LaserTeknologi

1. Prinsipp for lasersveising

Lasersveising kan utføres ved hjelp av kontinuerlige eller pulserende laserstråler. Prinsippet for lasersveising kan deles inn i varmeledningssveising og lasersveising med dyp gjennomtrengning. Effekttetthet lavere enn 10 ⁴ ~10⁵ B/CM ² er varmeledningsvekling, kjennetegnet ved grunndig gjennomtrengning og langsom sveihastighet. Når effekttettheten er større enn 10 ⁵ ~10⁷ B/CM ² , oppvarmes metalloverflaten, noe som skaper «hull» og danner dyptgående sveiing, som kjennetegnes ved rask sveihastighet og et stort forhold mellom dybde og bredde.

Prinsippet bak varmeledningslaserveiing er som følger: laserstråling oppvarmer overflaten som skal behandles, og varmen fra overflaten diffunderer innover gjennom varmeledning. Ved å kontrollere laserparametre som pulsens bredde, energi, topp-effekt og repetisjonsfrekvens smelter arbeidsstykket og danner en spesifikk smeltebad.

Laserveiemaskiner som brukes til tannhjulveiing og sveiing av metallurgiske tynne plater omfatter hovedsakelig laserdyptveiing. Prinsippet bak laserdyptveiing vil bli diskutert detaljert nedenfor.

Laserdyppesveising bruker vanligvis en kontinuerlig laserstråle for å feste materialer. Den metallurgiske fysikken er meget lik elektronstrålesveising, og energiomformingsmekanismen oppnås gjennom en «hullstruktur». Under tilstrekkelig høy effekttetthet av laserstrålingen fordamper materialet og danner et hull. Dette med damp fylte hullet virker som et svartlegeme og absorberer nesten all energien fra den innfallende strålen. Likevektstemperaturen inne i hullet når omtrent 2500 °C. Varme overføres fra den ytre veggen av denne høytempererte nøkkelhullet, noe som smelter metallet rundt det. Nøkkelhullet er fylt med høytemperert damp som genereres ved kontinuerlig fordampning av veggmaterialet under strålebestråling. Veggen av nøkkelhullet omgir smeltet metall, og væskeformet metall omgir fast materiale (i de fleste konvensjonelle sveiseprosessene og i laserledningssveising overføres energien først til arbeidsstykkets overflate og deretter til indre deler). Væskestrømmen og overflatespenningen utenfor veggen av nøkkelhullet opprettholder en dynamisk likevekt med den kontinuerlig genererte damptrykket inne i nøkkelhullet. Ettersom laserstrålen kontinuerlig trenger inn i nøkkelhullet, fortsetter materialet utenfor nøkkelhullet å strømme. Når laserstrålen beveger seg, forblir nøkkelhullet i en stabil strømtilstand. Med andre ord beveger nøkkelhullet og det smeltede metallet rundt det seg fremover med samme hastighet som veiledningsstrålen. Det smeltede metallet fyller ut gapene som etterlates etter at nøkkelhullet har flyttet seg bort, og så stivner det, og danner dermed en sveiseskjøt. Alt dette skjer så raskt at sveisehastigheter lett kan nå flere meter per minutt.

