Laseritehnoloogia

1. Laserkeevelduse põhimõte

Laserkeeveldust saab teha pideva või pulsslaserga abil. Laserkeevelduse põhimõtet saab jagada soojusjuhtivuskeevelduseks ja laseriga sügavasse keeveldusse. Võimsustihedus alla 10 ⁴ ~10⁵ LAIUS/CM ² on soojusjuhtivusega keevitamine, mille tunnuseks on pinnaslik läbipõrge ja aeglane keevitamiskiirus. Kui võimsustihedus on suurem kui 10 ⁵ ~10⁷ LAIUS/CM ² , soojendatakse metallpinda, moodustades „kohad“ ja sügavläbipõrke keevitamist, mille tunnuseks on kiire keevitamiskiirus ja suur sügavus-laius-suhe.

Soojusjuhtivusega laserkeevitamise põhimõte on järgmine: laserikiirgus soojendab töödeldavat pinda ja pinnasoode soojus levib soojusjuhtivuse teel sisemusse. Laserimpulsi laiuse, energiakoguse, tippvõimsuse ja kordumissageduse nagu ka muude laserparameetrite reguleerimisega saab töödeldavat detaili sulatada ja moodustada kindla sulamispiiga.

Gearide ja metallurgiliste õhukeste lehtmete keevitamiseks kasutatavad laserkeevitusmasinad hõlmavad peamiselt laseriga sügavläbipõrke keevitamist. Alljärgnevalt arutleme üksikasjalikumalt laseriga sügavläbipõrke keevitamise põhimõtet.

Laseriga sügavat läbipõimimistehnoloogiat kasutatakse tavaliselt pideva laserkiirega materjalide ühendamiseks. Selle metallurgiline füüsika on väga sarnane elektronkiirega keevitamisega, kus energiamuundumise mehhanism saavutatakse "kluvi" struktuuri abil. Piisavalt kõrgel võimsustihedusel laserikiirguse mõjul aurustub materjal ja tekib kluvi. See auruga täidetud kluvi toimib nagu must keha ning neelab peaaegu kogu siseneva kiire energiat. Kluvi sees olev tasakaalutemperatuur ulatub umbes 2500 °C. Soojus ülekanne toimub selle kõrgtemperatuurilise avause välimiselt seinalt, sulatades sellega ümbritsevat metalli. Avause täidab kiirguse mõjul pidevalt aurustuva seina materjalist tekkinud kõrgtemperatuuriline aur. Avause seinad ümbritsevad sulanud metalli ja vedel metall ümbritseb tahket materjali (enamikus tavapärastes keevitusprotsessides ja laserjuhtivuskeevitusel kantakse energia esmalt töödeldava detaili pinnale ja seejärel edastatakse see sisemusse). Vedela metalli vool ja pinnaspinge avause väliskülgedel säilitavad dünaamilise tasakaalu pidevalt tekkinud aururõhuga avause sees. Kuna laserkiir pääseb pidevalt avause sisse, jätkub ka avause väljaspool asuva materjali voolamine. Kui laserkiir liigub, säilib avaus stabiilses voolus olekus. Teisisõnu liiguvad avaus ja selle ümber asuv sulanud metall sama kiirusega juhtiva kiirega. Sulanud metall täidab avause eemaldumisel jäänud tühimikud ja taheneb, moodustades nii keevitusõmbluse. Kõik see toimub nii kiiresti, et keevituskiirus võib lihtsalt ulatuda mitmele meetrile minutis.

2. Laser sügavkõrvale keevitamise peamised protsessiparameetrid

Laseri võimsus

Laserkeevitamisel on olemas laserenergia tiheduse läve. Selle läve all on läbitavus sügavus väike; kui see läve saavutatakse või ületatakse, suureneb läbitavus sügavus oluliselt. Plasma tekib ainult siis, kui laser võimsuse tihedus töödeldaval materjalil ületab selle läve (materjalile omase), mis tähistab stabiilse sügavkeevituse algust. Kui laser võimsus on selle läve all, toimub töödeldaval materjalil ainult pinnasulatamine, st keevitus toimub stabiilses soojusjuhtivusrežiimis. Kui laser võimsuse tihedus on lähedal avause (keyhole) tekkimise kriitilisele tingimusele, vahelduvad sügavkeevitus ja soojusjuhtivuskeevitus, mille tulemusena on keevitusprotsess ebastabiilne ja läbitavus sügavusel on suured kõikumised. Laseri sügavkeevitamisel reguleerib laser võimsus samaaegselt nii läbitavus sügavust kui ka keevituskiirust. Keerme läbitavus sügavus on otseselt seotud kiire võimsuse tihedusega ja on funktsioon langenud kiire võimsusest ning kiire fokaalkohast. Üldiselt suureneb kindla diameetriga laserkiire puhul läbitavus sügavus kiire võimsuse suurenemisega.

