Lazerinė technologija

1. Laserinio suvirinimo principas

Laserinis suvirinimas gali būti atliekamas naudojant nuolatinės arba impulsinės lazerio spinduliuotės srautus. Laserinio suvirinimo principas gali būti suskirstytas į šilumos laidumo suvirinimą ir gilaus lazerinio suvirinimą. Galios tankis mažesnis nei 10 ⁴ ~10⁵ W/cm² ² yra šilumos laidumo suvirinimas, kuris charakterizuojamas maža įvarža ir lėtu suvirinimo greičiu. Kai galios tankis viršija 10 ⁵ ~10⁷ W/cm² ² , metalo paviršius įšyla, susidaro „duobutės“ ir formuojamas gilusis suvirinimas, kuris charakterizuojamas greitu suvirinimo greičiu ir dideliu gylio-pločio santykiu.

Šilumos laidumo lazerio suvirinimo principas yra toks: lazerio spinduliavimas įšildo apdorojamą paviršių, o paviršiaus šiluma skleidžiama į vidų per šilumos laidumą. Valdant lazerio parametrus, tokius kaip lazerio impulso plotis, energija, viršūninė galia ir pakartojimo dažnis, detali ištirpsta ir susidaro tam tikros lydytinės duobės.

Dėžutėms suvirinti ir metalurginėms plonoms plokštėms suvirinti naudojamos lazerio suvirinimo mašinos daugiausia remiasi giliuoju lazerio suvirinimu. Žemiau išsamiai aptarsime giliojo lazerio suvirinimo principą.

Lazerinis giluminis suvirinimas paprastai naudoja nuolatinę lazerio spindulio srovę medžiagoms sujungti. Jo metalurginė fizika yra labai panaši į elektronų spindulio suvirinimą, o energijos konvertavimo mechanizmas pasiekiamas „rakto skylės“ struktūros pagalba. Pakankamai aukštos galios tankio lazerio šviesos veikiamas medžiagos paviršius išgaruoja ir susidaro rakto skylė. Ši garais užpildyta rakto skylė veikia kaip juodoji kūno spinduliuotė, absorbuodama beveik visą įeinančio spindulio energiją. Rakto skylės viduje pasiekiamas pusiausvyros temperatūros lygis yra apytiksliai 2500 °C. Šiluma perduodama iš šio aukštos temperatūros „rakto skylės“ išorinės sienelės, lydant aplink ją esantį metalą. „Rakto skylė“ pripildyta aukštos temperatūros garų, kurie nuolat susidaro dėl sienelės medžiagos garavimo po spinduliuojančiosios spinduliuotės poveikio. „Rakto skylės“ sienelės supa lydų metalą, o skystasis metalas supa kietą medžiagą (daugumoje įprastų suvirinimo procesų ir lazerinio laidumo suvirinimo energija pirma pritaikoma darbo paviršiaus, o vėliau perduodama į vidų). Skysčio srautas ir paviršiaus įtempis už „rakto skylės“ sienelių palaiko dinaminę pusiausvyrą su nuolat kylančiu garų slėgiu „rakto skylės“ viduje. Kai lazerinis spindulys nuolat įeina į „rakto skylę“, medžiaga už „rakto skylės“ ribų toliau tekėja. Judant lazeriniam spinduliui, „rakto skylė“ išlieka stabilioje srautinėje būsenoje. Kitaip tariant, „rakto skylė“ ir ją supantis lydusis metalas juda tuo pačiu greičiu kaip ir nukreipiamasis spindulys. Lydusis metalas užpildo tuščias vietas, likusias po to, kai „rakto skylė“ pasislinko, ir po to sušąla, taip sudarydamas suvirinimą. Visa tai vyksta tokiais greičiais, kad suvirinimo greitis lengvai gali pasiekti kelis metrus per minutę.

