Ktoré technologické parametre určujú kvalitu zvárania pri laserovom zváraní?
1. Zásada laserového zvárania
Laserové zváranie možno dosiahnuť pomocou spojitého alebo pulzného laserového lúča. Zásada laserového zvárania sa delí na zváranie vedením tepla a hlboké laserové zváranie. Hustota výkonu nižšia ako 10 ⁴ ~10⁵ Šírka/cm ² je zváranie vedením tepla, ktoré sa vyznačuje plytkým prienikom a pomalou rýchlosťou zvárania. Keď je hustota výkonu vyššia ako 10 ⁵ ~10⁷ Šírka/cm ² , povrch kovu sa zohrieva, čím vznikajú „dutiny“ a vytvára sa zváranie s hlbokým prienikom, ktoré sa vyznačuje vysokou rýchlosťou zvárania a veľkým pomerom hĺbky ku šírke.
Princíp zvárania vedením tepla pomocou laseru je nasledovný: laserové žiarenie zohrieva spracovávaný povrch a teplo sa dovnútra šíri vedením tepla. Reguláciou laserových parametrov, ako sú šírka, energia, špičkový výkon a opakovacia frekvencia laserového impulzu, sa dosiahne roztavenie obrobku a vytvorí sa špecifická taviaca sa jama.
Laserové zváracie stroje používané na zváranie ozubných kolies a tenkých kovových plátov v metalurgii sa zameriavajú predovšetkým na hlbokoprienikové laserové zváranie. Princíp hlbokoprienikového laserového zvárania bude podrobne popísaný nižšie.
Laserové zváranie s hlbokým prienikom zvyčajne využíva spojitý laserový lúč na spájanie materiálov. Jeho metalurgicko-fyzikálny princíp je veľmi podobný elektrónovému lúčovému zváraniu, pričom mechanizmus premeny energie sa dosahuje prostredníctvom štruktúry tzv. „kľúčovej diery“. Pri dostatočne vysokom výkone laserového žiarenia sa materiál odparuje a vytvorí sa kľúčová diera. Táto parou naplnená kľúčová diera pôsobí ako čierne teleso a absorbuje takmer celú energiu dopadajúceho lúča. Rovnovážna teplota vo vnútri kľúčovej diery dosahuje približne 2500 °C. Teplo sa prenáša z vonkajšej steny tejto vysokoteplotnej dierky, čím sa topí kov okolo nej. Dierka je naplnená vysokoteplotnou parou, ktorá vzniká neustálym odparovaním materiálu steny pod vplyvom ožiarenia lúčom. Steny dierky obklopujú roztavený kov a kvapalný kov obklopuje pevný materiál (vo väčšine bežných zváracích procesov a pri vedení laserového lúča do materiálu sa energia najprv ukladá na povrch obrobku a potom sa prenáša do jeho vnútra). Kvapalný tok a povrchové napätie mimo stien dierky udržiavajú dynamickú rovnováhu s neustále vznikajúcim parným tlakom vo vnútri dierky. Keď sa laserový lúč neustále pohybuje dovnútra dierky, materiál mimo dierky sa stále pohybuje. Pri pohybe laserového lúča zostáva dierka v stabilnom prúdovom stave. Inými slovami, dierka a roztavený kov okolo nej sa posúvajú dopredu rovnakou rýchlosťou ako vodiaci lúč. Roztavený kov vyplní medzery, ktoré zostanú po tom, čo sa dierka posunie ďalej, a následne sa zatvrdí, čím vznikne zvar. Všetko to prebieha tak rýchlo, že rýchlosť zvárania môže ľahko dosiahnuť niekoľko metrov za minútu.
2. Kľúčové technologické parametre hlbokého laserového zvárania
Výkon lasera
Laserové zváranie vyžaduje prahovú hustotu laserovej energie. Pod týmto prahom je hĺbka prieniku maličká; ak sa tento prah dosiahne alebo prekročí, hĺbka prieniku sa výrazne zväčší. Plazma sa vytvára len vtedy, keď je hustota výkonu laseru na obrobku vyššia ako tento prah (závislý od materiálu), čo označuje začiatok stabilného hlbokého zvárania s prienikom. Ak je výkon laseru pod týmto prahom, na obrobku dochádza iba k povrchovej topenej zóne, čo znamená, že zváranie prebieha v stabilnom režime tepelnej vodivosti. Keď je hustota výkonu laseru blízko kritickej podmienky vzniku kľúčovej dutiny (keyhole), striedajú sa hlboké zváranie s prienikom a zváranie vedením tepla, čo má za následok nestabilný zvárací proces s veľkými kolísaniami hĺbky prieniku. Pri laserovom hlbokom zváraní s prienikom zároveň ovláda výkon laseru hĺbku prieniku aj rýchlosť zvárania. Hĺbka prieniku zvaru je priamo úmerná hustote výkonu lúča a závisí od vstupného výkonu lúča a ohniskovej škvrny lúča. Vo všeobecnosti pri laserovom lúči určitého priemeru sa hĺbka prieniku zvyšuje so zvyšujúcim sa výkonom lúča.
