξη στο εξάρτημα, πράγμα που σημαίνει ότι η συγκόλληση πραγματοποιείται σε σταθερή λειτουργία αγωγιμότητας θερμότητας. Όταν η πυκνότητα ισχύος του λέιζερ βρίσκεται κοντά στην κρίσιμη συνθήκη για τον σχηματισμό της «οπής κλειδαριάς» (keyhole), η βαθιά διείσδυση στη συγκόλληση και η συγκόλληση με αγωγιμότητα εναλλάσσονται, με αποτέλεσμα μια ασταθή διαδικασία συγκόλλησης με μεγάλες διακυμάνσεις στο βάθος διείσδυσης. Στη συγκόλληση με λέιζερ βαθιάς διείσδυσης, η ισχύς του λέιζερ ελέγχει ταυτόχρονα το βάθος διείσδυσης και την ταχύτητα συγκόλλησης. Το βάθος διείσδυσης της συγκόλλησης σχετίζεται άμεσα με την πυκνότητα ισχύος της δέσμης και αποτελεί συνάρτηση της προσπίπτουσας ισχύος της δέσμης και του εστιακού σημείου της δέσμης. Γενικά, για μια δέσμη λέιζερ συγκεκριμένης διαμέτρου, το βάθος διείσδυσης αυξάνεται με την αύξηση της ισχύος της δέσμης.

Εστιακό Σημείο Δέσμης

Το μέγεθος της κηλίδας της δέσμης είναι μία από τις πιο σημαντικές μεταβλητές στη λέιζερ συγκόλληση, καθώς καθορίζει την πυκνότητα ισχύος. Ωστόσο, η μέτρησή του για λέιζερ υψηλής ισχύος είναι δύσκολη, παρά την ύπαρξη πολλών έμμεσων μεθόδων μέτρησης.

Το θεωρητικό μέγεθος της κηλίδας της δέσμης λέιζερ, που περιορίζεται από την περίθλαση, μπορεί να υπολογιστεί με βάση τη θεωρία της οπτικής περίθλασης. Ωστόσο, λόγω των εκτροπών (αβλεψιών) στο φακό εστίασης, το πραγματικό μέγεθος της κηλίδας είναι μεγαλύτερο από την υπολογιζόμενη τιμή. Η απλούστερη πρακτική μέθοδος μέτρησης είναι η μέθοδος ισοθερμικής προφιλομετρίας, η οποία περιλαμβάνει την καύση ενός παχύ φύλλου χαρτιού και τη διάτρηση μιας πλάκας πολυπροπυλενίου, προτού μετρηθεί η εστιακή κηλίδα και η διάμετρος της διατρητικής οπής. Αυτή η μέθοδος απαιτεί πρακτική εκμάθηση για τον έλεγχο της ισχύος του λέιζερ και της διάρκειας επαφής της δέσμης.

Τιμή Απορρόφησης Υλικού

Η απορρόφηση του λέιζερ από ένα υλικό εξαρτάται από διάφορες σημαντικές ιδιότητες, όπως η απορροφητικότητα, η ανακλαστικότητα, η θερμική αγωγιμότητα, η θερμοκρασία τήξης και η θερμοκρασία εξάτμισης, με την απορροφητικότητα να είναι η πιο σημαντική.

Οι παράγοντες που επηρεάζουν την απορροφητικότητα ενός υλικού σε μια δέσμη λέιζερ περιλαμβάνουν δύο πτυχές: Πρώτον, η αντίσταση του υλικού. Μετρήσεις της απορροφητικότητας λείων επιφανειών δείχνουν ότι η απορροφητικότητα είναι ανάλογη της τετραγωνικής ρίζας της αντίστασης, η οποία με τη σειρά της μεταβάλλεται με τη θερμοκρασία. Δεύτερον, η κατάσταση της επιφάνειας (ή η ομαλότητα) του υλικού έχει σημαντική επίδραση στην απορροφητικότητα της δέσμης, επηρεάζοντας κατά συνέπεια σημαντικά το αποτέλεσμα της συγκόλλησης.

Το κύμα εξόδου ενός λέιζερ CO₂ είναι συνήθως 10,6 μ μ. Μη μεταλλικά υλικά, όπως τα κεραμικά, το γυαλί, το καουτσούκ και οι πλαστικές, έχουν υψηλό ποσοστό απορρόφησης σε θερμοκρασία δωματίου, ενώ τα μεταλλικά υλικά το απορροφούν κακώς σε θερμοκρασία δωματίου, με την απορρόφηση να αυξάνεται απότομα μόνο όταν το υλικό λιώνει ή ακόμη και εξατμίζεται. Οι επιφανειακές επιστρώσεις ή οι οξειδωμένες μεμβράνες αποτελούν αποτελεσματικές μεθόδους βελτίωσης της απορρόφησης της λέιζερ δέσμης από το υλικό.

