Ласерска технологија

1. у вези са Принцип ласерског заваривања

Ласерско заваривање се може постићи коришћењем континуираних или импулсираних ласерских зрака. Принцип ласерског заваривања може се поделити на заваривање топлотне проводности и ласерско дубоко продирање заваривања. Плотност снаге мања од 10 4 ~105 У/ЦМ 2 је заваривање топлотним проводом, које се карактерише ниском прониклошћу и спором брзином заваривања. Када је густина снаге већа од 10 5 ~107 У/ЦМ 2 , метална површина се загрева, стварајући "кувости" и формирајући дубоко продирање заваривања, које се карактерише брзом брзином заваривања и великим односу дубине на ширину.

Принцип заваривања ласером са топлотном проводом је следећи: ласерско зрачење загрева површину која се обрађује, а топлота површине дифузира унутра кроз топлотну проводност. Контролисањем параметара ласера као што су ширина, енергија, пикова снага и фреквенција понављања ласерског импулса, радни део се топи, формирајући специфичан растан базен.

Ласерски машина за заваривање који се користе за заваривање зуба и металургијски заваривање танких плоча углавном укључују ласерско дубоко продирање заваривања. Принцип ласерског заваривања дубоког пробијања детаљно ће се размотрити испод.

Ласерско дубоко пробијање заваривања обично користи континуиран ласерски зрак за спајање материјала. Његова металургијска физика је веома слична заваривању електронским гредом, са механизмом конверзије енергије постигнутим кроз структуру "кључаре". Под ласерским зрачењем довољно велике густине снаге, материјал испарава и формира кључару. Ова кључњака испуњена паром делује као црно тело, апсорбујући скоро сву енергију падајућег зрака. Тјелотежа температура унутар кључаре достиже око 2500 °Ц. Топла се преноси са спољашњег зида ове кључаре, што растопи метал који је око ње. Кључарово дупка је напуњена високотемпературном паром коју ствара континуирано испаравање материјала зида под зрачним зрачењем. Зидови кључаре околице топљеног метала, а течни метал околице чврстог материјала (у већини конвенционалних процеса заваривања и ласерског провођења заваривања, енергија се прво депозира на површини радног комада, а затим се преноси у унутрашњост). Проток течности и површинска напетост изван зидова кључаре одржавају динамичку равнотежу са непрестано генерисаним притиском паре унутар кључаре. Како ласерски зрак стално улази у кључну рупу, материјал изван кључне рупе наставља да тече. Док се ласерски зрак креће, кључара остаје у сталном стању протока. Другим речима, дупка и растворени метал који је окружују крећу се напред истим брзином као и путевац. Топљени метал попуњава празнине које остају након што се дупка оддалечи и затим се учврсти, тако формирајући заварило. Све се то дешава тако брзо да брзине заваривања могу лако достићи неколико метара у минути.

2. Уколико је потребно. Кључни параметри процеса ласерског заваривања дубоко продирујућим

Ласерска снага

Ласерско заваривање подразумева праг густине ласерске енергије. испод овог прага, дубина прониклости је плитка; када се достигне или пређе, дубина прониклости значајно се повећава. Плазма се генерише само када густина ласерске снаге на радном делу прелази овај праг (зависи од материјала), што означава почетак стабилног заваривања дубоког проникња. Ако је ласерска снага испод овог прага, на радном делу се дешава само површинско топљење, што значи да се заваривање одвија у стабилном режиму провођења топлоте. Када је густина ласерске снаге близу критичног услова за формирање кључаре, варење дубоког проналазања и вођење заваривања се измењују, што резултира нестабилним процесом заваривања са великим флуктуацијама дубине проналазања. У ласерском заваривању дубоког проналаза, ласерска снага истовремено контролише дубину проналаза и брзину заваривања. Дубина прониклости заваривача је директно повезана са густином снаге зрака и функција је снаге падајућег зрака и фокусне тачке зрака. Генерално, за ласерски зрак одређеног дијаметра, дубина прониклости се повећава са повећањем снаге зрака.

Фокусна тачка зрака

Величина тачке зрака је једна од најважнијих променљивих у ласерском заваривању јер одређује густину снаге. Међутим, мерење за ласере велике снаге је изазов, упркос постојању многих индиректних метода мерења.