2. Pagrindiniai lazerinio gilaus įvaržymo suvirinimo procesų parametrai

Laserio galia

Lazerinio suvirinimo metu egzistuoja lazerinės energijos tankio slenkstis. Žemiau šio slenksčio įvaržos gylis yra mažas; pasiekus arba viršijus šį slenktį, įvaržos gylis žymiai padidėja. Plazma susidaro tik tada, kai lazerio galios tankis ant detalės viršija šį slenktį (kuris priklauso nuo medžiagos), kas žymi stabilaus gilaus įvaržymo suvirinimo pradžią. Jei lazerio galia yra žemiau šio slenksčio, detalei vyksta tik paviršinė lydymosi procesas, t. y. suvirinimas vyksta stabiliu šilumos laidumo režimu. Kai lazerio galios tankis yra arti kritinės sąlygos kaitinimo angos (keyhole) susidarymui, gilusis įvaržymo suvirinimas ir laidumo suvirinimas pakaitomis keičiasi, dėl ko suvirinimo procesas tampa nestabilus, o įvaržos gylis stipriai svyruoja. Lazeriniame giliajame įvaržymo suvirinime lazerio galia vienu metu valdo tiek įvaržos gylį, tiek suvirinimo greitį. Įvaržos gylis tiesiogiai susijęs su spinduliuotės galios tankiu ir yra priklausomas nuo krintančiosios spinduliuotės galios bei spinduliuotės fokusuotų taškų dydžio. Paprastai tam tikro skersmens lazeriniam spinduliui įvaržos gylis didėja didėjant spinduliuotės galiai.

Spindulio fokusuotasis taškas

Spindulio dėmės dydis yra vienas svarbiausių kintamųjų lazerinėje suvirinimo technologijoje, nes jis nulemia galios tankį. Tačiau aukštos galios lazerių dėmės dydžio matavimas yra sudėtingas, nepaisant daugybės netiesioginių matavimo metodų egzistavimo.

Lazerio spindulio difrakcijos ribotas dėmės dydis gali būti apskaičiuojamas remiantis optinės difrakcijos teorija. Tačiau dėl fokusuojančios lęšio aberratijų faktinis dėmės dydis yra didesnis už apskaičiuotąją reikšmę. Paprasčiausias praktinis matavimo metodas yra izoterminis profiliavimo metodas, kuris apima storesnės popieriaus lapo apdegimą ir polipropileno plokštės perforavimą prieš dėmės fokusuotumo ir perforacijos skersmens matavimą. Šis metodas reikalauja praktinio matavimo, kad būtų įvaldyta lazerio galia ir spindulio sąlyčio trukmė.

Medžiagos sugerties reikšmė

Medžiagos lazerio šviesos sugerties laipsnis priklauso nuo kelių svarbių savybių, tokių kaip sugertis, atspindžiama galia, šiluminė laidumas, lydymosi temperatūra ir garavimo temperatūra, o svarbiausia yra sugertis.

Veiksniai, turintys įtakos medžiagos sugerties laipsniui lazerio spinduliu, apima du aspektus: pirma, medžiagos elektrinė varža. Išmatuota, kad poliruotų paviršių sugertis yra proporcinga elektrinei varžai kvadratine šaknimi, kuri savo ruoštu kinta priklausomai nuo temperatūros. Antra, medžiagos paviršiaus būklė (arba lygumas) labai paveikia spindulio sugertį, todėl reikšmingai veikia suvirinimo rezultatus.

CO2 lazerio išvesties bangos ilgis paprastai yra 10,6 μ m. Netoliškų medžiagų, tokių kaip keramika, stiklas, gumos ir plastikai, absorbcijos koeficientas kambario temperatūroje yra aukštas, tuo tarpu metalų absorbcija kambario temperatūroje yra žema; ji staigiai padidėja tik tada, kai medžiaga pradeda lydytis ar net garuoti. Paviršiaus dengiamieji sluoksniai arba oksidų plėvelės yra veiksmingi būdai pagerinti medžiagos lazerio spindulio absorbciją.

Suvirinimo greitis

Virinimo greitis labai paveikia siūlės įgylį. Greičio padidinimas sukelia mažesnį įgilį, o pernelyg mažas greitis – perlydymą ir perdegimą. Todėl konkrečiai medžiagai, esant nustatytai lazerio galiai ir storio reikšmei, egzistuoja tinkamas virinimo greičio diapazonas, kuriame pasiekiamas maksimalus įgilis. 10–2 pav. pavaizduota virinimo greičio ir įgilio priklausomybė 1018 plieno atveju.

Apsauga nuo dujų

Inertiniai dujų mišiniai dažnai naudojami lydymo baseino apsaugai per lazerinį suvirinimą. Nors paviršiaus oksidacija gali būti ne tokia svarbi kai kurioms medžiagoms, daugumoje taikymų norint užkirsti kelią darbo detalės oksidacijai suvirinimo metu dažniausiai naudojami helis, argonas ir azotas.

Helis prastai jonizuojamas (tačiau turi aukštą jonizacijos energiją), todėl lazerinis spindulys lengvai pro jį praeina ir nepažeistas pasiekia darbo detalės paviršių. Tai veiksmingiausias apsauginių dujų mišinys, naudojamas lazeriniame suvirinime, tačiau jis yra santykinai brangus.