Ohnisková stopa lúča
Veľkosť stopy lúča je jednou z najdôležitejších premenných pri laserovom zváraní, pretože určuje výkonovú hustotu. Meranie tejto veličiny pre vysokovýkonové lasery je však náročné, napriek existencii mnohých nepriamych metód merania.
Difrákciou obmedzenú veľkosť stopy lúča možno vypočítať na základe optickej difrákčnej teórie. V dôsledku aberácií zameriavacej šošovky je však skutočná veľkosť stopy väčšia ako vypočítaná hodnota. Najjednoduchšou praktickou metódou merania je metóda izotermickej profilometrie, pri ktorej sa spálením hrubej papierovej dosky a prebitím polypropylénovej dosky zisťuje ohnisková stopa a priemer perforácie. Táto metóda vyžaduje praktické meranie na ovládnutie výkonu lasera a doby kontaktu lúča s materiálom.
Hodnota absorpcie materiálu
Absorpcia laserového svetla materiálom závisí od niekoľkých dôležitých vlastností, ako sú absorpčný koeficient, odrazivosť, tepelná vodivosť, teplota topenia a teplota vyparovania, pričom najdôležitejšou je absorpčný koeficient.
Faktory ovplyvňujúce absorpčný koeficient materiálu vo vzťahu k laserovému lúču zahŕňajú dva aspekty: Po prvé, elektrický odpor materiálu. Merania absorpčného koeficientu lesklých povrchov ukazujú, že absorpčný koeficient je úmerný druhej odmocnine elektrického odporu, ktorý zase závisí od teploty. Po druhé, stav povrchu (alebo hladkosť) materiálu má významný vplyv na absorpciu lúča, čo významne ovplyvňuje účinok zvárania.
Výstupná vlnová dĺžka CO2 laseru je zvyčajne 10,6 μ m. Nehmotné materiály, ako sú keramika, sklo, gumy a plasty, majú pri izbovej teplote vysoké koeficienty absorpcie, zatiaľ čo kovové materiály ju pri izbovej teplote absorbujú zle; ich absorpcia sa výrazne zvyšuje až po roztavení alebo dokonca odparení materiálu. Povrchové povlaky alebo oxidové vrstvy sú účinnými metódami na zvýšenie absorpcie laserového lúča materiálom.
Rýchlosť zvárania
Rýchlosť zvárania výrazne ovplyvňuje hĺbku zváracieho švu. Zvýšenie rýchlosti má za následok menšiu hĺbku prieniku, zatiaľ čo príliš nízka rýchlosť vedie k nadmernému roztaveniu a prepaľovaniu. Preto pre konkrétny materiál s daným výkonom laseru a určitou hrúbkou existuje vhodný rozsah rýchlostí zvárania, v rámci ktorého je možné dosiahnuť maximálnu hĺbku prieniku. Obrázok 10-2 znázorňuje vzťah medzi rýchlosťou zvárania a hĺbkou prieniku pre oceľ 1018.
Ochranný plyn
Inertné plyny sa bežne používajú na ochranu taviacej sa lázového bazénu počas laserového zvárania. Hoci povrchové oxidácia nemusí byť problémom pre určité materiály, v väčšine aplikácií sa na prevenciu oxidácie obrobku počas zvárania bežne používajú hélium, argón a dusík.
Hélium sa zle ionizuje (ale má vysokú energiu ionizácie), čo umožňuje laserovému lúču prechádzať hladko a dosahovať povrch obrobku bez prekážok. Ide o najúčinnejší ochranný plyn používaný pri laserovom zváraní, avšak je relatívne drahý.