2. Nøkkelprosessparametere for lasersveising med dyp gjennomtrengning

Laserkraft

Laserløsing innebär att det finns en tröskel för laserenergitätheten. Under denna tröskel är inträngningsdjupet litet; när tröskeln nås eller överskrids ökar inträngningsdjupet kraftigt. Plasma genereras endast när lasereffekttätheten på arbetsstycket överstiger denna tröskel (som varierar beroende på materialet), vilket markerar början på stabil djupinträngande lösningsprocess. Om laserstyrkan ligger under denna tröskel sker endast ytmelting på arbetsstycket, vilket innebär att lösningsprocessen sker i en stabil värmediffusionsmodus. När lasereffekttätheten ligger nära den kritiska nivån för hålsbildning växlar djupinträngande lösningsprocess och värmediffusionslösningsprocess, vilket leder till en instabil lösningsprocess med stora variationer i inträngningsdjupet. Vid laserbaserad djupinträngande lösningsprocess styr laserstyrkan samtidigt både inträngningsdjupet och lösningshastigheten. Inträngningsdjupet i svetsen är direkt kopplat till strålens effekttäthet och är en funktion av infallande stråleffekt och strålens fokuspunkt. I allmänhet ökar inträngningsdjupet med ökande stråleffekt för en laserstråle med en given diameter.

Stråle fokuspunkt

Stråleplettenes størrelse er en av de viktigste variablene i laserløsing fordi den bestemmer effekttettheten. Måling av strålepletten for høyeffektlasere er imidlertid utfordrende, selv om det finnes mange indirekte målemetoder.

Diffraksjonsbegrensede stråleplettenes størrelse kan beregnes ut fra optisk diffraksjonsteori. På grunn av avbildningsfeil i fokuseringslinsen er imidlertid den faktiske strålepletten større enn den beregnede verdien. Den enkleste praktiske målemetoden er isoterme profilometrimetode, som innebærer å svarte en tykk papirplate og gjennombore en polypropylenplate før fokuspunktet og perforasjonens diameter måles. Denne metoden krever praktisk måling for å beherske laserens effekt og varigheten av strålekontakten.

Materialeabsorpsjonsverdi

Absorpsjonen av laserlys av et materiale avhenger av flere viktige egenskaper, som absorptivitet, reflektivitet, termisk ledningsevne, smeltepunkt og fordampningstemperatur, der absorptivitet er den viktigste.

Faktorer som påvirker et materials absorptivitet for en laserstråle omfatter to aspekter: For det første materialets resistivitet. Målinger av absorptiviteten til polerte overflater viser at absorptiviteten er proporsjonal med kvadratroten av resistiviteten, som igjen varierer med temperaturen. For det andre har overflateforholdet (eller glatheten) til materialet en betydelig innvirkning på strålens absorptivitet, og påvirker dermed i stor grad sveiseeffekten.

Utgangsbølgelengden til en CO2-laser er vanligvis 10,6 μ m. Ikke-metalliske materialer som keramikk, glass, gummivare og plast har høy absorpsjonsrate ved romtemperatur, mens metalliske materialer absorberer dårlig ved romtemperatur, og absorpsjonen øker bare kraftig når materialet smelter eller til og med fordamper. Overflatebelegg eller oksidfilm er effektive metoder for å forbedre materialets absorpsjon av laserstrålen.

Sveisehastighet

Sveihastigheten påvirker kraftig sveipedybden. Økning av hastigheten fører til grunnere penetrering, mens for lave hastigheter fører til over-smelting og gjennombrenning. Derfor finnes det for et bestemt materiale med gitt laserstyrke og tykkelse et passende område av sveihastigheter, innenfor hvilket maksimal penetrering kan oppnås. Figur 10-2 viser sammenhengen mellom sveihastighet og penetrering for ståltype 1018.

Beskyttelsesgass

Inerte gasser brukes vanligvis til å beskytte smeltebadet under laserløsing. Selv om overflateoksidasjon ikke alltid er et problem for visse materialer, brukes helium, argon og nitrogen vanligvis i de fleste applikasjoner for å forhindre oksidasjon av arbeidsstykket under sveising.

Helium ioniseres dårlig (men har høy ioniseringsenergi), noe som tillater laserstrålen å gå gjennom ubehindret og nå arbeidsstykkets overflate uten hindring. Dette er den mest effektive beskyttelsesgassen som brukes ved laserløsing, men den er relativt dyr.