Argonas yra pigesnis ir turi didesnį tankį, todėl suteikia gerą apsaugą. Tačiau jis lengvai jonizuojamas aukštos temperatūros metalo plazmos, dėl ko dalis lazerio spindulio užbloškiama ir nepasiekia darbo detalės, mažėja veiksminga lazerio galia, o tai pablogina suvirinimo greitį ir įgriovimą. Argonu apsaugoti suvirinimai turi lygesnį paviršių nei heliu apsaugoti.

Azotas yra pigiausias apsauginis dujų mišinys, tačiau jis netinka tam tikrų rūšių nerūdijančiojo plieno suvirinimui, daugiausia dėl metalurginių problemų, tokių kaip absorbcija, kuri kartais gali sukurti poras suvirinimo srityje.

Antra apsauginių dujų funkcija – apsaugoti fokusuojančią lęšį nuo metalo garų užteršimo ir išlydytų lašelių iššovimo. Tai ypač svarbu aukštos galios lazerinio suvirinimo metu, kai išmetamas medžiagos kiekis tampa labai didelis.

Trečioji apsauginių dujų funkcija – jų veiksmingumas išsisklaidant plazmai, kuri susidaro dėl aukštos galios lazerinio suvirinimo. Metalo garai sugeria lazerio spindulį ir jonizuojasi į plazmos debesį. Apsaugos dujos, esančios aplink metalo garus, taip pat jonizuojasi dėl šilumos poveikio. Jei plazmos yra per daug, lazerio spindulys dalinai sunaudojamas plazmoje. Plazma veikia kaip antrinis energijos šaltinis darbo paviršiuje, todėl suvirinimo įgriovimas tampa seklesnis, o suvirinimo baseinas – platesnis. Elektronų rekombinacijos greitis padidėja dėl didesnio elektronų, jonų ir neutralių atomų susidūrimų dažnio, taip sumažinant elektronų koncentraciją plazmoje. Kuo lengvesni neutralūs atomai, tuo didesnis susidūrimų dažnis ir rekombinacijos greitis; kita vertus, tik aukštos jonizacijos energijos apsauginės dujos gali užkirsti kelią elektronų koncentracijos padidėjimui dėl pačių dujų jonizacijos.

Plazmos debesies dydis priklauso nuo naudojamo apsauginio dujų mišinio: helio atveju ji mažiausia, po to eina azotas, o argono atveju – didžiausia. Didelė plazmos debesis sukelia mažesnį suvirinimo įsiskverbimą. Šis skirtumas daugiausia susijęs su skirtingu dujų molekulių jonizacijos laipsniu, taip pat su metalo garų difuzijos skirtumais, kuriuos sukelia skirtingos apsauginių dujų tankio reikšmės.

Helis turi žemiausią jonizacijos energiją ir tankį, todėl jis greitai išstumia kylančius metalo garus iš lydyto metalo baseino. Taigi, naudojant helį kaip apsauginę dują, plazma slopinama maksimaliai, dėl ko padidėja suvirinimo įsiskverbimas ir suvirinimo greitis; jo mažas svoris taip pat leidžia jam lengvai išsisklaidyti, sumažinant porų susidarymo tikimybę. Tačiau remiantis mūsų faktiškais suvirinimo rezultatais, argono apsauga įrodė esanti labai veiksminga.

Plazmos debesies poveikis suvirinimo įvarčiui yra ryškiausias esant žemoms suvirinimo greičių reikšmėms. Jo poveikis mažėja didėjant suvirinimo greičiui.

Apsaugos dujos išstumiamos tam tikru slėgiu per srauto formuojančiąją antgalę ir pasiekia apdorojamojo paviršiaus paviršių. Srauto formuojančiosios antgalės hidrodinaminė forma ir išleidimo angos skersmuo yra lemiamas. Apsaugos dujų srautas turi būti pakankamai didelis, kad visiškai padengtų suvirinimo paviršių, tačiau antgalės dydis turi būti ribojamas, kad efektyviai būtų apsaugota lęšio optika ir užkirstas kelias metalo garų užteršimui arba metalo iššaukštinimui. Taip pat turi būti kontroliuojamas dujų srauto debitas; priešingu atveju laminarinis apsaugos dujų srautas taps turbulentiniu, į lydymo vonelę įsiskverbs atmosferos oras ir galiausiai susidarys poros.

