Teknolohiya ng Laser

1. Prinsipyo ng Laser Welding

Ang laser welding ay maaaring maisagawa gamit ang patuloy o pulso na mga sinag ng laser. Ang prinsipyo ng laser welding ay maaaring hatiin sa heat conduction welding at laser deep penetration welding. Ang density ng kapangyarihan na mas mababa sa 10 ⁴ ~10⁵ W/CM ² ay pagsasagawa ng pag-welding sa pamamagitan ng pagpapasa ng init, na nakatutukoy sa mababaw na pagpasok at mabagal na bilis ng pag-welding. Kapag ang density ng kapangyarihan ay higit sa 10 ⁵ ~10⁷ W/CM ² , iniinit ang ibabaw ng metal, na lumilikha ng mga "kuwadro" at bumubuo ng pag-welding na may malalim na pagpasok, na nakatutukoy sa mabilis na bilis ng pag-welding at malaking ratio ng lalim sa lapad.

Ang prinsipyo ng pag-welding sa pamamagitan ng laser na batay sa pagpapasa ng init ay ang sumusunod: ang radiation ng laser ay iniinit ang ibabaw na gagawin, at ang init sa ibabaw ay kumakalat paitaas sa loob sa pamamagitan ng pagpapasa ng init. Sa pamamagitan ng pagkontrol sa mga parameter ng laser tulad ng lapad, enerhiya, peak power, at ulit-ulit na dalas ng pulso ng laser, natutunaw ang gawain, na bumubuo ng isang tiyak na molten pool.

Ang mga makina ng pag-welding gamit ang laser na ginagamit sa pag-welding ng gear at sa pag-welding ng manipis na plato sa metallurgical ay karamihan ay kasali sa pag-welding ng laser na may malalim na pagpasok. Ang prinsipyo ng pag-welding ng laser na may malalim na pagpasok ay tatalakayin nang detalyado sa ibaba.

Ang laser na pag-welding na may malalim na pagpasok ay karaniwang gumagamit ng patuloy na sinag ng laser upang pagsamahin ang mga materyales. Ang pisika nito sa larangan ng metalurhiya ay napakakatulad sa electron beam welding, kung saan ang mekanismo ng pagbabago ng enerhiya ay nakakamit sa pamamagitan ng istruktura na tinatawag na "keyhole". Sa ilalim ng sapat na mataas na densidad ng kapangyarihan ng irradiation ng laser, ang materyales ay umuusok at bumubuo ng isang keyhole. Ang keyhole na puno ng usok na ito ay kumikilos tulad ng isang blackbody, na sumisipsip ng halos lahat ng enerhiya ng paparating na sinag. Ang temperatura ng equilibrium sa loob ng keyhole ay umaabot sa humigit-kumulang 2500 °C. Ang init ay naililipat mula sa panlabas na pader ng butas na ito na may mataas na temperatura, na nagpapalambot sa metal na nakapaligid dito. Ang butas ay puno ng singaw na may mataas na temperatura na nabubuo dahil sa patuloy na pagkakalag ng materyal ng pader sa ilalim ng pagsisikat ng sinag. Ang mga pader ng butas ay nakapaligid sa tinunaw na metal, at ang likidong metal ay nakapaligid sa solidong materyal (sa karamihan ng karaniwang proseso ng pagwelding at sa pagwelding gamit ang laser na conduction, ang enerhiya ay unang inilalagay sa ibabaw ng workpiece at pagkatapos ay naililipat sa loob). Ang daloy ng likido at ang surface tension sa labas ng mga pader ng butas ay nagpapanatili ng isang dynamic na equilibrium kasama ang patuloy na nabubuong pressure ng singaw sa loob ng butas. Habang ang sinag ng laser ay patuloy na pumapasok sa butas, ang materyal sa labas ng butas ay patuloy ding dumadaloy. Habang gumagalaw ang sinag ng laser, ang butas ay nananatiling nasa isang stable na estado ng daloy. Sa madaling salita, ang butas at ang tinunaw na metal na nakapaligid dito ay gumagalaw pasulong sa parehong bilis ng gabay na sinag. Ang tinunaw na metal ay puno ng mga puwang na iniwan matapos umalis ang butas at pagkatapos ay tumitigas, kaya nabubuo ang weld. Lahat ng ito ay nangyayari nang napakabilis kaya ang bilis ng pagwelding ay madaling umaabot sa ilang metro kada minuto.