Argon er billigere og har høyere tetthet, noe som gir god beskyttelse. Det ioniseres imidlertid lett av metallplasma ved høy temperatur, noe som blokkerer en del av strålen fra å nå arbeidsstykket, reduserer den effektive laserstyrken og svekker sveihastigheten og inndringen. Sveier som er beskyttet med argon har glattere overflater enn de som er beskyttet med helium.

Nitrogen er den billigste beskyttelsesgassen, men den er ikke egnet til sveising av visse typer rustfritt stål, hovedsakelig på grunn av metallurgiske problemer som absorpsjon, noe som noen ganger kan føre til porøsitet i skjøten.

En annen funksjon til beskyttelsesgasser er å beskytte fokuseringslinsen mot forurensning fra metall damp og sputtering av smeltede dråper. Dette er spesielt viktig ved lasersveising med høy effekt, der det utkastede materialet blir svært kraftig.

En tredje funksjon til beskyttelsesgasser er deres effektivitet i å spre plasmaet som dannes ved sveising med høyeffektlaser. Metall damp absorberer laserstrålen og ioniseres til en plasma sky. Beskyttelsesgassen som omgir metall dampen ioniseres også på grunn av oppvarming. Hvis det er for mye plasma, blir laserstrålen delvis forbrukt av plasmaet. Plasma eksisterer som en sekundær energikilde på arbeidsflaten, noe som fører til mindre dyp sveiseinngrep og en bredere sveiseskål. Elektronrekombinasjonsraten økes ved å øke kollisjonene mellom elektroner, ioner og nøytrale atomer, noe som reduserer elektrontettheten i plasmaet. Jo lettere de nøytrale atomene er, jo høyere er kollisjonsfrekvensen og rekombinasjonsraten; på den andre siden kan bare en beskyttelsesgass med høy ioniseringsenergi hindre en økning i elektrontettheten som følge av ionisering av gassen selv.

Størrelsen på plasma skyen varierer avhengig av hvilken beskyttelsesgass som brukes, der helium har den minste størrelsen, fulgt av nitrogen, og argon har den største. En større plasma sky fører til en grunnere sveiseinngrep. Denne forskjellen skyldes hovedsakelig de ulike gradene av ionisering av gassmolekylene, samt forskjellene i metall dampdiffusjon forårsaket av de ulike tetthetene til beskyttelsesgassene.

Helium har lavest ionisasjon og tetthet, noe som gjør at det raskt kan fortrekke stigende metall damp fra smeltedelen. Derfor undertrykker bruk av helium som beskyttelsesgass plasmaet maksimalt, noe som øker sveiseinngrepet og sveisehastigheten; dets lave vekt gjør også at det lett kan unnskappe, noe som reduserer sannsynligheten for porøsitet. Imidlertid har våre faktiske sveiseresultater vist at argonbeskyttelse er ganske effektiv.

Effekten av plasma skyen på sveiseinngrep er mest uttalt ved lave sveisehastigheter. Effekten avtar når sveisehastigheten øker.

Beskyttelsesgassen strømmer ut med et gitt trykk gjennom en dyse og når arbeidsstykkets overflate. Den hydrodynamiske formen på dysen og utløpsdiameteren er avgjørende. Beskyttelsesgassen må være tilstrekkelig stor til å dekke sveiseoverflaten, men dysestørrelsen må begrenses for å beskytte linset effektivt og forhindre forurensning fra metall damp eller skade på grunn av metallsprut. Strømningshastigheten må også kontrolleres; ellers vil den laminære strømmen av beskyttelsesgassen bli turbulent, luft vil blande seg inn i smeltedypen, og porøsitet vil til slutt dannes.