Argón je lacnejší a má vyššiu hustotu, čo zabezpečuje dobrú ochranu. Je však ľahko ionizovateľný vysokoteplotným kovovým plazmou, čo čiastočne blokuje lúč pred dosiahnutím obrobku, zníži efektívnu výkonovú úroveň laseru a zhorší rýchlosť zvárania a hĺbku pretavenia. Zvary chránené argónom majú hladší povrch ako zvary chránené héliom.
Dusík je najlacnejší ochranný plyn, avšak nie je vhodný na zváranie určitých druhov nehrdzavejúcej ocele, najmä z dôvodov metalurgického charakteru, ako je absorpcia, ktorá niekedy môže spôsobiť pórovitosť v oblasti zvaru.
Druhou funkciou ochranných plynov je ochrana zameriavacej šošovky pred kontamináciou kovovou parou a rozstrekovaním kvapiek roztaveného kovu. Toto je obzvlášť dôležité pri zváraní vysokovýkonnými lasermi, kde vymrštený materiál nadobúda veľkú intenzitu.
Tretou funkciou ochranných plynov je ich účinnosť pri rozptyľovaní plazmy vznikajúcej pri zváraní vysokovýkonnými lasermi. Kovová para absorbuje laserový lúč a ionizuje sa na plazmový oblak. Ochranný plyn obklopujúci kovovú paru sa tiež ionizuje v dôsledku zahrievania. Ak je prítomná príliš veľa plazmy, laserový lúč sa čiastočne spotrebuje v plazme. Plazma funguje ako sekundárny zdroj energie na pracovnom povrchu, čo má za následok plytší zvarový priestor a širší zvarový bazén. Rýchlosť rekombinácie elektrónov sa zvyšuje zvýšením počtu zrážok medzi elektrónmi, iónmi a neutrálnymi atómami, čím sa zníži hustota elektrónov v plazme. Čím sú neutrálne atómy ľahšie, tým je vyššia frekvencia zrážok a rýchlosť rekombinácie; na druhej strane môže zabrániť zvýšeniu hustoty elektrónov iba ochranný plyn s vysokou energiou ionizácie, aby sa zabránilo ionizácii samotného plynu.
Veľkosť plazmového oblaku sa líši v závislosti od použitého ochranného plynu: hélium má najmenšiu veľkosť, nasleduje dusík a argón má najväčšiu. Väčší plazmový oblak má za následok menej hlboké zváranie. Tento rozdiel je predovšetkým spôsobený rôznym stupňom ionizácie molekúl plynu, ako aj rozdielmi v difúzii kovových pár spôsobenými rôznou hustotou ochranných plynov.
Hélium má najnižšiu ionizačnú energiu a hustotu, čo mu umožňuje rýchlo vytláčať stúpajúce kovové pary z taveniny. Preto použitie hélia ako ochranného plynu maximálne potláča tvorbu plazmy, čím sa zvyšuje hĺbka zvárania aj rýchlosť zvárania; jeho nízka hmotnosť tiež umožňuje ľahké uniknutie z oblasti zvárania, čo zníži pravdepodobnosť vzniku pórov. Avšak na základe našich skutočných výsledkov zvárania sa ukázalo, že ochrana argónom je veľmi účinná.
Vplyv plazmového oblaku na hĺbku zvárania je najvýraznejší pri nízkych rýchlostiach zvárania. Jeho účinok sa znižuje so zvyšujúcou sa rýchlosťou zvárania.
Ochranný plyn je vystreľovaný cez trysku určitým tlakom a dosahuje povrch obrobku. Hydrodynamický tvar trysky a priemer výstupného otvoru sú rozhodujúce. Ochranný plyn musí byť dostatočne intenzívny, aby pokryl zváraciu plochu, avšak veľkosť trysky musí byť obmedzená tak, aby sa účinne chránila šošovka a zabránilo sa kontaminácii kovovou parou alebo poškodeniu špicami rozstrekujúceho sa kovu. Rýchlosť toku musí byť tiež presne regulovaná; inak sa laminárny tok ochranného plynu premení na turbulentný, do taviacej sa lázně sa dostane atmosférický vzduch a nakoniec vzniknú póry.