2. Mga Pangunahing Parameter ng Proseso ng Laser Deep Penetration Welding

Kapangyarihan ng Laser

Ang laser welding ay nangangailangan ng isang threshold sa density ng enerhiya ng laser. Sa ilalim ng threshold na ito, ang lalim ng pagpasok ay maliit; kapag naabot o lumampas dito, ang lalim ng pagpasok ay tumataas nang malaki. Ang plasma ay nabubuo lamang kapag ang density ng lakas ng laser sa workpiece ay lumampas sa threshold na ito (na nakadepende sa materyal), na nagsisilbing simula ng matatag na deep penetration welding. Kung ang lakas ng laser ay nasa ilalim ng threshold na ito, ang pagtunaw ay nangyayari lamang sa ibabaw ng workpiece, ibig sabihin ang welding ay nagaganap sa isang matatag na heat conduction mode. Kapag ang density ng lakas ng laser ay malapit sa kritikal na kondisyon para sa pagbuo ng keyhole, ang deep penetration welding at conduction welding ay pumapalit-palit, na nagreresulta sa hindi matatag na proseso ng welding na may malalaking pagbabago sa lalim ng pagpasok. Sa laser deep penetration welding, ang lakas ng laser ay kusultaneong kontrolado ang lalim ng weld at bilis ng welding. Ang lalim ng pagpasok ng weld ay direktang nauugnay sa density ng lakas ng beam at isang function ng lakas ng incident beam at ng focal spot ng beam. Sa pangkalahatan, para sa isang laser beam na may tiyak na diameter, ang lalim ng pagpasok ay tumataas habang tumataas ang lakas ng beam.

Beam Focal Spot

Ang sukat ng beam spot ay isa sa pinakamahalagang mga variable sa laser welding dahil ito ang nagtatakda ng density ng kapangyarihan. Gayunpaman, mahirap sukatin ito para sa mataas na kapangyarihang mga laser, kahit na mayroong maraming hindi direktang pamamaraan sa pagsukat.

Maaaring kalkulahin ang diffraction-limited spot size ng laser beam batay sa teorya ng optical diffraction. Gayunpaman, dahil sa mga aberration sa focusing lens, mas malaki ang aktwal na sukat ng spot kaysa sa kinakalkulang halaga. Ang pinakasimpleng praktikal na pamamaraan sa pagsukat ay ang isothermal profilometry method, na kinasasangkot ang pagkakaroon ng char sa isang makapal na piraso ng papel at ang pagpapasok sa isang polypropylene plate bago sukatin ang focal spot at ang diameter ng butas. Ang pamamaraang ito ay nangangailangan ng praktikal na pagsukat upang ma-master ang kapangyarihan ng laser at ang tagal ng pananatili ng beam.

Halaga ng Pag-absorb ng Materyal

Ang pag-absorb ng liwanag na laser ng isang materyal ay nakasalalay sa ilang mahahalagang katangian, tulad ng kakayahang mag-absorb, kakayahang mag-reflekt, thermal conductivity, temperature ng pagtunaw, at temperature ng pag-evaporate, kung saan ang kakayahang mag-absorb ang pinakamahalaga.

Ang mga salik na nakaaapekto sa kakayahang mag-absorb ng isang materyal sa sinag ng laser ay kinabibilangan ng dalawang aspeto: Una, ang resistivity ng materyal. Ang mga pagsukat sa kakayahang mag-absorb ng mga pinolish na ibabaw ay nagpapakita na ang kakayahang mag-absorb ay proporsyonal sa square root ng resistivity, na kung saan naman ay nagbabago depende sa temperatura. Pangalawa, ang kondisyon ng ibabaw (o kaginhawahan) ng materyal ay may malaking epekto sa kakayahang mag-absorb ng sinag, kaya't malaki rin ang epekto nito sa epekto ng welding.