For å forbedre skjermingseffekten kan en ekstra lateral blåsemetode brukes, der skjermingsgassen injiseres direkte inn i hullformingen i dybpenetrerende sveising gjennom en dys med mindre diameter i en bestemt vinkel. Skjermingsgassen undertrykker ikke bare plasma skyen på arbeidsstykkets overflate, men påvirker også plasmaet inne i hullformingen og dannelsen av hullformingen, noe som ytterligere øker penetreringsdybden og oppnår en sveiseskarv med et ideelt forhold mellom dybde og bredde. Denne metoden krever imidlertid nøyaktig kontroll av gassstrømmen og retningen; ellers kan det lett oppstå turbulens, som skader smeltebadet og gjør sveiseprosessen ustabil.

Linses brennvidde

Under sveising er laserstrålen vanligvis fokusert, vanligvis ved hjelp av linser med brennvidder på 63–254 mm (2,5 ”~10”størrelsen på den fokuserte flekken er direkte proporsjonal med brennvidden; jo kortere brennvidde, jo mindre flekk. Brennvidden påvirker imidlertid også fokustykkelsen, noe som betyr at fokustykkelsen øker proporsjonalt med brennvidden. En kortere brennvidde kan derfor øke effekttettheten, men på grunn av den grunne fokustykkelsen må avstanden mellom linsen og arbeidsstykket holdes nøyaktig, og inndringstykkelser er også begrenset. På grunn av innvirkningen av sprut og lasermodus som oppstår under sveising, er den korteste faktisk brukte brennvidden ofte 126 mm (5″). ”når leddet er stort eller når det er nødvendig å øke sveiseskjøtets størrelse ved å øke flekkstørrelsen, kan en linse med en brennvidde på 254 mm (10″) velges. ”i dette tilfellet kreves en høyere laserutgangseffekt (effekttetthet) for å oppnå dyptgående hulformingsvirkning (keyhole-effekt).

Når laser-effekten overstiger 2 kW, spesielt for 10,6 μ m CO2-laserstråler, på grunn av bruk av spesielle optiske materialer i det optiske systemet, brukes refleksjonsfokusering ofte for å unngå optisk skade på fokuseringslinsen. Polerte kobber speil brukes vanligvis som reflektorer. På grunn av deres effektive kjøleeigenskaper anbefales de ofte for fokusering av laserstråler med høy effekt.

Fokusposisjon

Under sveising er fokusplasseringen avgjørende for å opprettholde tilstrekkelig effekttetthet. Endringer i den relative posisjonen til fokus i forhold til arbeidsstykkets overflate påvirker direkte sveisebredden og -dybden. Figur 2-6 viser virkningen av fokusplasseringen på inndringdybden og sveisebredden for ståltype 1018.

I de fleste laser-sveiseapplikasjonene plasseres fokuset vanligvis ca. en fjerdedel av veien under arbeidsstykkets overflate for å oppnå ønsket inndringdybde.

Laserstråleposisjon

Ved lasersveising av ulike materialer kontrollerer posisjonen til laserstrålen den endelige sveisekvaliteten, spesielt ved buttforbindelser der den er mer følsom enn ved overlappende forbindelser. For eksempel vil riktig kontroll av laserstråleposisjon ved sveising av et herdet stålhjul til en lavkarbonstål-trommel gi en sveise som hovedsakelig består av lavkarbonkomponenter, noe som gir bedre sprekkbestandighet. I noen applikasjoner krever geometrien til det arbeidsstykket som skal sveises at laserstrålen avbøyes i en vinkel. Når avbøyingsvinkelen mellom stråleaksen og leddplanet ligger innenfor 100 grader, påvirkes ikke arbeidsstykkets absorpsjon av laserenergi.

Kontroll av økning og reduksjon av laserstyrke ved sveisestart og sveiseslutt

Under laserdyppesveising eksisterer alltid hullfenomenet, uavhengig av sveisedybden. Når sveiseprosessen avsluttes og strømbryteren slås av, oppstår det en grop ved sveisesluttet. I tillegg kan overabsorpsjon av laserstrålen oppstå når laget med lasersveisning dekker den opprinnelige sveisen, noe som kan føre til overoppheting eller porøsitet i sveiseforbindelsen.

