Laserteknik

1. Princip för lasersvetsning

Lasersvetsning kan utföras med kontinuerliga eller pulserade laserstrålar. Principen för lasersvetsning kan delas in i värmeledningssvetsning och lasersvetsning med djupgenomträngning. Effektdensiteten är lägre än 10 ⁴ ~10⁵ B/CM ² är värmeledningsvetsning, som kännetecknas av liten penetrationsdjup och långsam vetskad hastighet. När effektdensiteten är större än 10 ⁵ ~10⁷ B/CM ² , upphettas metallytan, vilket skapar "hålrum" och bildar djupgående vetsning, som kännetecknas av snabb vetskad hastighet och ett stort förhållande mellan djup och bredd.

Principen för värmeledningslaserwelding är följande: laserstrålning upphettar ytan som ska bearbetas, och värmen sprids inåt genom värmeledning. Genom att styra laserparametrar såsom pulsbredd, energi, topp-effekt och upprepningfrekvens får arbetsstycket att smälta och bilda en specifik smältbad.

Laserweldingsmaskiner som används för tandhjulsveckning och metallurgisk tunnplåtsveckning omfattar främst laserdjupgående vetskning. Principen för laserdjupgående vetskning kommer att diskuteras ingående nedan.

Laserdjupsvetsning med genomträngning använder vanligtvis en kontinuerlig laserstråle för att sammanfoga material. Dess metallurgiska fysik är mycket lik elektronstrålesvetsning, där energiomvandlingsmekanismen uppnås genom en "nyckelhålsstruktur". Under tillräckligt hög effekttäthet av laserstrålning avdunstar materialet och bildar en nyckelhål. Denna ångafyllda nyckelhål fungerar som en svartkropp och absorberar nästan all energi från den infallande strålen. Jämviktstemperaturen inuti nyckelhålen når ungefär 2500 °C. Värme överförs från den yttre väggen av denna högtempererade nyckelhål, vilket smälter metallen runtomkring. Nyckelhålet är fyllt med högtempererad ånga som genereras genom kontinuerlig förångning av väggmaterialet under strålbelysning. Nyckelhålets väggar omger smält metall, och den flytande metallen omger fast material (i de flesta konventionella svetsprocesser och lasersvetsning i ledningstillfälle sätts energin först in på arbetsstyckets yta och överförs sedan till insidan). Den flytande strömningen och ytspänningen utanför nyckelhålets väggar upprätthåller ett dynamiskt jämviktsläge med den kontinuerligt genererade ångtrycket inuti nyckelhålet. När laserstrålen kontinuerligt tränger in i nyckelhålet fortsätter materialet utanför nyckelhålet att strömma. När laserstrålen rör sig förblir nyckelhålet i ett stabilt strömläge. Med andra ord rör sig nyckelhålet och den omgivande smältmetallen framåt med samma hastighet som styrrstrålen. Den smältmetallen fyller luckorna som lämnas efter att nyckelhålet har flyttat sig bort och stelnar sedan, vilket bildar en svetsning. Allt detta sker så snabbt att svetshastigheten lätt kan nå flera meter per minut.

2. Nyckelprocessparametrar för lasersvetsning med djupgenomträngning

Laserkraft

Laserlänkning innebär en tröskel för laserenergitäthet. Under denna tröskel är inträngningsdjupet litet; när tröskeln nås eller överskrids ökar inträngningsdjupet markant. Plasma genereras endast när lasermaktstätheten på arbetsstycket överstiger denna tröskel (som varierar beroende på materialet), vilket markerar början på stabil djupinträngningslänkning. Om laserstyrkan ligger under denna tröskel sker endast ytmelting på arbetsstycket, vilket innebär att länkningen sker i en stabil värmediffusionsmod. När lasermaktstätheten ligger nära den kritiska nivån för hålsbildning växlar djupinträngningslänkning och värmediffusionslänkning, vilket leder till en instabil länkningsprocess med stora variationer i inträngningsdjupet. Vid laserlänkning med djupinträngning styr laserstyrkan samtidigt både inträngningsdjupet och länkhastigheten. Inträngningsdjupet i svetsen är direkt kopplat till strålens maktstäthet och är en funktion av infallande stråls effekt och strålens fokuspunkt. I allmänhet ökar inträngningsdjupet med ökande stråleffekt för en laserstråle med en given diameter.

Strålebrännpunkt

Strålfleckens storlek är en av de viktigaste variablerna vid laserlänkning eftersom den bestämmer effektdensiteten. Att mäta den för hög-effektlasrar är dock utmanande, trots att det finns många indirekta mätmetoder.