Ταχύτητα συγκόλλησης

Η ταχύτητα συγκόλλησης επηρεάζει σημαντικά το βάθος διείσδυσης της συγκόλλησης. Η αύξηση της ταχύτητας οδηγεί σε μικρότερο βάθος διείσδυσης, ενώ η υπερβολικά χαμηλή ταχύτητα προκαλεί υπερτήξη και διάτρηση. Ως εκ τούτου, για ένα συγκεκριμένο υλικό με δεδομένη ισχύ λέιζερ και πάχος, υπάρχει ένα κατάλληλο εύρος ταχυτήτων συγκόλλησης, εντός του οποίου επιτυγχάνεται το μέγιστο βάθος διείσδυσης. Το Σχήμα 10-2 παρουσιάζει τη σχέση μεταξύ της ταχύτητας συγκόλλησης και του βάθους διείσδυσης για χάλυβα 1018.

Προστατευτικό Αέριο

Τα αδρανή αέρια χρησιμοποιούνται συνήθως για την προστασία της λιωμένης λεκάνης κατά τη διάρκεια της λέιζερ συγκόλλησης. Ενώ η οξείδωση της επιφάνειας ενδέχεται να μην αποτελεί πρόβλημα για ορισμένα υλικά, το ήλιο, το αργόνιο και το άζωτο χρησιμοποιούνται συνήθως στις περισσότερες εφαρμογές για να αποτρέψουν την οξείδωση του τεμαχίου εργασίας κατά τη συγκόλληση.

Το ήλιο ιονίζεται δυσκόλως (αλλά έχει υψηλή ενέργεια ιονισμού), επιτρέποντας στην λέιζερ δέσμη να διέρχεται ομαλά και να φτάνει ανεμπόδιστα στην επιφάνεια του τεμαχίου εργασίας. Αυτό αποτελεί το πιο αποτελεσματικό αέριο προστασίας που χρησιμοποιείται στη λέιζερ συγκόλληση, αλλά είναι σχετικά ακριβό.

Το αργόνιο είναι φθηνότερο και έχει μεγαλύτερη πυκνότητα, με αποτέλεσμα να προσφέρει καλή προστασία. Ωστόσο, ιονίζεται εύκολα από το πλάσμα μετάλλου υψηλής θερμοκρασίας, γεγονός που αποτρέπει τμήμα της δέσμης από το να φτάσει στο τεμάχιο εργασίας, μειώνοντας την αποτελεσματική ισχύ της λέιζερ και επιδρώντας αρνητικά στην ταχύτητα και το βάθος διείσδυσης της συγκόλλησης. Οι συγκολλήσεις που προστατεύονται με αργόνιο παρουσιάζουν λείοτερες επιφάνειες σε σύγκριση με εκείνες που προστατεύονται με ήλιο.

Το άζωτο είναι το φθηνότερο προστατευτικό αέριο, αλλά δεν είναι κατάλληλο για τη συγκόλληση ορισμένων τύπων ανοξείδωτου χάλυβα, κυρίως λόγω μεταλλουργικών προβλημάτων, όπως η απορρόφηση, η οποία μερικές φορές μπορεί να προκαλέσει πόρους στην περιοχή της σύνδεσης.

Μια δεύτερη λειτουργία των προστατευτικών αερίων είναι η προστασία του εστιακού φακού από την επιμόλυνση από ατμούς μετάλλου και από την εκτόξευση λιωμένων σταγονιδίων. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό στη συγκόλληση με λέιζερ υψηλής ισχύος, όπου το εκτοξευόμενο υλικό γίνεται εξαιρετικά ισχυρό.