Ang output wavelength ng isang CO2 laser ay karaniwang 10.6 μ m. Ang mga di-metalikong materyales tulad ng seramika, salamin, goma, at plastik ay may mataas na rate ng pag-absorb sa temperatura ng kuwarto, samantalang ang mga metalikong materyales ay mahinang sumusorpresa nito sa temperatura ng kuwarto, kung saan ang pag-absorb ay tumataas nang malaki lamang kapag natunaw o kahit na nabuo ang singaw ng materyal. Ang mga surface coating o oxide films ay epektibong paraan upang mapabuti ang pag-absorb ng materyal sa sinag ng laser.

Bilis ng Welding

Ang bilis ng pag-weld ay may malaking epekto sa lalim ng weld penetration. Ang pagtaas ng bilis ay nagreresulta sa mas mababaw na penetration, samantalang ang labis na mabagal na bilis ay nagdudulot ng sobrang pagtunaw at burn-through. Kaya naman, para sa isang tiyak na materyal na may ibinigay na lakas ng laser at kapal, mayroon isang angkop na saklaw ng mga bilis ng pag-weld, kung saan ang maximum na penetration ay maaaring makamit. Ang Figure 10-2 ay nagpapakita ng ugnayan sa pagitan ng bilis ng pag-weld at ng penetration para sa 1018 steel.

Gas na Pamprotekta

Ang mga inert na gas ay karaniwang ginagamit upang protektahan ang molten pool sa panahon ng laser welding. Bagaman maaaring hindi isang problema ang oxidation sa ibabaw para sa ilang materyales, ang helium, argon, at nitrogen ay karaniwang ginagamit sa karamihan ng mga aplikasyon upang maiwasan ang oxidation ng workpiece habang nagsusunog.

Ang helium ay mahinang na-ionize (ngunit may mataas na ionization energy), na nagpapahintulot sa laser beam na dumaloy nang maayos at umabot sa ibabaw ng workpiece nang walang hadlang. Ito ang pinakaepektibong shielding gas na ginagamit sa laser welding, ngunit ito ay relatibong mahal.

Ang argon ay mas murang alternatibo at may mas mataas na density, na nagbibigay ng mabuting proteksyon. Gayunpaman, madaling ma-ionize ito ng mataas na temperatura ng metal plasma, na nagpapabara ng bahagi ng beam mula sa pag-abot sa workpiece, kaya nababawasan ang epektibong laser power at nahihirapan ang bilis ng pagwelding at ang lalim ng pagpasok. Ang mga weld na protektado ng argon ay may mas magkadikit na ibabaw kaysa sa mga protektado ng helium.

Ang nitrogen ang pinakamurang gas na ginagamit bilang pananggalang, ngunit hindi ito angkop para sa pag-weld ng ilang uri ng stainless steel, pangunahin dahil sa mga isyu sa metalurhiya tulad ng pag-absorb, na minsan ay maaaring magdulot ng mga butas sa lugar ng sambungan.

Ang pangalawang tungkulin ng mga gas na ginagamit bilang pananggalang ay protektahan ang lens na nagpokus mula sa kontaminasyon ng metal na alikabok at sa pagsabog ng mga natutunaw na patak. Ito ay lalo pang mahalaga sa mataas-na-lakas na laser welding, kung saan ang mga inilalabas na materyales ay naging napakalakas.

Ang ikatlong tungkulin ng mga gas na ginagamit sa pagpapalagay ay ang kanilang kahusayan sa pagkalat ng plasma na nabubuo sa mataas-na-kapangyarihang pag-welding gamit ang laser. Ang metal na singaw ay sumisipsip sa sinag ng laser at naii-onize upang mabuo ang isang ulap ng plasma. Ang protektibong gas na nakapaligid sa metal na singaw ay naii-onize rin dahil sa init. Kung masyadong maraming plasma ang umiiral, ang sinag ng laser ay kinokonsumo hanggang sa isang antas ng plasma. Ang plasma ay umiiral bilang pangalawang pinagmumulan ng enerhiya sa ibabaw ng trabaho, na nagreresulta sa mas mababaw na pagsasalot ng weld at mas malawak na pool ng weld. Ang rate ng rekombinasyon ng mga electron ay tumataas sa pamamagitan ng pagpapadami ng mga pagkakalbo sa pagitan ng mga electron, mga ion, at mga neutral na atom, kaya nababawasan ang density ng electron sa plasma. Mas magaan ang mga neutral na atom, mas mataas ang frequency ng pagkakalbo at rate ng rekombinasyon; sa kabilang banda, ang tanging protektibong gas na may mataas na enerhiya ng ionisasyon ang makakapigil sa pagtaas ng density ng electron dahil sa ionisasyon ng sariling gas.