Den diffraktionsbegränsade strålfleckens storlek kan beräknas utifrån optisk diffraktionsteori. På grund av aberrationer i fokuseringslinsen är dock den faktiska fleckstorleken större än den beräknade värdet. Den enklaste praktiska mätmetoden är isoterma profilometrimetod, som innebär att man bränner ett tjockt pappersark och genomborrar en polypropylenplatta innan man mäter brännpunkten och perforationsdiametern. Denna metod kräver praktisk mätning för att behärska laserstyrkan och varaktigheten av strålkontakten.

Materialabsorptionsvärde

Absorptionen av laserljus av ett material beror på flera viktiga egenskaper, såsom absorberbarhet, reflektivitet, värmeledningsförmåga, smältpunkt och förångningstemperatur, där absorberbarheten är den viktigaste.

Faktorer som påverkar ett materials absorberbarhet för en laserstråle omfattar två aspekter: För det första materialets resistivitet. Mätningar av absorberbarheten hos polerade ytor visar att absorberbarheten är proportionell mot kvadratroten ur resistiviteten, vilken i sin tur varierar med temperaturen. För det andra har ytans tillstånd (eller släthet) en betydande inverkan på strålens absorberbarhet, vilket därmed påverkar svetseffekten i hög grad.

Utmattningsvåglängden för en CO2-laser är vanligtvis 10,6 μ m. Icke-metalliska material såsom keramik, glas, gummi och plast har hög absorptionsgrad vid rumstemperatur, medan metalliska material absorberar svagt vid rumstemperatur, med absorptionen endast att öka kraftigt när materialet smälter eller till och med förångas. Ytbeläggningar eller oxidfilm är effektiva metoder för att förbättra materialets absorption av laserstrålen.

Svetshastighet

Svetshastigheten påverkar i betydande utsträckning svetsgenomträngningen. Ökad hastighet resulterar i mindre genomträngning, medan för låg hastighet leder till övermältning och bränning igenom. Därför finns det för ett specifikt material med given laserstyrka och tjocklek ett lämpligt intervall av svetshastigheter, inom vilket den maximala genomträngningen kan uppnås. Figur 10-2 visar sambandet mellan svetshastighet och genomträngning för ståltyp 1018.

Skyddsgas

Inerta gaser används vanligtvis för att skydda smältbadet under lasersvetsning. Även om ytoxidation inte är ett problem för vissa material används helium, argon och kväve vanligtvis i de flesta tillämpningar för att förhindra oxidation av arbetsstycket under svetsningen.

Helium joniseras dåligt (men har hög joniseringsenergi), vilket gör att laserstrålen kan passera fritt och nå arbetsstyckets yta obegränsat. Detta är den mest effektiva skyddsgasen som används vid lasersvetsning, men den är relativt dyr.

Argon är billigare och har en högre densitet, vilket ger god skyddseffekt. Det joniseras dock lätt av metallplasma vid hög temperatur, vilket leder till att en del av strålen blockeras från att nå arbetsstycket, vilket minskar den effektiva laserstyrkan och försämrar svetshastigheten och genomsänkningen. Svetsförbindelser som skyddas med argon har jämnare ytor än de som skyddas med helium.

Kväve är den billigaste skyddsgasen, men den är inte lämplig för svetsning av vissa typer av rostfritt stål, främst på grund av metallurgiska problem såsom absorption, vilket ibland kan orsaka porositet i fogområdet.

En andra funktion hos skyddsgaser är att skydda fokuseringslinsen mot föroreningar från metallånga och sprutande smält droppar. Detta är särskilt viktigt vid lasersvetsning med hög effekt, där den utkastade materialet blir mycket kraftfullt.

En tredje funktion hos skyddsgaser är deras effektivitet att sprida plasma som genereras vid lasersvetsning med hög effekt. Metallånga absorberar laserstrålen och joniserar till en plasmamoln. Skyddsgasen runt metallångan joniserar också på grund av uppvärmning. Om det finns för mycket plasma förbrukas laserstrålen till viss del av plasma. Plasma finns som en sekundär energikälla på arbetsytor, vilket leder till mindre djup svetsskärning och en bredare svetsbad. Elektronernas rekombinationshastighet ökar genom att kollisioner mellan elektroner, joner och neutrala atomer ökar, vilket därmed minskar elektrontätheten i plasma. Ju lättare de neutrala atomerna är, desto högre är kollisionsfrekvensen och rekombinationshastigheten; å andra sidan kan endast en skyddsgas med hög joniseringsenergi förhindra en ökning av elektrontätheten på grund av gasens egen jonisering.