Μια τρίτη λειτουργία των αερίων προστασίας είναι η αποτελεσματικότητά τους στη διασπορά του πλάσματος που παράγεται κατά την υψηλής ισχύος συγκόλληση με λέιζερ. Οι μεταλλικοί ατμοί απορροφούν τη δέσμη λέιζερ και ιονίζονται, σχηματίζοντας ένα νέφος πλάσματος. Το προστατευτικό αέριο που περιβάλλει τους μεταλλικούς ατμούς ιονίζεται επίσης λόγω της θέρμανσης. Εάν υπάρχει υπερβολική ποσότητα πλάσματος, η δέσμη λέιζερ καταναλώνεται εν μέρει από το πλάσμα. Το πλάσμα λειτουργεί ως δευτερεύουσα πηγή ενέργειας στην επεξεργαζόμενη επιφάνεια, με αποτέλεσμα να μειώνεται η βαθύτητα της συγκόλλησης και να ευρύνεται η λεκάνη συγκόλλησης. Ο ρυθμός ανασυνδυασμού των ηλεκτρονίων αυξάνεται με την αύξηση των συγκρούσεων μεταξύ ηλεκτρονίων, ιόντων και ουδέτερων ατόμων, μειώνοντας έτσι την πυκνότητα ηλεκτρονίων στο πλάσμα. Όσο ελαφρύτερα είναι τα ουδέτερα άτομα, τόσο υψηλότερη είναι η συχνότητα σύγκρουσης και ο ρυθμός ανασυνδυασμού· από την άλλη πλευρά, μόνο ένα προστατευτικό αέριο με υψηλή ενέργεια ιονισμού μπορεί να εμποδίσει την αύξηση της πυκνότητας ηλεκτρονίων λόγω ιονισμού του ίδιου του αερίου.

Το μέγεθος της πλάσμα-νεφέλης διαφέρει ανάλογα με το προστατευτικό αέριο που χρησιμοποιείται, με το ήλιο να έχει το μικρότερο μέγεθος, ακολουθούμενο από το άζωτο, ενώ το αργόν έχει το μεγαλύτερο. Μια μεγαλύτερη πλάσμα-νεφέλη οδηγεί σε μικρότερη βάθος διείσδυσης της συγκόλλησης. Αυτή η διαφορά οφείλεται κυρίως στο διαφορετικό βαθμό ιονισμού των μορίων του αερίου, καθώς και στις διαφορές στη διάχυση των ατμών του μετάλλου που προκαλούνται από τις διαφορετικές πυκνότητες των προστατευτικών αερίων.

Το ήλιο έχει τον χαμηλότερο βαθμό ιονισμού και πυκνότητα, γεγονός που του επιτρέπει να εκτοπίζει γρήγορα τους ανερχόμενους ατμούς του μετάλλου από τη λιωμένη μεταλλική λίμνη. Ως εκ τούτου, η χρήση ηλίου ως προστατευτικού αερίου καταστέλλει μεγιστοποιημένα το πλάσμα, αυξάνοντας κατά συνέπεια το βάθος διείσδυσης της συγκόλλησης και την ταχύτητα συγκόλλησης· το ελαφρύ βάρος του επιτρέπει επίσης να διαφεύγει εύκολα, μειώνοντας την πιθανότητα παρουσίας πόρων. Ωστόσο, βάσει των πραγματικών αποτελεσμάτων συγκόλλησής μας, η προστασία με αργόν έχει αποδειχθεί ιδιαίτερα αποτελεσματική.

Η επίδραση του πλάσματος στη διείσδυση της συγκόλλησης είναι πιο έντονη σε χαμηλές ταχύτητες συγκόλλησης. Η επίδρασή του μειώνεται καθώς αυξάνεται η ταχύτητα συγκόλλησης.

Το προστατευτικό αέριο εκτοξεύεται με συγκεκριμένη πίεση μέσω μιας ακροφυσίου και φτάνει στην επιφάνεια του εξαρτήματος. Το υδροδυναμικό σχήμα της ακροφυσίου και η διάμετρος της εξόδου είναι κρίσιμα. Το προστατευτικό αέριο πρέπει να είναι επαρκές ώστε να καλύπτει ολόκληρη την επιφάνεια συγκόλλησης, ωστόσο το μέγεθος της ακροφυσίου πρέπει να περιορίζεται για να προστατεύει αποτελεσματικά το φακό και να αποτρέπει την επιμόλυνση από ατμούς μετάλλου ή τη ζημία από σπινθήρες μετάλλου. Ο ρυθμός ροής πρέπει επίσης να ελέγχεται· διαφορετικά, η στρωτή ροή του προστατευτικού αερίου θα μετατραπεί σε τυρβώδη, θα εισχωρήσει ατμοσφαιρικός αέρας στη λιωμένη λεκάνη και τελικά θα δημιουργηθούν πόροι.