Ang sukat ng ulap ng plasma ay nag-iiba depende sa ginagamit na gas para sa pag-shield, kung saan ang helium ang may pinakamaliit na sukat, kasunod ang nitrogen, at ang argon naman ang may pinakamalaking sukat. Ang mas malaking ulap ng plasma ay nagreresulta sa mas mababaw na pagpapasok ng weld. Ang pagkakaiba na ito ay pangunahing dahil sa iba’t ibang antas ng ionisasyon ng mga molekula ng gas, at pati na rin sa mga pagkakaiba sa pagkalat ng metal na usok na dulot ng iba’t ibang densidad ng mga gas para sa pag-shield.

Ang helium ay may pinakamababang antas ng ionisasyon at densidad, na nagpapahintulot dito na agad na palayasin ang umuusok na metal mula sa likido na pool ng metal. Kaya naman, ang paggamit ng helium bilang gas para sa pag-shield ay lubos na nagpapababa ng plasma, kaya’t tumataas ang pagpapasok ng weld at ang bilis ng pag-weld; ang kanyang magaan na timbang ay nagpapahintulot din dito na madaling umalis, kaya nababawasan ang posibilidad ng porosity. Gayunman, batay sa aming aktwal na resulta sa pag-weld, ang pag-shield gamit ang argon ay napatunayang lubos na epektibo.

Ang epekto ng ulap ng plasma sa pagpapasok ng weld ay pinakamalaki sa mababang bilis ng pag-weld. Ang epekto nito ay bumababa habang tumataas ang bilis ng pag-weld.

Ang shielding gas ay inilalabas sa isang tiyak na presyon sa pamamagitan ng isang nozzle at umaabot sa ibabaw ng workpiece. Mahalaga ang hydrodynamic na hugis ng nozzle at ang diameter ng outlet nito. Dapat sapat ang dami ng shielding gas upang takpan ang ibabaw ng pag-weld, ngunit dapat kontrolin ang laki ng nozzle upang maprotektahan nang epektibo ang lens at maiwasan ang kontaminasyon dahil sa metal vapor o pinsala dulot ng metal spatter. Kinakailangan din na kontrolin ang daloy ng gas; kung hindi man, ang laminar flow ng shielding gas ay magiging turbulent, pumasok ang hangin mula sa kapaligiran sa molten pool, at sa huli ay bubuo ng mga butas (porosity).

Upang mapabuti ang epekto ng pag-shield, maaaring gamitin ang karagdagang paraan ng lateral blowing, kung saan ang shielding gas ay ipinapadala nang direkta sa loob ng pinhole ng malalim na weld gamit ang isang nozzle na may mas maliit na diameter at isang tiyak na anggulo. Ang shielding gas ay hindi lamang nagpapabawas sa plasma cloud sa ibabaw ng workpiece kundi nakaaapekto rin sa plasma sa loob ng pinhole at sa pagbuo ng pinhole, na nagdudulot ng karagdagang paglalim ng penetration at nagreresulta sa isang weld na may ideal na ratio ng lalim sa lapad. Gayunman, ang pamamaraang ito ay nangangailangan ng eksaktong kontrol sa daloy at direksyon ng gas; kung hindi man, madaling magdulot ng turbulence, na makasisira sa molten pool at magpapabago sa katatagan ng proseso ng welding.