Storleken på plasmastrålen varierar beroende på vilken skyddsgas som används, där helium ger den minsta storleken, följt av kväve och argon som ger den största. En större plasmastrål resulterar i en mindre djup svettpenetration. Denna skillnad beror främst på de olika graderna av jonisering av gasmolekylerna samt på skillnaderna i metallångas diffusion orsakade av de olika tätheterna hos skyddsgaserna.

Helium har lägst joniseringsgrad och lägst densitet, vilket gör att det snabbt kan fördränga den stigande metallångan från smältmetallpoolen. Därför undertrycker användning av helium som skyddsgas plasma maximalt, vilket ökar svettpenetrationen och svetthastigheten; dess låga vikt gör också att det lätt kan undanröjas, vilket minskar risken för porositet. Enligt våra faktiska svettningsresultat har dock argonskydd visat sig vara mycket effektivt.

Effekten av plasmaströmmen på svettpenetrationen är mest utpräglad vid låga svetthastigheter. Dess effekt minskar när svetthastigheten ökar.

Skyddsgasen strömmar ut under ett visst tryck genom en munstycke och når arbetsstyckets yta. Den hydrodynamiska formen på munstycket och utloppets diameter är avgörande. Skyddsgasflödet måste vara tillräckligt stort för att täcka svettytan, men munstyckets storlek måste begränsas för att effektivt skydda objektivet och förhindra föroreningar från metallånga eller skador orsakade av metallstänk. Flödeshastigheten måste också regleras; annars övergår det laminära flödet av skyddsgasen i ett turbulent flöde, vilket leder till inblandning av atmosfärsluft i smältbadet och slutligen bildning av porer.

För att förbättra skyddeffekten kan en ytterligare laterell blåsningsmetod användas, där skyddsgasen injiceras direkt i hålet i svetsen med djupgenomträngning genom ett munstycke med mindre diameter i en viss vinkel. Skyddsgasen undertrycker inte bara plasma molnet på arbetsstyckets yta, utan påverkar också plasma inuti hålet och bildningen av hålet, vilket ytterligare ökar genomsänkningsdjupet och ger en svets med ett idealiskt förhållande mellan djup och bredd. Denna metod kräver dock exakt kontroll av gasflödeshastigheten och riktningen; annars kan turbulens lätt uppstå, vilket skadar smältbadet och gör svetsprocessen instabil.

Linsens brännvidd

Under svetsningen fokuseras lasern vanligtvis, oftast med hjälp av linser med brännvidder mellan 63–254 mm (2,5 ”~10”storleken på den fokuserade fläcken är direkt proportionell mot brännvidden; ju kortare brännvidden, desto mindre fläcken. Brännvidden påverkar dock också fokudjupet, vilket betyder att fokudjupet ökar proportionellt med brännvidden. En kortare brännvidd kan därför öka effektdensiteten, men på grund av det begränsade fokudjupet måste avståndet mellan linse och arbetsstycke hållas mycket exakt, och penetrationsdjupet är också begränsat. På grund av sprutning och lasermod som uppstår under svetsningen är den kortaste brännvidd som faktiskt används vid svetsning ofta 126 mm (5" ”när fogens storlek är stor eller när svetsens storlek måste ökas genom att öka fläckstorleken kan en lins med brännvidden 254 mm (10" ”) väljas. I detta fall krävs en högre laserutgående effekt (effektdensitet) för att uppnå nyckelhålsverkan med djup penetration.

När laser-effekten överstiger 2 kW, särskilt för 10,6 μ m CO2-laserstrålar, på grund av användningen av speciella optiska material i det optiska systemet, används ofta reflektionsfokusering för att undvika optisk skada på fokuseringslinsen. Polerade koppar speglar används vanligtvis som reflektorer. På grund av deras effektiva kylningsegenskaper rekommenderas de ofta för fokusering av hög-effektlaserstrålar.

Fokusposition

Under svetsning är fokuspositionen avgörande för att upprätthålla tillräcklig effektdensitet. Förändringar i den relativa positionen mellan fokus och arbetsstyckets yta påverkar direkt svetsbredden och svetsdjupet. Figur 2-6 visar effekten av fokuspositionen på penetrationsdjupet och svetsbredden för ståltyp 1018.

I de flesta laser-svetsapplikationer placeras fokus vanligtvis ungefär en fjärdedel av vägen under arbetsstyckets yta för att uppnå önskat penetrationsdjup.