Kiire fookuspunkt

Kiire laiksu suurus on üks olulisemaid muutujaid laserkeevitamisel, kuna see määrab võimsustiheduse. Siiski on seda kõrgvõimsuste laserite puhul keeruline mõõta, kuigi eksisteerib palju kaudseid mõõtmismeetodeid.

Laserkiire difraktsioonipiiratud laiksu suurust saab arvutada optilise difraktsiooniteooria põhjal. Siiski on tegelik laiksu suurus tänu fokuseerivale läätsele tekkinud aberratsioonide tõttu suurem kui arvutatud väärtus. Lihtsaim praktiline mõõtmismeetod on isotermiline profiilmeetod, mis hõlmab paksu paberilehe süttimist ja polüpropüleenplaadi läbipõksumist enne fookuspunkti ja läbipõksumisaukude diameetri mõõtmist. Selle meetodi rakendamiseks on vaja praktilist mõõtmist, et omandada oskus laseri võimsuse ja kiire kokkupuute aegumise reguleerimisel.

Materjali neeldumisväärtus

Laserkiire materjali poolt neelamise määr sõltub mitmest olulisest omadusest, näiteks neelavus, peegeldusvõime, soojusjuhtivus, sulamistemperatuur ja aurustumistemperatuur, kusjuures neelavus on kõige olulisem.

Materjali neelavust laserkiirguse suhtes mõjutavad kaks tegurit: esiteks materjali takistus. Neelavuse mõõtmised poliititud pindadel näitavad, et neelavus on võrdeline takistuse ruutjuurega, mis omakorda sõltub temperatuurist. Teiseks mõjutab materjali pinnaseisund (või siledus) oluliselt kiire neelavust ning seega ka oluliselt keevitusmõju.

CO2-laseri väljundlainepikkus on tavaliselt 10,6 μ m. Mitte-metallilised materjalid, nagu keraamika, klaas, kumm ja plastid, omavad toatemperatuuril kõrget neeldumismäära, samas kui metallilised materjalid neelavad seda toatemperatuuril halvasti; neeldumine suureneb järsult alles siis, kui materjal sulab või isegi aurustub. Pinnakatteid ja oksiidkihte kasutatakse tõhusalt materjali laserkiire neeldumise parandamiseks.

Keevituskiirus

Keerme kiirus mõjutab oluliselt keevitusliite sügavust. Kiiruse suurendamine viib pinnasügavama liite moodustumiseni, samas kui liiga madal kiirus põhjustab ülekuumutust ja läbepõlemist. Seega on kindla materjali, antud laserenergia ja paksuse korral sobiv keerme kiiruse vahemik, milles saavutatakse maksimaalne liite sügavus. Joonis 10-2 näitab keevituskiiruse ja liite sügavuse seost 1018 terasest materjalil.

Kaitsegaas

Inertgaase kasutatakse tavaliselt sulamispiirkonna kaitseks laserkeevitamisel. Kuigi pinnakuumutus ei ole teatud materjalide puhul mureküsimus, kasutatakse enamikus rakendustes töödeldava detaili oksüdeerumise vältimiseks heeliumi, argooni ja lämmastikku.

Heelium ioniseerub halvasti (kuid selle ioniseerimisenergia on kõrge), mis võimaldab laserkiirel liikuda sujuvalt läbi gaasi ja jõuda takistuseta töödeldava detaili pinnale. See on laserkeevitamisel kõige tõhusam kaitsegaas, kuid see on suhteliselt kallis.