Na zlepšenie účinku ochrany možno použiť dodatočnú bočnú metódu prívodu ochranného plynu, pri ktorej sa ochranný plyn privádza priamo do otvoru (pinhole) hlbokého zváraného švu cez trysku menšieho priemeru pod určitým uhlom. Ochranný plyn nielen potláča plazmový oblak na povrchu obrobku, ale zároveň ovplyvňuje plazmu vo vnútri otvoru (pinhole) a tvorbu tohto otvoru, čím ďalšie zvyšuje hĺbku prieniku a umožňuje dosiahnuť zvar s ideálnym pomerom hĺbka/šírka. Táto metóda však vyžaduje presnú kontrolu prietoku a smeru plynu; v opačnom prípade sa ľahko môže vyskytnúť turbulencia, ktorá poškodí taviacu sa lázovú kaluž a spôsobí nestabilitu zváracieho procesu.
Ohnisková vzdialenosť objektívu
Počas zvárania je laser zvyčajne zameraný, najčastejšie pomocou šošoviek s ohniskovou vzdialenosťou 63–254 mm (2,5 ”~10”veľkosť zameraného lúča je priamo úmerná ohniskovej vzdialenosti; čím je ohnisková vzdialenosť kratšia, tým je bod menší. Ohnisková vzdialenosť však tiež ovplyvňuje hĺbku ostrosti, čo znamená, že hĺbka ostrosti sa zvyšuje úmerne s ohniskovou vzdialenosťou. Preto kratšia ohnisková vzdialenosť môže zvýšiť hustotu výkonu, avšak kvôli miernej hĺbke ostrosti musí byť vzdialenosť medzi šošovkou a obrobkom presne udržiavaná a hĺbka prieniku je tiež obmedzená. V dôsledku vplyvu rozstrekujúcich sa častíc a režimu laserového lúča vznikajúcich počas zvárania je najkratšia skutočne používaná ohnisková vzdialenosť pri zváraní často 126 mm (5″). ”keď je spoj veľký alebo keď je potrebné zväčšiť veľkosť zvaru zväčšením veľkosti zameraného bodu, možno vybrať šošovku s ohniskovou vzdialenosťou 254 mm (10″). ”v tomto prípade je na dosiahnutie efektu kľúčovej dutiny s hlbokým prienikom vyžadovaný vyšší výstupný výkon laseru (hustota výkonu).
Keď výkon laseru presahuje 2 kW, najmä pri 10,6 μ laserové lúče CO₂ s vlnovou dĺžkou m, v dôsledku použitia špeciálnych optických materiálov v optickom systéme, sa na zabránenie poškodeniu zameriavacej šošovky často používa odrazové zameriavanie. Ako odrazové plochy sa zvyčajne používajú leštené mediene zrkadlá. Vzhľadom na ich účinné chladenie sa často odporúčajú na zameriavanie vysokovýkonových laserových lúčov.
Pozičné miesto
Počas zvárania je poloha ohniska kľúčová pre udržanie dostatočnej hustoty výkonu. Zmeny relatívnej polohy ohniska voči povrchu obrobku priamo ovplyvňujú šírku a hĺbku zvaru. Obrázok 2-6 znázorňuje vplyv polohy ohniska na hĺbku prieniku a šírku zvaru ocele 1018.
V väčšine aplikácií laserového zvárania sa ohnisko zvyčajne umiestňuje približne o jednu štvrtinu pod povrch obrobku, aby sa dosiahla požadovaná hĺbka prieniku.
Poloha laserového lúča
Pri laserovom zváraní rôznych materiálov poloha laserového lúča ovplyvňuje konečnú kvalitu zvaru, najmä pri stykových zvaroch, kde je citlivejšia ako pri prekrytých zvaroch. Napríklad pri zváraní kalenej ocele (ozubeného kolesa) s nízkouhlíkovou oceľou (bubnom) správna regulácia polohy laserového lúča vedie k vytvoreniu zvaru, ktorý sa skladá predovšetkým z nízkouhlíkových zložiek a prejavuje lepšiu odolnosť voči trhlinám. V niektorých aplikáciách vyžaduje geometria zváraného dielu, aby bol laserový lúč odchylený pod určitým uhlom. Ak je uhol odchýlenia medzi osou lúča a rovinou zvaru do 100 stupňov, absorpcia laserovej energie pracovným kusom sa neovplyvní.
Regulácia výkonu laseru pri zvyšovaní a znížení na začiatku a konci zvárania
Počas hlbokého laserového zvárania sa jav dutiny (pinhole) vždy vyskytuje bez ohľadu na hĺbku zvaru. Keď sa zvárací proces ukončí a vypne sa napájanie, na konci zvaru vznikne jamka. Okrem toho, keď sa vrstva laserového zvaru prekryje s pôvodným zvarom, môže dôjsť k nadmernému absorbovaniu laserového lúča, čo spôsobuje prehriatie alebo pórovitosť zvaru.