Haba ng Focal na Lens

Sa panahon ng welding, ang laser ay karaniwang inifocus, na karaniwang ginagamitan ng mga lens na may focal length na 63~254 mm (2.5 ”~10”ang sukat ng nakatuon na spot ay direktang proporsyonal sa focal length; mas maikli ang focal length, mas maliit ang spot. Gayunpaman, ang focal length ay nakaaapekto rin sa depth of focus, kung saan ang depth of focus ay tumataas nang proporsyonal sa focal length. Kaya naman, ang mas maikling focal length ay maaaring magpataas ng power density, ngunit dahil sa mababaw na depth of focus, ang distansya sa pagitan ng lens at ng workpiece ay kailangang panatilihin nang eksakto, at ang penetration depth ay limitado rin. Dahil sa epekto ng spatter at laser mode na nabubuo habang nag-welding, ang pinakamaikling focal length na karaniwang ginagamit sa welding ay madalas na 126 mm (5 ”kapag ang joint ay malaki o kapag kailangan pataasin ang sukat ng weld sa pamamagitan ng pagpapalaki ng spot size, maaaring piliin ang lens na may focal length na 254 mm (10 ”) . Sa kasong ito, upang makamit ang malalim na penetration keyhole effect, kailangan ng mas mataas na laser output power (power density).

Kapag ang laser power ay lumampas sa 2 kW, lalo na para sa 10.6 μ ang mga sinag ng CO2 laser na may haba ng daloy na m, dahil sa paggamit ng mga espesyal na optikal na materyales sa optical system, ang reflection focusing ay madalas gamitin upang maiwasan ang pinsala sa focusing lens. Ang mga salamin na gawa sa tanso na may polished surface ang karaniwang ginagamit bilang reflectors. Dahil sa kanilang epektibong cooling properties, madalas silang inirerekomenda para sa focusing ng mataas-na-kapangyarihan na mga sinag ng laser.

Posisyong Pokus

Sa panahon ng welding, ang posisyon ng focus ay mahalaga upang mapanatili ang sapat na power density. Ang mga pagbabago sa relative position ng focus sa ibabaw ng workpiece ay direktang nakaaapekto sa lapad at lalim ng weld. Ang Figure 2-6 ay nagpapakita ng epekto ng posisyon ng focus sa penetration depth at weld width ng 1018 steel.

Sa karamihan ng mga aplikasyon ng laser welding, ang focus ay karaniwang inilalagay nang humigit-kumulang sa isang-quarter sa ilalim ng ibabaw ng workpiece upang makamit ang ninanais na penetration depth.

Posisyon ng Laser Beam

Kapag nagpapakulo ng iba't ibang materyales gamit ang laser, ang posisyon ng sinag ng laser ang nagsisilbing kontrol sa kalidad ng panghuling pako, lalo na sa mga butted joint kung saan ito ay mas sensitibo kaysa sa mga lap joint. Halimbawa, kapag pinakukulo ang isang gear na gawa sa hardened steel sa isang drum na gawa sa low-carbon steel, ang tamang kontrol sa posisyon ng sinag ng laser ay magreresulta sa isang pako na binubuo pangunahin ng mga bahagi ng low-carbon steel, na nagpapakita ng mas mahusay na paglaban sa pukos. Sa ilang aplikasyon, ang hugis ng bahaging pupukulin ay nangangailangan na ang sinag ng laser ay i-deflect sa isang anggulo. Kapag ang anggulo ng deflection sa pagitan ng axis ng sinag at ng eroplano ng sambitan ay nasa loob ng 100 degree, hindi aapektuhan ang pag-absorb ng enerhiya ng laser ng bahaging pupukulin.

Paggaya at pagbaba ng lakas ng laser sa simula at dulo ng pako

Sa panahon ng laser deep penetration welding, anuman ang lalim ng weld, ang pinhole phenomenon ay palaging umiiral. Kapag natapos na ang proseso ng pag-weld at isinara ang power switch, isang pitting ang lilitaw sa dulo ng weld. Bukod dito, kapag ang laser weld layer ay sumakop sa orihinal na weld, maaaring mangyari ang labis na absorpsyon ng laser beam, na nagdudulot ng overheating o porosity sa weldment.

Upang maiwasan ang mga phenomena na ito, ang mga punto ng simula at katapusan ng kuryente ay maaaring i-program upang gawing adjustable ang oras ng pagsisimula at pagtatapos ng kuryente. Ibig sabihin, ang kuryente sa pagsisimula ay elektronikong pinataas mula sa zero hanggang sa itinakdang halaga ng kuryente sa loob ng maikling panahon, at ang oras ng pag-weld ay ina-adjust. Sa wakas, sa dulo ng pag-weld, ang kuryente ay unti-unting binabawasan mula sa itinakdang halaga hanggang sa zero.