Величина дифракцијски ограничене тачке ласерског зрака може се израчунати на основу оптичке теорије дифракције. Међутим, због аберација у фокусирању сочива, стварна величина тачке је већа од израчунате вредности. Најједноставнија практична метода мерења је метода изотермалне профилометрије, која укључује угорљање дебелог комад папира и пробијање полипропиленске плоче пре мерења фокусне тачке и пречника перфорације. Ова метода захтева практична мерења да би се овластила ласерском снагом и трајањем контакта зрака.

Вредина апсорпције материјала

Апсорпција ласерске светлости материјалом зависи од неколико важних својстава, као што су апсорптивност, рефлективност, топлотна проводност, температура топљења и температура испаравања, а апсорптивност је најважнија.

Фактори који утичу на апсорптивност материјала ласерском зраку укључују два аспекта: Прво, отпорност материјала. Измерјања апсорптивности полираних површина показују да је апсорптивност пропорционална квадратном корену отпорности, која се заузврат мења са температуром. Друго, стање површине (или глаткоћа) материјала има значајан утицај на апсорптивност греда, чиме се значајно утиче на ефекат заваривања.

Излазна таласна дужина ЦО2 ласера је обично 10,6 μ м. Неметални материјали као што су керамика, стакло, гума и пластике имају високу стопу апсорпције на собној температури, док метални материјали слабо апсорбују на собној температури, а апсорпција се само јако повећава када се материјал стопи или чак испарава. Површински премази или оксидни филмови су ефикасне методе за побољшање апсорпције ласерског зрака материјалом.

Брзина заваривања

Брзина заваривања значајно утиче на проникност заваривача. Повећање брзине резултира мање плитки проник, док сувише ниске брзине доводе до преплављења и изгоревања. Стога, за одређени материјал са датом ласерском снагом и дебљином, постоји одговарајући опсег брзина заваривања, у којима се може постићи максимална проникност. Слика 10-2 показује однос између брзине заваривања и прониклости за 1018 челика.

Гас за штититовање

Инртни гасови се обично користе за заштиту растопљеног базена током ласерског заваривања. Иако површинско оксидацију не може бити проблем за одређене материјале, хелијум, аргон и азот се обично користе у већини апликација како би се спречило оксидацију радног комада током заваривања.

Хелијум је слабо јонизован (али има високу енергију јонизације), што омогућава ласерској зраци да прође гладко и без препрека достигне површину радног комада. То је најефикаснији штитни гас који се користи у ласерском заваривању, али је релативно скуп.

Аргон је јефтинији и има већу густину, што резултира добром заштитом. Међутим, лако се јонизује металовом плазмом на високој температури, која штити део греда од стицања радног комада, смањујући ефикасну ласерску снагу и ометајући брзину заваривања и пролаз. Заваривани са аргоном имају глатке површине од оних заштићених хелијем.

Азот је најјефтинији гас за штитило, али није погодан за заваривање одређених врста нерђајућег челика, углавном због металургијских проблема као што је апсорпција, која понекад може створити порозност у површини зглоба.

Друга функција штитних гасова је заштита фокусиране сочиве од контаминације металне паре и прскања растопњених капи. Ово је посебно важно у ласерском заваривању велике снаге, где избачен материјал постаје веома снажан.

Трећа функција штитних гасова је њихова ефикасност у распршивању плазме настале ласерским заваривањем високе снаге. Метална парова апсорбују ласерску зрачку и јонишу се у плазмен облак. Заштитни гас који окружује металну пару такође се јонизује због загревања. Ако је превише плазме, ласерски зрак је у извесној мери потрошен плазмом. Плазма постоји као секундарни извор енергије на радној површини, што резултира нижим прониквањем заварива и ширим базом заварива. Стопа рекомбинације електрона се повећава повећавањем сукоба између електрона, јона и неутралних атома, чиме се смањује густина електрона у плазми. Што су неутрални атоми лакши, то је бржа фреквенција сукоба и стопа рекомбинације; с друге стране, само заштитни гас са високом енергијом јонизације може спречити повећање густине електрона због јонизације самог гаса.

Величина плазменог облака варира у зависности од коришћеног штитантног гаса, са хелијем који има најмању величину, а затим азот и аргон који има највећу. Већи плазмен облак резултира нижим прониквањем заваривача. Ова разлика је првенствено због различитих степена јонизације молекула гаса, као и разлика у дифузији металне паре узрокованих различитим густинама штитних гасова.