Na zabránenie týmto javom je možné programovať začiatok a koniec výkonu tak, aby boli časy zapnutia a vypnutia výkonu nastaviteľné. To znamená, že výkon na začiatku sa elektronicky zvyšuje z nuly na nastavenú hodnotu výkonu v krátkom čase a upravuje sa doba zvárania. Nakoniec sa na konci zvárania výkon postupne zníži z nastavenej hodnoty na nulu.
3. Vlastnosti, výhody a nevýhody hlbokého laserového zvárania
Vlastnosti hlbokého laserového zvárania
1) Vysoký pomer výšky k šírke. 1) **Hlboký a úzky zvar:** Keďže roztopený kov vzniká okolo valcovitej vysokoteplotnej parnej dutiny a smeruje do obrobku, je zvar hlboký a úzky.
2) **Minimálny prívod tepla:** V dôsledku extrémne vysokých teplôt vo vnútri otvoru sa proces topenia odohráva veľmi rýchlo, čo má za následok veľmi nízky prívod tepla do obrobku a minimalizuje tepelné deformácie a tepelne ovplyvnenú zónu.
3) **Vysoká hustota:** Otvor naplnený vysokoteplotnou parou umožňuje premiešavanie zváracieho kúpeľa a uvoľňovanie plynov, čo vedie k zvaru bez pórov a s úplným prepenetrením. Vysoká rýchlosť chladenia po zváraní ďalej jemní mikroštruktúru zvaru.
4) **Silný zvar:** Intenzívny zdroj tepla a úplné absorbovanie nekovových zložiek znížia obsah nečistôt a zmenia veľkosť a rozloženie nečistôt v zvarenej lázni. Zvárací proces nepotrebuje elektródy ani prídavný drôt, čo vedie k menšej kontaminácii v tekutom priestore, čím sa pevnosť a húževnatosť zvaru rovnajú alebo dokonca prekračujú pevnosť a húževnatosť základného materiálu.
5) **Presná regulácia:** Keďže sústredená stopa je veľmi malá, zvar možno presne umiestniť. Výstup laseru nemá „zotrvačnosť“, čo umožňuje rýchle zastavenie a opätovné spustenie pri vysokých rýchlostiach. Technológia pohybu lúča pomocou CNC umožňuje zváranie zložitých súčiastok. 6) Bezkontaktný zvárací proces v atmosfére. Keďže energia pochádza z fotonového lúča, nedochádza k fyzickému kontaktu so súčiastkou, takže na súčiastku sa nepôsobí žiadnou vonkajšou silou. Okrem toho magnetizmus a vzduch nemajú na laser žiadny vplyv.
Výhody hlbokého laserového zvárania
1) Vzhľadom na výrazne vyššiu výkonovú hustotu zameraných laserov v porovnaní s konvenčnými metódami je rýchlosť zvárania vysoká, tepelne ovplyvnená zóna a deformácia sú malé a je možné zvárať ťažko zvárateľné materiály, ako je titán.
2) Keďže lúč je ľahko prenášateľný a ovládateľný a nie je potrebné často meniť zvárací horák a dýzky ani vytvárať vakuum, ako je to pri elektrónovom lúčovom zváraní, doba mrtvej doby sa výrazne zníži, čo vedie k vysokému koeficientu využitia a výrobnej efektívnosti.
3) Vzhľadom na čistiaci účinok a vysokú rýchlosť chladenia má zvar vysokú pevnosť, húževnatosť a celkový výkon.
4) Vzhľadom na nízky priemerný tepelný príkon je spracovateľná presnosť vysoká, čo zníži náklady na opätovné spracovanie; navyše sú prevádzkové náklady pri laserovom zváraní tiež nižšie, čím sa znížia náklady na spracovanie polotovarov.
5) Intenzitu lúča a presné umiestnenie je možné efektívne ovládať, čo umožňuje jednoduchú automatizáciu prevádzky.
Nevýhody hlbokého laserového zvárania
1) Obmedzená hĺbka zvárania.
2) Vysoké požiadavky na montáž polotovarov.
3) Vysoké počiatočné investície do laserových systémov.