Argoon on odavam ja tema tihedus on kõrgem, mistõttu pakub ta hea kaitse. Siiski ioniseerub see kergesti kõrgtemperatuurilise metalliplasma poolt, mis takistab osa kiirest töödeldava detaili pinnale jõudmist, vähendades seega tõhusat laserenergiat ning halvendades keevitamiskiirust ja sügavust. Argooniga kaitstud keevitusühendid on siledamad kui heeliumiga kaitstud keevitusühendid.

Ainult lämmastik on kõige odavam kaitsegaas, kuid seda ei saa kasutada teatud tüüpi roostevabade teraste keevitamiseks, peamiselt metallurgiliste probleemide tõttu, näiteks imendumise tõttu, mis võib mõnikord põhjustada õhukeseid õhuporusi liitumispiirkonnas.

Kaitsegaaside teine funktsioon on fokuseerimisläätse kaitse metallipaaride kontaminatsiooni ja sulanud tilkade sputterdamise eest. See on eriti oluline kõrgvõimses laserkeevituses, kus väljaheituv materjal muutub väga võimas.

Kolmas kaitsegaaside funktsioon on nende tõhusus kõrgvõimsa laserkeevituse ajal tekkiva plasma hajutamisel. Metallauru neelab laserkiire ja iooniseerub plasma pilveks. Ka metallauru ümbritsev kaitsegaas iooniseerub soojenemise tõttu. Kui plasma on liiga palju, siis tarbitakse osaliselt laserkiir plasma poolt. Plasma eksisteerib tööpinna peal sekundaarse energiavaruena, mille tulemusena on keevitusliite sügavus väiksem ja keevituslaik laiem. Elektronide taasühendumiskiirust suurendatakse elektronide, ioonide ja neutraalsete aatomite vaheliste kokkupõrgete sageduse suurendamisega, mis vähendab seega plasma elektronitihedust. Mida kergemad on neutraalsed aatomid, seda kõrgem on kokkupõrgete sagedus ja taasühendumiskiirus; teisalt saab elektronitiheduse kasvu ennetada ainult sellise kaitsegaasiga, mille iooniseerimisenergia on kõrge.

Plasmapilvi suurus sõltub kasutatavast kaitsegaasist: heeliumi puhul on see kõige väiksem, seejärel tuleb lämmastik ja argoonil on kõige suurem. Suurem plasmapilv põhjustab sügavamale tungimata keevitusliite. See erinevus tuleneb peamiselt gaasmolekulite erinevast ioniseerumisastmest ning ka erinevatest metallipaurude difusioonist, mille põhjustavad kaitsegaaside erinevad tihedused.

Heeliumil on kõige madalam ioniseerumisenergia ja tihedus, mis võimaldab tal kiiresti välja tõsta metallipauru sulanud metallipõhja ülespoole liikumisel. Seega maksimeerib heeliumi kasutamine kaitsegaasina plasma surumist, suurendades seeläbi keevitusliite sügavust ja keevitamiskiirust; selle väike kaaluga seotud omadus võimaldab tal ka lihtsalt põhjast lahkuda, vähendades poroossuse teket. Siiski on meie tegelike keevitusresultaatide põhjal selgunud, et argooni kasutamine kaitsegaasina on väga tõhus.

Plasmapilve mõju keevituspenetratsioonile on kõige ilmneim madalatel keevituskiirustel. Selle mõju vähenemine toimub kiiruse suurenemisel.

Kaitsegaas süstitakse teatud rõhul läbi suu ja jõuab töödeldava pinnale. Suu hüdrodünaamiline kuju ja väljumisava läbimõõt on olulised. Kaitsegaasi kogus peab olema piisavalt suur, et katta keevituspind, kuid suu suurus peab olema piiratud, et tagada objektiivile tõhus kaitse ning vältida metallipaaride kontaminatsiooni või metallihüppamise kahjustusi. Vooluhulk tuleb ka reguleerida; vastasel juhul muutub kaitsegaasi laminaarne vool turbulentsiks, atmosfääri segunemine siseneb sulamislaiali ja lõpuks tekib poroossus.