Хелијум има најнижу јонизацију и густину, што му омогућава да брзо измести растућу металну пару из топлог металног базена. Стога, коришћење хелија као штитантног гаса максимално супресира плазму, чиме се повећава проникност заваривача и брзина заваривања; његова лага тежина такође омогућава да лако избегне, смањујући вероватноћу порозности. Међутим, на основу наших стварних резултата заваривања, аргонско штитње доказало се прилично ефикасним.

Утицај плазменог облака на проникљење заваривача најочуњенији је на ниским брзинама заваривања. Његов ефекат се смањује с повећањем брзине заваривања.

Гас за штитило се избацује под одређеним притиском кроз млазницу и достиже површину радног комада. Хидродинамички облик млазнице и пречник излаза су од кључне важности. Гас за штитило мора бити довољно велики да покрије површину заваривања, али величина млазнице мора бити ограничена да би ефикасно заштитила сочу и спречила контаминацију металне паре или оштећење металним прскањем. Проток мора бити контролисан; у супротном, ламинарни проток штитантног гаса ће постати турбулентан, атмосферско уношење ће ући у растворени базен, а на крају ће се формирати порозност.

Да би се побољшао ефекат штитње, може се користити додатна метода бочног душења, где се штитњачки гас убризгава директно у дупљину штитњака дубоког прониклости кроз млазницу малог дијаметра под одређеним углом. Гас за штитило не само да потисне плазмен облак на површини радног комада, већ такође утиче на плазму унутар дупе и на формирање дупе, додатно повећавајући дубину прониклости и постижући заваривање са идеалним односом дубине и ширине. Међутим, ова метода захтева прецизну контролу брзине и правца проток гаса; у супротном, турбуленција се лако може појавити, оштећујући растворени базен и чинећи процес заваривања нестабилним.

Фокална дужина објектива

Током заваривања, ласер се обично фокусира, обично користећи сочиве са фокусним дужинама од 63 ~ 254 мм (2.5 ”~10”)). Величина фокусиране тачке је директно пропорционална фокусној удаљености; што је краћа фокусна удаљеност, то је мања тачка. Међутим, фокусна дужина такође утиче на дубину фокуса, што значи да дубина фокуса расте пропорционално са фокусном дужином. Стога, краћа фокусна дужина може повећати густину снаге, али због ниске дубине фокуса, растојање између сочива и радног комада мора бити прецизно одржавано, а дубина проналазања је такође ограничена. Због утицаја прскања и ласерског режима који се ствара током заваривања, најкраћа фокусна дужина која се заправо користи у заваривању често је 126 мм (5 ”)). Када је зглоб велики или када је потребно повећати величину заваривања повећавањем величине тачке, сочива са фокусном удаљеношћу од 254 мм (10 ”) могу бити изабрани. У овом случају, за постизање ефекта дубоке прониклости кључаре, потребна је већа ласерска излазна снага (густина снаге).

Када је ласерска снага већа од 2кВт, посебно за 10,6 μ м CO2 ласерски зраци, због употребе специјалних оптичких материјала у оптичком систему, рефлексивно фокусирање се често користи како би се избегло оптичко оштећење фокусирајуће леће. Полирана бакарна огледала се обично користе као рефлектори. Због својих ефикасних хладних својстава, често се препоручују за фокусирање ласерских зрака велике снаге.

Позиција фокуса

Током заваривања, положај фокуса је од кључног значаја за одржавање довољне густине снаге. Промене у релативном положају фокуса према површини радног комада директно утичу на ширину и дубину заваривања. Слика 2-6 показује ефекат положаја фокуса на дубину прониклости и ширину заваривања 1018 челика.

У већини апликација за заваривање ласером, фокус се обично поставља око једне четвртине пута испод површине радног комада како би се постигла жељена дубина прониклости.