Για τη βελτίωση του αποτελέσματος προστασίας, μπορεί να χρησιμοποιηθεί μια επιπλέον πλευρική μέθοδος φυσήματος, κατά την οποία το αέριο προστασίας εισάγεται απευθείας στην τρύπα της βαθιάς διείσδυσης μέσω ακροφυσίου μικρότερης διαμέτρου και υπό συγκεκριμένη γωνία. Το αέριο προστασίας δεν μόνο καταστέλλει το πλάσμα στην επιφάνεια του εξαρτήματος, αλλά επηρεάζει επίσης το πλάσμα εντός της τρύπας και τη διαμόρφωσή της, αυξάνοντας περαιτέρω το βάθος διείσδυσης και επιτυγχάνοντας μια συγκόλληση με ιδανικό λόγο βάθους προς πλάτος. Ωστόσο, αυτή η μέθοδος απαιτεί ακριβή έλεγχο της παροχής και της κατεύθυνσης του αερίου· διαφορετικά, μπορεί εύκολα να προκληθεί τυρβώδες ρεύμα, το οποίο ζημιώνει τη λιωμένη λεκάνη και καθιστά τη διαδικασία συγκόλλησης ασταθή.

Εστιακή Απόσταση Φακού

Κατά τη διάρκεια της συγκόλλησης, η λέιζερ ακτινοβολία εστιάζεται συνήθως, κατά κανόνα με τη χρήση φακών με εστιακές αποστάσεις 63–254 mm (2,5 ”~10”το μέγεθος της εστιασμένης κηλίδας είναι απευθείας ανάλογο προς το εστιακό μήκος· όσο μικρότερο είναι το εστιακό μήκος, τόσο μικρότερη είναι η κηλίδα. Ωστόσο, το εστιακό μήκος επηρεάζει επίσης το βάθος εστίασης, δηλαδή το βάθος εστίασης αυξάνεται ανάλογα με το εστιακό μήκος. Επομένως, ένα μικρότερο εστιακό μήκος μπορεί να αυξήσει την πυκνότητα ισχύος, αλλά λόγω του μικρού βάθους εστίασης, η απόσταση μεταξύ του φακού και του τεμαχίου εργασίας πρέπει να διατηρείται με ακρίβεια, ενώ το βάθος διείσδυσης είναι επίσης περιορισμένο. Λόγω της επίδρασης των σπινθήρων και της λειτουργικής λειτουργίας του λέιζερ κατά τη συγκόλληση, το μικρότερο πραγματικά χρησιμοποιούμενο εστιακό μήκος στη συγκόλληση είναι συχνά 126 mm (5 ”όταν η σύνδεση είναι μεγάλη ή όταν είναι απαραίτητο να αυξηθεί το μέγεθος της συγκόλλησης με την αύξηση του μεγέθους της κηλίδας, μπορεί να επιλεγεί φακός με εστιακό μήκος 254 mm (10 ”) Σε αυτήν την περίπτωση, για να επιτευχθεί ο αποτέλεσματικός εφφέκτης διείσδυσης με σχηματισμό «κλειδαριάς» (keyhole), απαιτείται υψηλότερη έξοδος ισχύος λέιζερ (πυκνότητα ισχύος).

Όταν η ισχύς του λέιζερ υπερβαίνει τα 2 kW, ειδικά για 10,6 μ οι λέιζερ δέσμες CO2 μήκους κύματος μm, λόγω της χρήσης ειδικών οπτικών υλικών στο οπτικό σύστημα, χρησιμοποιούν συνήθως εστίαση με ανάκλαση για να αποφευχθεί η οπτική ζημιά στο φακό εστίασης. Ως ανακλαστικά στοιχεία χρησιμοποιούνται συνήθως γυαλισμένοι χάλκινοι καθρέφτες. Λόγω των αποτελεσματικών ιδιοτήτων ψύξης τους, συνιστώνται συχνά για την εστίαση δέσμεων λέιζερ υψηλής ισχύος.

Θέση Συγκεντρώσεως

Κατά τη διάρκεια της συγκόλλησης, η θέση της εστίας είναι κρίσιμη για τη διατήρηση επαρκούς πυκνότητας ισχύος. Οι αλλαγές στη σχετική θέση της εστίας ως προς την επιφάνεια του τεμαχίου επηρεάζουν άμεσα το πλάτος και το βάθος της συγκόλλησης. Το Σχήμα 2-6 παρουσιάζει την επίδραση της θέσης της εστίας στο βάθος διείσδυσης και το πλάτος της συγκόλλησης σε χάλυβα 1018.