Sõltumatu kaitsega efekti parandamiseks saab kasutada täiendavat külgmist puhumismeetodit, kus kaitsegaas süüritakse otseselt sügava läbipõrke keevituspinna aukudesse väiksema läbimõõduga sooriku kaudu teatud nurga all. Kaitsegaas ei piira mitte ainult plasmapilve tekkimist töödeldava detaili pinnal, vaid mõjutab ka pinnaaukudes olevat plasma ja pinnaaukude teket, suurendades sellega veelgi läbipõrke sügavust ning saavutades keevitusühenduse, mille sügavuse ja laiuse suhe on ideaalne. Siiski nõuab see meetod täpset gaasivoolu kiiruse ja suuna reguleerimist; vastasel juhul tekib lihtsalt turbulents ja see võib kahjustada sulamisvoolu ning muuta keevitusprotsessi ebastabiilseks.

Läätsede fookuskaugus

Keelutamisel on laser tavaliselt fokuseeritud, tavaliselt kasutatakse läätsi, mille fookuskaugus on 63–254 mm (2,5 ”~10”fokuseeritud laigu suurus on otseselt võrdeline fookuskaugusega: mida lühem on fookuskaugus, seda väiksem on laik. Samas mõjutab fookuskaugus ka fookus sügavust, st fookus sügavus suureneb fookuskaugusega võrdeliselt. Seega suurendab lühem fookuskaugus võimsustihedust, kuid põhjustab pinnase sügavuse kitsenemist, mistõttu tuleb läätsi ja töödeldava detaili vaheline kaugus täpselt säilitada ning ka läbitungimissügavus on piiratud. Põhjustatuna keevitamisel tekkivast sõrmedest ja laserrežiimidest on tegelikult keevitamisel kasutatav lühim fookuskaugus sageli 126 mm (5″). ”kui liitmine on suur või kui on vaja suurendada keevitussoona suurust suurendades laigu suurust, saab valida läätse, mille fookuskaugus on 254 mm (10″). ”sel juhul on sügavale läbitungimisele (keyhole-efektile) saavutamiseks vajalik kõrgem laser väljundvõimsus (võimsustihedus).

Kui laser võimsus ületab 2 kW, eriti 10,6 μ cO₂-laserkiirguse kiired, mille puhul kasutatakse optilises süsteemis erioptilisi materjale, põhjustavad sageli optilise läätse kahjustumise vältimiseks peegeldusfokuseerimist. Peegeldajatena kasutatakse tavaliselt poliitset vasemirroori. Nende tõhusa jahutusvõime tõttu soovitatakse neid sageli kõrgvõimsusega laserkiirguse fokuseerimiseks.

Fookuse asukoht

Keetmisel on fookusasend oluline piisava võimsustiheduse säilitamiseks. Fookuse asukoha muutused suhtes töödeldava detaili pinnaga mõjutavad otseselt õmbluse laiust ja sügavust. Joonis 2-6 näitab fookusasendi mõju 1018 terase läbimõõdule ja õmbluse laiusele.

Enamikus laserkeevitusrakendustes paigutatakse fookus tavaliselt umbes veerand teekonda töödeldava detaili pinna all soovitud läbimõõdu saavutamiseks.

Laserkiirguse asukoht

Erinevate materjalide laserkiitmisel määrab laserkiire asukoht lõppkihti kvaliteedi, eriti liitumiskohtades, kus see on tundlikum kui ülekattega liitumiskohtades. Näiteks, kui kõvastatud terasest käigukast ja madala süsiniku sisaldavast terasest trumlist tehakse liitumiskoht, siis õige laserkiire asukoha reguleerimine tagab kihti, mis koosneb peamiselt madala süsiniku sisaldavatest komponentidest ja millel on parem pragunemisresistentsus. Mõnedes rakendustes nõuab töödeldava detaili geomeetria, et laserkiir pöörata teatud nurga all. Kui kiire telje ja liitumiskoha tasandi vaheline pöördenurk on alla 100 kraadi, ei mõjuta see töödeldava detaili laserenergia neeldumist.

Laserenergia suurendamine ja vähendamine keevituse algus- ja lõpppunktis

Laseriga sügavkõrvale keevitamisel eksisteerib pinhole-nähtus alati, olenemata keevituslaiusest. Kui keevitusprotsess lõpetatakse ja võimsuse lüliti välja lülitatakse, tekib keevituslõpus augu. Lisaks võib tekkida liialt suur laserkiire neeldumine, kui laserkeevituskiht katteb originaalkeevitust, mis põhjustab keevitusmaterjali ülekuumenemist või poroossust.