Позиција ласерског зрака

Када се ласерски заварију различити материјали, положај ласерског зрака контролише коначну квалитет заваривања, посебно у затварама са затварачем где је осетљивији него у затварачима са затварачем. На пример, када се завари загарени челични колак на барабан од челика са ниским нивоом угљеника, правилна контрола положаја ласерског зрака резултираће заваривањем углавном састављеном од компоненти са ниским нивоом угљеника, који показује бољу отпорност на пукотине. У неким апликацијама, геометрија радног комада који се заварива захтева да се ласерски зрак одклони под углом. Када је угао одвијања између осене зрака и равни зглоба у оквиру 100 степени, апсорпција ласерске енергије радног комада неће бити погођена.

Контрола повећања и смањења ласерске снаге на почетку и завршним тачкама заваривања

Током ласерског заваривања дубоког проналазања, без обзира на дубину заваривања, феномен штичнице увек постоји. Када се процес заваривања заврши и прекидач за напајање буде искључен, на крају заваривања ће се појавити јама. Осим тога, када слој ласерског заваривања покрива оригинални заваривач, може се десити прекомерна апсорпција ласерског зрака, што доводи до прегревања или порозности у заваривању.

Да би се спречили ови феномени, почетна и завршна точка енергије могу се програмирати тако да се почетак и завршни времена енергије могу подесити. То јест, почетна снага се електронски повећава са нуле на постављену вредност снаге у кратком времену, а време заваривања се прилагођава. На крају, на крају заваривања, снага се постепено смањује са постављене снаге на нулу.

3. Уколико је потребно. Карактеристике, предности и недостаци ласерског заваривања дубоко продирењем

Карактеристике ласерског заваривања дубоко продирујућим

1) Висок однос страна. 1) **Дубоки и уски завари:** Пошто се топљени метал формира око цилиндричне високотемпературне пара и протеже према радном делу, заваривање постаје дубоко и уско.

2) **Минимални улаз топлоте:** Због изузетно високе температуре унутар отвор, процес топљења се одвија веома брзо, што резултира веома малим улазом топлоте на радни комад, што минимизира топлотно деформацију и зону погођену топлотом.

3) **Вргу густину:** Апертура напуњена паром на високој температури олакшава померање базена за заваривање и излазак гаса, што доводи до заваривања без порозитета, потпуно продиреног. Висока стопа хлађења након заваривања додатно прецизира микроструктуру заваривања.

4) **Стврбо заваривање:** Интензивни извор топлоте и пуна апсорпција неметалних компоненти смањују садржај нечистоћа и мењају величину и распореду укључења у залив заваривања. Процес заваривања не захтева електроде или жицу за пуњење, што резултира мањом контаминацијом у топљеној зони, чинећи чврстоћу и чврстоћу заваривања најмање једнаким или чак већим од неком основном металу.

5) **Прецизна контрола:** Пошто је фокусна тачка веома мала, заварило се може прецизно поставити. Ласерски излаз нема "инерцију", омогућавајући брзе заустављање и поновно покретање на високим брзинама. Технологија покретања цнц греда омогућава заваривање сложених делова. 6) Без контакта атмосферски заваривање процес. Пошто енергија долази из зрака фотона, нема физичког контакта са радним комадом, тако да се на радни комад не примењује никаква спољна сила. Осим тога, магнетизам и ваздух немају никакав утицај на ласер.

Предности ласерског заваривања дубоко продирењем

1) Због много веће густине снаге фокусираних ласера у поређењу са конвенционалним методама, брзина заваривања је брза, зона која се осећа топлотом и деформација су мала, а може заваривати тешко завариване материјале као што је титан.

2) Пошто је зрак лако преносити и контролисати, а нема потребе за честамена промена заваривачких факела и млазница, а заваривање електронским зраком није потребно прање, време простора се значајно смањује, што резултира високим фактором оптерећења и ефикасношћу производње.

3) Због ефекта пречишћавања и високе брзине хлађења, заварило има високу чврстоћу, чврстоћу и укупне перформансе.

4) Због ниског просечног улаза топлоте, тачност обраде је висока, смањујући трошкове репроцесирања; Поред тога, оперативни трошкови ласерског заваривања су такође нижи, тако да се смањују трошкови обраде делова.

5) Интензитет зрака и прецизно позиционирање могу бити ефикасно контролисани, што олакшава аутоматизовано управљање.

Недостаци ласерског заваривања дубоко продирењем

1) Ограничена дубина заваривања.

2) Високи захтеви за монтажу радног комада.

3) Високе почетне инвестиције у ласерске системе.