Στις περισσότερες εφαρμογές συγκόλλησης με λέιζερ, η εστία τοποθετείται συνήθως περίπου σε απόσταση ίση με το ένα τέταρτο του πάχους του τεμαχίου κάτω από την επιφάνειά του, προκειμένου να επιτευχθεί το επιθυμητό βάθος διείσδυσης.

Θέση Δέσμης Λέιζερ

Κατά την λέιζερ συγκόλληση διαφορετικών υλικών, η θέση της λέιζερ δέσμης ελέγχει την τελική ποιότητα της συγκόλλησης, ειδικά στις ακροδεξιές συνδέσεις, όπου είναι πιο ευαίσθητη από ό,τι στις επικαλυπτόμενες συνδέσεις. Για παράδειγμα, κατά τη συγκόλληση ενός γραναζιού από σκληρυμένο χάλυβα με έναν κύλινδρο από χάλυβα χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα, ο σωστός έλεγχος της θέσης της λέιζερ δέσμης θα οδηγήσει σε μια συγκόλληση που αποτελείται κυρίως από συστατικά χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα, η οποία παρουσιάζει καλύτερη αντίσταση στη δημιουργία ρωγμών. Σε ορισμένες εφαρμογές, η γεωμετρία του τεμαχίου που πρόκειται να συγκολληθεί απαιτεί την εκτροπή της λέιζερ δέσμης υπό γωνία. Όταν η γωνία εκτροπής μεταξύ του άξονα της δέσμης και του επιπέδου της σύνδεσης είναι μέσα στα 100 μοίρες, η απορρόφηση της λέιζερ ενέργειας από το τεμάχιο δεν επηρεάζεται.

Έλεγχος αύξησης και μείωσης της ισχύος της λέιζερ στα σημεία έναρξης και λήξης της συγκόλλησης

Κατά τη βαθιά διείσδυση με λέιζερ, ανεξάρτητα από το βάθος της συγκόλλησης, το φαινόμενο της οπής (pinhole) υπάρχει πάντοτε. Όταν ολοκληρωθεί η διαδικασία συγκόλλησης και απενεργοποιηθεί ο διακόπτης ισχύος, εμφανίζεται μια ενσορρήκωση (pit) στο τέλος της συγκόλλησης. Επιπλέον, όταν το στρώμα συγκόλλησης με λέιζερ καλύπτει την αρχική συγκόλληση, μπορεί να προκύψει υπερβολική απορρόφηση της δέσμης λέιζερ, με αποτέλεσμα υπερθέρμανση ή πορώδες στο συγκολλητό.

Για να αποφευχθούν αυτά τα φαινόμενα, τα σημεία έναρξης και λήξης της ισχύος μπορούν να προγραμματιστούν ώστε να γίνει ρυθμιζόμενος ο χρόνος έναρξης και λήξης της ισχύος. Δηλαδή, η ισχύς έναρξης αυξάνεται ηλεκτρονικά από το μηδέν στη ρυθμισμένη τιμή ισχύος εντός σύντομου χρονικού διαστήματος, και προσαρμόζεται ο χρόνος συγκόλλησης. Τέλος, στο τέλος της συγκόλλησης, η ισχύς μειώνεται σταδιακά από τη ρυθμισμένη τιμή στο μηδέν.

3. Χαρακτηριστικά, πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της βαθιάς διείσδυσης με λέιζερ

Χαρακτηριστικά της βαθιάς διείσδυσης με λέιζερ

1) Υψηλός λόγος ύψους προς πλάτος. 1) **Βαθιά και στενή συγκόλληση:** Επειδή το λιωμένο μέταλλο σχηματίζεται γύρω από την κυλινδρική κοιλότητα υψηλής θερμοκρασίας που περιέχει ατμό και εκτείνεται προς το τεμάχιο εργασίας, η συγκόλληση γίνεται βαθιά και στενή.

2) **Ελάχιστη εισαγόμενη θερμότητα:** Λόγω της εξαιρετικά υψηλής θερμοκρασίας εντός της οπής, η διαδικασία τήξης πραγματοποιείται πολύ γρήγορα, με αποτέλεσμα πολύ χαμηλή εισαγόμενη θερμότητα στο τεμάχιο εργασίας, ελαχιστοποιώντας τη θερμική παραμόρφωση και τη ζώνη επηρεασμένη από τη θερμότητα.