Laserstråles position

Vid lasersvetsning av olika material styr positionen för laserstrålen den slutliga svetskvaliteten, särskilt vid styckfogar där den är mer känslomässig än vid överlappfogar. Till exempel, när ett härdat stålhjul svetsas till en trumma av kolarmt stål, leder korrekt kontroll av laserstrålens position till en svets som främst består av kolarminnade komponenter, vilket ger bättre sprickmotstånd. I vissa applikationer kräver geometrin hos det arbetsstycke som ska svetsas att laserstrålen avböjs i en vinkel. När avböjningsvinkeln mellan strålaxeln och fogplanet ligger inom 100 grader påverkas inte arbetsstyckets absorption av laserenergi.

Styrning av ökning och minskning av laserstyrkan vid start- och slutpunkterna för svetsningen

Under laserdjupsvetsning med genomträngning finns alltid hålfenomenet, oavsett svettdjup. När svetsprocessen avslutas och strömbrytaren slås av uppstår en grop i slutet av svetsen. Dessutom kan överdriven absorption av laserstrålen ske när lagersvetsen täcker den ursprungliga svetsen, vilket leder till överhettning eller porositet i svetsförbindelsen.

För att förhindra dessa fenomen kan start- och slutpunkterna för effekten programmeras så att start- och sluttiderna för effekten är justerbara. Det vill säga att starteffekten elektroniskt ökas från noll till den inställda effektvärdet inom en kort tid, och svetstiden justeras. Slutligen minskas effekten gradvis från den inställda effektnivån till noll vid svetsens avslutning.

3. Egenskaper, fördelar och nackdelar med laserdjupsvetsning med genomträngning

Egenskaper hos laserdjupsvetsning med genomträngning

1) Högt förhållande mellan höjd och bredd. 1) **Djärt och smalt svetsnäht:** Eftersom smältmetallen bildas runt den cylindriska ångkaviteten med hög temperatur och utbreder sig mot arbetsstycket blir svetsnähtet djupt och smalt.

2) **Minimal värmtillförsel:** På grund av den extremt höga temperaturen inuti öppningen sker smältprocessen mycket snabbt, vilket resulterar i en mycket låg värmtillförsel till arbetsstycket, vilket minimerar värmedeformation och den värmpåverkade zonen.

3) **Hög densitet:** Öppningen, fylld med ånga vid hög temperatur, främjar omrörning av svetsbadet och avgång av gas, vilket leder till ett svetsnäht utan porer och full genomsvetsning. Den höga kylningshastigheten efter svetsning förfinar ytterligare mikrostrukturen i svetsnähtet.

4) **Stark svetsning:** Den intensiva värmekällan och den fullständiga absorptionen av icke-metalliska komponenter minskar halt av föroreningar och förändrar storleken och fördelningen av inklusioner i svetsbadet. Svetsprocessen kräver inga elektroder eller tilläggsmaterial, vilket resulterar i mindre kontamination i det smälta området, så att svetsens hållfasthet och seghet åtminstone är lika bra som, eller till och med bättre än, grundmaterialets.

5) **Exakt kontroll:** Eftersom den fokuserade fläcken är mycket liten kan svetsen placeras exakt. Laserns effektutgång har ingen "tröghet", vilket möjliggör snabba stopp och omstart vid höga hastigheter. CNC-styrning av strålen gör det möjligt att svetsa komplexa arbetsstycken. 6) Kontaktfri svetsning i atmosfärisk luft. Eftersom energin kommer från en fotonstråle sker ingen fysisk kontakt med arbetsstycket, så att inga yttre krafter påverkar arbetsstycket. Dessutom påverkas inte lasern av magnetism eller luft.

Fördelar med lasersvetsning med djupgenomträngning

1) På grund av den mycket högre effektdensiteten hos fokuserade laserstrålar jämfört med konventionella metoder är svetshastigheten hög, den värmeberörda zonen och deformationen små, och det går att svetsa svårsvepsamma material som t.ex. titan.

2) Eftersom strålen lätt kan överföras och styras, och det inte krävs frekventa utbyten av svetspistol och munstycken samt inget vakuum krävs (till skillnad från elektronstrålesvetsning), minskar driftstoppet kraftigt, vilket resulterar i en hög lastfaktor och hög produktionsverkningsgrad.

3) På grund av reningsverkan och hög kylningshastighet har svetsen hög hållfasthet, seghet och allmän prestanda.

4) På grund av den låga genomsnittliga värmemängden är bearbetningsnoggrannheten hög, vilket minskar kostnaderna för ombearbetning; dessutom är driftkostnaderna för lasersvetsning också lägre, vilket minskar kostnaderna för arbetsstyckebearbetning.

5) Strålintensiteten och exakt positionering kan effektivt regleras, vilket gör automatiserad drift lätt.

Nackdelar med lasersvetsning med djupgenomträngning

1) Begränsad svetstdjup.

2) Höga krav på montering av arbetsstycken.

3) Hög initial investering i lasersystem.