3. Mga Katangian, mga Pakinabang, at mga Kawalan ng laser deep penetration welding

Mga Katangian ng laser deep penetration welding

1) Mataas na aspeto ng ratio. 1) **Malalim at makitid na weld:** Dahil ang tinunaw na metal ay nabubuo sa paligid ng silindrikal na kavidad ng mataas-na-temperaturang singaw at lumalawig patungo sa gawaing bahagi, ang weld ay naging malalim at makitid.

2) **Pinakamababang input ng init:** Dahil sa napakataas na temperatura sa loob ng butas, ang proseso ng pagkatunaw ay nagaganap nang napakabilis, na nagreresulta sa napakababang input ng init sa gawaing bahagi, kaya nababawasan ang dehormasyon dulot ng init at ang heat-affected zone.

3) **Mataas na density:** Ang butas na puno ng mataas-na-temperaturang singaw ay nakatutulong sa pagmimix ng weld pool at sa paglabas ng gas, na nagdudulot ng weld na walang porosity at lubos na napapasok. Ang mataas na bilis ng paglamig matapos ang welding ay karagdagang nagpapahusay sa microstructure ng weld.

4) **Matibay na pagpapakawala:** Ang matinding pinagmulan ng init at ang buong pag-absorb ng mga di-metalikong sangkap ay binabawasan ang nilalaman ng mga dumi at binabago ang laki at distribusyon ng mga inklusyon sa pool ng pagpapakawala. Ang proseso ng pagpapakawala ay hindi nangangailangan ng mga electrode o filler wire, kaya nababawasan ang kontaminasyon sa natunaw na lugar, na ginagawa ang lakas at tibez ng pagpapakawala na kahit katumbas o kahit mas mataas pa sa base metal.

5) **Tiyaing kontrol:** Dahil ang nakatuon na spot ay napakaliit, ang pagpapakawala ay maaaring tiyaking posisyonin nang eksakto. Ang output ng laser ay walang "ineresya," na nagbibigay-daan sa mabilis na paghinto at pag-restart sa mataas na bilis. Ang teknolohiya ng CNC beam movement ay nagpapahintulot sa pagpapakawala ng mga kumplikadong workpiece. 6) Proseso ng pagpapakawala sa hangin nang walang pisikal na kontak. Dahil ang enerhiya ay galing sa isang photon beam, walang pisikal na kontak sa workpiece, kaya walang panlabas na puwersa ang inaapply sa workpiece. Bukod dito, ang magnetismo at hangin ay walang epekto sa laser.

Mga Pakinabang ng Laser Deep Penetration Welding

1) Dahil sa mas mataas na power density ng nakatuon na mga laser kumpara sa mga konbensyonal na pamamaraan, mabilis ang bilis ng pag-weld, maliit ang heat-affected zone at dehormasyon, at maaari nitong i-weld ang mga matitirik na materyales para i-weld tulad ng titanium.

2) Dahil madaling ipasa at kontrolin ang beam, at walang pangangailangan ng madalas na pagpapalit ng mga welding torch at nozzle, at walang kinakailangang vacuuming para sa electron beam welding, malaki ang pagbawas sa downtime, na nagreresulta sa mataas na load factor at kahusayan sa produksyon.

3) Dahil sa epekto ng paglilinis at mataas na rate ng paglamig, ang weld ay may mataas na lakas, katatagan, at kabuuang pagganap.

4) Dahil sa mababang average heat input, mataas ang katiyakan ng proseso, na nagpapababa ng gastos sa muling pagproseso; bukod dito, mas mababa rin ang operasyonal na gastos ng laser welding, kaya’t nababawasan ang gastos sa pagproseso ng workpiece.

5) Ang intensity ng beam at eksaktong posisyon nito ay maaaring kontrolin nang epektibo, na ginagawang madali ang awtomatikong operasyon.

Mga Kawalan ng Laser Deep Penetration Welding

1) Limitado ang lalim ng pag-weld.

2) Mataas na mga kinakailangan para sa pag-aayos ng gawaing bahagi.

3) Mataas na paunang pamumuhunan sa mga sistema ng laser.