Norint pagerinti apsaugos efektą, galima naudoti papildomą šoninį pučiamąjį metodą, kai apsauginis dujų srautas įpurškiamas tiesiogiai į gilaus praplečimo suvirinimo kiaurymę per mažesnio skersmens žarnelę tam tikru kampu. Apsauginės dujos ne tik slopina plazmos debesį ant darbo paviršiaus, bet taip pat veikia plazmą kiaurymėje ir kiaurymės susidarymą, dar labiau padidindamos praplečimo gylį bei pasiekdamos idealų suvirinimo gylio ir pločio santykį. Tačiau šis metodas reikalauja tikslaus dujų srauto greičio ir krypties valdymo; priešingu atveju lengvai gali atsirasti turbulencija, kuri pažeidžia lydymo baseiną ir daro suvirinimo procesą nestabilų.

Objektyvo židinio atstumas

Suvirinant lazeris paprastai susifokusuojamas, dažniausiai naudojant lęšius su fokuso nuotoliu 63–254 mm (2,5 ”~10”fokusuoto taško dydis yra tiesiogiai proporcingas fokuso atstumui: kuo trumpesnis fokuso atstumas, tuo mažesnis taškas. Tačiau fokuso atstumas taip pat veikia fokuso gylį, t. y. fokuso gylis didėja proporcingai fokuso atstumui. Todėl trumpesnis fokuso atstumas gali padidinti galios tankį, tačiau dėl mažo fokuso gylio tarp lęšio ir apdorojamojo gaminio atstumas turi būti tiksliai išlaikytas, o įsiskverbimo gylis taip pat yra ribotas. Dėl suvirinimo metu susidarančių iššokančių lašų ir lazerio režimo poveikio praktikoje suvirinimui dažniausiai naudojamas trumpiausias fokuso atstumas – 126 mm (5″). ”kai jungtis yra didelė arba kai reikia padidinti suvirinimo švoškį padidinant taško dydį, galima pasirinkti lęšį su fokuso atstumu 254 mm (10″). ”šiuo atveju, kad būtų pasiektas gilus įsiskverbimas (raktinės skylės) efektas, reikalinga didesnė lazerio išvesties galia (galios tankis).

Kai lazerio galia viršija 2 kW, ypač 10,6 μ m CO2 lazerio spinduliai, dėl specialių optinių medžiagų naudojimo optinėje sistemoje, dažnai naudoja atspindžio fokusavimą, kad būtų išvengta optinio žalos fokusuojančiai lęšiui. Kaip atspindėtojai paprastai naudojami poliruoti vario veidrodžiai. Dėl jų efektyvių aušinimo savybių jie dažnai rekomenduojami aukštos galios lazerio spindulių fokusavimui.

Fokusavimo padėtis

Virinant fokuso padėtis yra lemtinga užtikrinant pakankamą galios tankį. Fokuso ir darbo paviršiaus paviršiaus santykinės padėties pokyčiai tiesiogiai veikia siūlės plotį ir gylį. 2–6 pav. pavaizduotas fokuso padėties poveikis 1018 plieno įvaržymo gyliui ir siūlės plotiui.

Daugumoje lazerio suvirinimo taikymų fokusas paprastai yra pozicionuojamas maždaug vieno ketvirčio kelio žemiau darbo paviršiaus, kad būtų pasiektas pageidaujamas įvaržymo gylis.

Lazerio spindulio padėtis

Kai sujungiami skirtingi medžiagų tipai naudojant lazerinį suvirinimą, lazerio spindulio padėtis lemia galutinę suvirinimo kokybę, ypač sujungiant kraštu prie krašto (butt joints), kur ji yra jautresnė nei sujungiant persidengiančiais kraštais (lap joints). Pavyzdžiui, kai suvirinamas kietintas plieno pavara su žemo anglies kiekio plieno būgneliu, tinkama lazerio spindulio padėties kontrolė leidžia gauti suvirinimą, kuris daugiausia susideda iš žemo anglies kiekio komponentų ir todėl turi geresnę įtrūkimų atsparumą. Kai kuriuose taikymuose suvirinamojo gaminio geometrija reikalauja, kad lazerio spindulys būtų nukreiptas kampu. Kai spindulio ašies ir suvirinimo siūlės plokštumos nukrypimo kampas neviršija 100 laipsnių, gaminio lazerio energijos absorbcija nepakenčiama.

Lazerio galios padidinimas ir sumažinimas suvirinimo pradžioje ir pabaigoje

Lazerio giluminio suvirinimo metu, nepaisant suvirinimo gylies, visada egzistuoja skylutės reiškinys. Kai suvirinimo procesas baigiamas ir išjungiamas maitinimo jungiklis, suvirinimo pabaigoje susidaro duobutė. Be to, kai lazerio suvirinimo sluoksnis dengia pradinį suvirinimą, gali įvykti per didelis lazerio spindulio sugerties reiškinys, kuris sukelia suvirinimo gaminių perkaitimą arba poringumą.