For å forhindre disse fenomenene kan start- og sluttpunktene for effekten programmeres slik at start- og sluttidspunktene for effekten blir justerbare. Det vil si at starteffekten elektronisk økes fra null til den innstilte effektverdien innen en kort tid, og sveisetiden justeres. Til slutt reduseres effekten gradvis fra den innstilte verdien til null ved sveisesluttet.

3. Egenskaper, fordeler og ulemper ved laserdyppesveising

Egenskaper ved laserdyppesveising

1) Høy sideforhold. 1) **Dyp og smal sveiseskjøt:** Fordi smeltet metall dannes rundt den sylindriske høytempererte dampkaviten og strekker seg mot arbeidsstykket, blir sveiseskjøtet dypt og smalt.

2) **Minimal varmeinntak:** På grunn av den ekstremt høye temperaturen inne i åpningen skjer smelteprosessen svært raskt, noe som resulterer i svært lavt varmeinntak til arbeidsstykket, og dermed minimal varmedeformasjon og minimalt varmepåvirket område.

3) **Høy tetthet:** Åpningen fylt med høytemperert damp fremmer røring av sveisebadet og avgassning, noe som fører til et porofritt, fullt gjennomsvært sveiseskjøt. Den høye avkjølingshastigheten etter sveising forbedrer ytterligere mikrostrukturen i sveiseskjøtet.

4) **Sterk sveising:** Den intense varmekilden og fullstendig absorpsjon av ikke-metalliske komponenter reduserer innholdet av urenheter og endrer størrelsen og fordelingen av inklusjoner i sveisebadet. Sveiseprosessen krever ingen elektroder eller tilleggs-tråd, noe som fører til mindre forurensning i smeltsonen, slik at sveistyrken og slagsegheten er minst like gode som – eller til og med bedre enn – grunnmetallet.

5) **Nøyaktig kontroll:** Fordi den fokuserte flekken er svært liten, kan sveisen plasseres nøyaktig. Laserutgangen har ingen «treghet», noe som tillater rask stopp og gjenstart ved høye hastigheter. CNC-bevegelsesteknologi for strålen gjør det mulig å sveise komplekse arbeidsstykker. 6) Kontaktfri sveising i atmosfærisk luft. Ettersom energien kommer fra en fotonstråle, er det ingen fysisk kontakt med arbeidsstykket, og dermed påføres det ingen ytre kraft på arbeidsstykket. Videre påvirkes ikke laserstrålen av magnetisme eller luft.

Fordeler med lasersveising med dyp gjennomtrengning

1) På grunn av den mye høyere effekttettheten til fokuserte laserstråler sammenlignet med konvensjonelle metoder er sveihastigheten høy, den varme-påvirkede sonen og deformasjonen er små, og det er mulig å sveise materialer som er vanskelige å sveise, for eksempel titan.

2) Fordi strålen er lett å overføre og styre, og det ikke er nødvendig med hyppige utskiftninger av sveiepinner og dyser, samt at vakuum ikke kreves som ved elektronstrålesveising, reduseres stillstandstiden betydelig, noe som fører til en høy belastningsfaktor og høy produksjonseffektivitet.

3) På grunn av renseeffekten og den høye avkjølingshastigheten har sveisen høy styrke, tøyghet og helhetlig ytelse.

4) På grunn av lav gjennomsnittlig varmetilførsel er prosesseringen nøyaktig, noe som reduserer kostnadene for omprosessering; i tillegg er driftskostnadene for lasersveising også lavere, noe som dermed reduserer kostnadene for arbeidsstykkets prosessering.

5) Strålintensiteten og nøyaktig posisjonering kan kontrolleres effektivt, noe som gjør automatisert drift enkelt.

Ulemper med lasersveising med dyp gjennomtrengning

1) Begrenset sveidedybde.

2) Høye krav til montering av arbeidsstykker.

3) Høy innledende investering i lasersystemer.