Nende nähtuste vältimiseks saab programmeerida võimsuse algus- ja lõpppunktid nii, et võimsuse algus- ja lõppaegu saab reguleerida. See tähendab, et algvõimsus tõstetakse elektrooniliselt nullist seatud võimsusväärtuseni lühikese aja jooksul ja keevitusaeg reguleeritakse. Lõpuks vähendatakse keevituse lõpus võimsust seatud väärtusest nullini astmeliselt.

3. Laseriga sügavkõrvale keevitamise omadused, eelised ja puudused

Laseriga sügavkõrvale keevitamise omadused

1) Kõrge külgsuhte suhe. 1) **Sügav ja kitsas keevitus:** Kuna sulatunud metall kujuneb ümber silindrilise kõrgtemperatuurilise aurukäigu ja pikeneb töödeldava detaili poole, muutub keevitus sügavaks ja kitsaks.

2) **Minimaalne soojusenergia sisend:** Tänu avause sisemisele äärmiselt kõrgele temperatuurile toimub sulatamine väga kiiresti, mis põhjustab töödeldavale detailile väga väikse soojusenergia sisendi ning vähendab soojuskõverust ja soojamõju tsooni.

3) **Kõrge tihedus:** Kõrgtemperatuurilise auruga täidetud avaus soodustab keevituslaeva segamist ja gaasi väljumist, mille tulemusena saadakse porotaatud, täielikult läbi keevitatud õmblus. Kõrge jahutumiskiirus pärast keevitust parandab veelgi keevitusmikrostruktuuri.

4) **Tugev keevitus:** Intensiivne soojusallikas ja mittemetalliliste komponentide täielik neeldumine vähendavad saasteainete sisaldust ning muudavad keevituskohta moodustuvate inklusioonide suurust ja jaotust. Keevitusprotsess ei nõua elektroode ega täitematerjali, mis vähendab sulamispiirkonnas saasteid ning tagab keevitusühenduse tugevuse ja kõvaduse, mis on vähemalt võrdne alusmaterjaliga või isegi sellest parem.

5) **Täpne juhtimine:** Kuna fokuseeritud laik on väga väike, saab keevituskohta täpselt positsioneerida. Laseri väljundil puudub „inerts“, mis võimaldab kiiret peatumist ja taaskäivitust kõrgel kiirusel. CNC-laserikiirguse liigutustehnoloogia võimaldab keerukate detailide keevitamist. 6) Kontaktita atmosfäärikeeve protsess. Kuna energia pärineb footonikiirgusest, ei ole töödeldava detailiga füüsilist kokkupuudet ning seega ei mõju töödeldavale detailile väline jõud. Lisaks ei mõjuta laserit magnetvälja ega õhk.

Laseriga sügavkeevituse eelised

1) Fokuseeritud laserite palju kõrgem võimsustihedus võrreldes tavameetoditega tähendab kiiret keevitumiskiirust, väikest soojusmõjutatud tsooni ja väikest deformatsiooni ning võimaldab keevitada keerukalt keevitatavaid materjale, näiteks tiitani.

2) Kuna kiir on lihtne edastada ja reguleerida ning ei ole vaja sageli vahetada keevituspõhja ja -süttid, samuti ei ole elektronkiirkeevitamisel vaja vaakumit, on seiskumisajad oluliselt lühemad, mis tagab kõrge koormusteguri ja tootmise efektiivsuse.

3) Puhastusmõju ja kõrge jahutuskiirus tagavad keevi kõrge tugevuse, vastupidavuse ja üldise omaduste taseme.

4) Madala keskmise soojusenergia sisalduse tõttu on töötlemise täpsus kõrge, mis vähendab uuesti töötlemise kulusid; lisaks on ka laserkeevitamise ekspluatatsioonikulud madalamad, mistõttu vähenevad töödeldavate detailide töötlemiskulud.

5) Kiirte intensiivsust ja täpset asukoha määramist saab tõhusalt reguleerida, mistõttu on automaatsed toimingud lihtsad.

Laseriga sügavkeevitamise puudused

1) Piiratud keevitus sügavus.

2) Kõrged nõuded töödeldava detaili koondamisele.

3) Laserisüsteemidesse kõrged esialgsed investeeringud.