Šiems reiškiniams išvengti galima programuoti maitinimo pradžios ir pabaigos taškus, kad būtų galima reguliuoti maitinimo įjungimo ir išjungimo laikus. Tai reiškia, kad pradžioje maitinimas elektroniniu būdu padidinamas nuo nulio iki nustatytos galios vertės trumpu laikotarpiu, o suvirinimo trukmė – reguliuojama. Galiausiai, suvirinimo pabaigoje maitinimas palaipsniui sumažinamas nuo nustatytos galios iki nulio.

3. Lazerio giluminio suvirinimo charakteristikos, privalumai ir trūkumai

Lazerio giluminio suvirinimo charakteristikos

1) Didelis aukščio ir pločio santykis. 1) **Gilus ir siauras suvirinimas:** Kadangi lydytasis metalas susidaro aplink cilindrinę aukštos temperatūros garų ertmę ir išsiplečia link detalės, suvirinimo švas gylis yra didelis, o plotis – mažas.

2) **Minimalus šilumos įvedimas:** Dėl labai aukštos temperatūros skylėje lydymo procesas vyksta labai greitai, todėl detalės šilumos įvedimas yra labai mažas, o tai sumažina šiluminį deformavimą ir šiluminės poveikio zoną.

3) **Didelis tankis:** Aukštos temperatūros garais užpildyta skylė palengvina suvirinimo vonelės maišymąsi ir dujų išsiskyrimą, todėl gaunamas be porų ir visiškai prilydytas suvirinimas. Po suvirinimo greitas aušinimas dar labiau subarškina suvirinimo mikrostruktūrą.

4) **Stiprus suvirinimas:** Intensyvus šilumos šaltinis ir neorganinių komponentų visiškas sugerties procesas sumažina priemaišų kiekį ir keičia įtraukų dydį bei pasiskirstymą suvirinimo baseine. Suvarinimo procesui nereikia elektrodų ar papildomų laidų, todėl lydytame plote susidaro mažiau užterštumo, o tai daro suvirinimą stiprų ir atsparų smūgiams – jo stiprumas ir kietumas yra bent jau lygus ar net viršija pagrindinės medžiagos savybes.

5) **Tikslus valdymas:** Kadangi susfokusuoto spindulio dėmelė yra labai maža, suvirinimas gali būti tiksliai pozicionuojamas. Laserio išvestis neturi „inercijos“, todėl leidžia greitai sustoti ir vėl pradėti veikti didelėmis greičio reikšmėmis. CNC spindulio judėjimo technologija leidžia suvirinti sudėtingos formos detalių. 6) Bekontaktinis atmosferos sąlygomis vykstantis suvirinimas. Kadangi energija gaunama iš fotonų spindulio, su detale nėra fizinio kontakto, todėl į detalę neveikia jokia išorinė jėga. Be to, magnetizmas ir oras neturi įtakos lazerio veikimui.

Lazerinio gilaus suvirinimo privalumai

1) Dėl suskoncentruotų lazerių žymiai didesnio galios tankio palyginti su įprastomis metodikomis, suvirinimo greitis yra didelis, šilumos paveiktoji zona ir deformacija mažos, o taip pat galima suvirinti sunkiai suvirinamus medžiagų tipus, pvz., titano.

2) Kadangi spindulys lengvai perduodamas ir valdomas, nereikia dažnai keisti suvirinimo degiklių ir srauto antgalių, o elektronų spindulio suvirinimui nereikia vakuumuoti, todėl prastovos laikas žymiai sumažėja, kas lemia aukštą įrenginių naudojimo koeficientą ir gamybos efektyvumą.

3) Dėl valymo poveikio ir aukšto aušinimo greičio suvirintosios siūlės turi didelę stiprybę, kietumą ir bendrą našumą.

4) Dėl žemo vidutinio šilumos įvedimo apdorojimo tikslumas yra aukštas, todėl sumažėja pakartotinio apdorojimo išlaidos; be to, lazerio suvirinimo eksploatacinės išlaidos taip pat žemesnės, todėl sumažėja darbo elementų apdorojimo išlaidos.

5) Spindulio intensyvumą ir tikslų pozicionavimą galima veiksmingai kontroliuoti, todėl automatinės operacijos atlikimas yra paprastas.

Lazerio gilaus suvirinimo trūkumai

1) Ribotas suvirinimo gylis.

2) Aukšti reikalavimai darbo detalės surinkimui.

3) Didelės pradinės investicijos į lazerines sistemas.