3) **Υψηλή πυκνότητα:** Η οπή, γεμάτη με ατμό υψηλής θερμοκρασίας, διευκολύνει την ανάκατη του λιωμένου κολλητικού λουτρού και την απόδραση των αερίων, οδηγώντας σε συγκόλληση χωρίς πόρους και πλήρως διαπερατή. Ο υψηλός ρυθμός ψύξης μετά τη συγκόλληση βελτιώνει περαιτέρω τη μικροδομή της συγκόλλησης.

4) **Ισχυρή συγκόλληση:** Η έντονη πηγή θερμότητας και η πλήρης απορρόφηση των μη μεταλλικών συστατικών μειώνουν το περιεχόμενο ακαθαρσιών και τροποποιούν το μέγεθος και την κατανομή των εγκλεισμάτων στη λεκάνη συγκόλλησης. Η διαδικασία συγκόλλησης δεν απαιτεί ηλεκτρόδια ή σύρμα πληρώσεως, με αποτέλεσμα να υπάρχει λιγότερη μόλυνση στην τήγματος ζώνη, καθιστώντας την αντοχή και την ταυτόχρονη αντοχή σε κρούση της συγκόλλησης τουλάχιστον ίση με εκείνη του βασικού μετάλλου, ή ακόμη και υψηλότερη.

5) **Ακριβής έλεγχος:** Επειδή η εστιασμένη κηλίδα είναι πολύ μικρή, η συγκόλληση μπορεί να τοποθετηθεί με ακρίβεια. Η έξοδος του λέιζερ δεν έχει «αδράνεια», επιτρέποντας γρήγορες διακοπές και επανεκκινήσεις με υψηλές ταχύτητες. Η τεχνολογία κίνησης της δέσμης με CNC επιτρέπει τη συγκόλληση πολύπλοκων αντικειμένων. 6) Μη επαφόμενη συγκόλληση σε ατμοσφαιρικές συνθήκες. Επειδή η ενέργεια προέρχεται από μια δέσμη φωτονίων, δεν υπάρχει φυσική επαφή με το αντικείμενο εργασίας, οπότε δεν εφαρμόζεται καμία εξωτερική δύναμη σε αυτό. Επιπλέον, η μαγνητική δύναμη και ο αέρας δεν επηρεάζουν το λέιζερ.

Πλεονεκτήματα της βαθιάς συγκόλλησης με λέιζερ

1) Λόγω της πολύ υψηλότερης πυκνότητας ισχύος των εστιασμένων λέιζερ σε σύγκριση με τις συμβατικές μεθόδους, η ταχύτητα συγκόλλησης είναι υψηλή, η ζώνη επηρεαζόμενη από τη θερμότητα και η παραμόρφωση είναι μικρές, ενώ είναι δυνατή η συγκόλληση δυσκολοσυγκολλήσιμων υλικών, όπως το τιτάνιο.

2) Δεδομένου ότι η δέσμη μεταδίδεται και ελέγχεται εύκολα, δεν απαιτείται συχνή αντικατάσταση των συγκολλητικών λαβών και ακροφυσίων, ενώ δεν απαιτείται κενό για τη συγκόλληση με δέσμη ηλεκτρονίων, ο χρόνος αδρανοποίησης μειώνεται σημαντικά, με αποτέλεσμα υψηλό συντελεστή φόρτισης και υψηλή απόδοση παραγωγής.

3) Λόγω του αποκαθαρτικού αποτελέσματος και του υψηλού ρυθμού ψύξης, η συγκόλληση παρουσιάζει υψηλή αντοχή, ταμπούρι και συνολική απόδοση.

4) Λόγω της χαμηλής μέσης θερμικής εισόδου, η ακρίβεια επεξεργασίας είναι υψηλή, μειώνοντας το κόστος επανεπεξεργασίας· επιπλέον, το κόστος λειτουργίας της συγκόλλησης με λέιζερ είναι επίσης χαμηλότερο, με αποτέλεσμα τη μείωση του κόστους επεξεργασίας των τεμαχίων.

5) Η ένταση της δέσμης και η ακριβής τοποθέτησή της μπορούν να ελέγχονται αποτελεσματικά, κάνοντας εύκολη την αυτοματοποιημένη λειτουργία.

Μειονεκτήματα της βαθιάς συγκόλλησης με λέιζερ

1) Περιορισμένο βάθος συγκόλλησης.

2) Υψηλές απαιτήσεις για τη συναρμολόγηση των τεμαχίων εργασίας.

3) Υψηλή αρχική επένδυση σε λέιζερ συστήματα.