1.Principle (rinciple)no 1 laser metināšana
Lāzermetināšanu var panākt ar nepārtrauktiem vai pulsējošiem lāzera stariem. Lāzermetināšanas principu var iedalīt termiskās vadīšanas metināšanā un lāzera dziļās iespiešanās metināšanā. Ja jaudas blīvums ir mazāks par 104 ~ 105W / cm2, tā ir siltuma vadīšanas metināšana. Šajā laikā metināšanas dziļums ir sekls un metināšanas ātrums ir lēns. Ja jaudas blīvums ir lielāks par 105 ~ 107W / cm2, metāla virsma tiek padziļinājumā "dobumā" siltuma iedarbības laikā, veidojot dziļu kodolsintēzes metināšanu. Ātra, plaša malu attiecība.
Siltumvadītāja lāzermetināšanas princips ir: lāzera starojums silda apstrādājamo virsmu, un virsmas siltums tiek izkliedēts iekšpusē ar termisko vadītspēju. Kontrolējot lāzera parametrus, piemēram, lāzera impulsa platumu, enerģiju, maksimālo jaudu un atkārtošanas frekvenci, sagatave tiek izkausēta, veidojot īpašu izkausētu pūlu.
Lāzermetināšanas iekārtaspārnesumu metināšanai un metalurģisko lokšņu metināšanai galvenokārt ietver lāzera dziļās iespiešanās metināšanu. Tālāk galvenā uzmanība ir pievērsta lāzera dziļās iespiešanās metināšanas principam.
Lāzera dziļās iespiešanās metināšana parasti izmanto nepārtrauktu lāzera staru, lai pabeigtu materiālu savienojumu. Metalurģiskais fizikālais process ir ļoti līdzīgs elektronu staru kūļa metināšanai, tas ir, enerģijas pārveidošanas mehānisms tiek pabeigts, izmantojot "atslēgas cauruma" struktūru. Pietiekami lielā jaudas blīvuma lāzera apstarojumā materiāls iztvaiko un veido mazus caurumus. Šis ar tvaiku pildītais caurums ir kā melns korpuss, kas absorbē gandrīz visu incidenta stara enerģiju. Līdzsvara temperatūra dobumā sasniedz aptuveni 2500 ° C. Siltums tiek pārnests no augstas temperatūras dobuma ārējās sienas, kas izkausē metālu ap dobumu. Mazais caurums ir piepildīts ar augstas temperatūras tvaiku, ko rada nepārtraukta sienas materiāla iztvaikošana zem stara. Mazā cauruma četras sienas ieskauj izkausēto metālu, un šķidrais metāls ieskauj cieto materiālu. (Lielākajā daļā parasto metināšanas procesu un lāzervadīšanas metināšanas enerģija vispirms tiek nodota (nogulsnēta uz sagataves virsmas un pēc tam pārnesta uz iekšpusi ar pārnešanu). Šķidruma plūsma un sienas virsmas spraigums ārpus poru sienas atbilst tvaika spiedienam, kas nepārtraukti rodas poru dobumā, un saglabā dinamisku līdzsvaru. Gaismas stars nepārtraukti nonāk mazajā caurumā, un materiāls ārpus mazā cauruma nepārtraukti plūst. Gaismas staram pārvietojoties, mazais caurums vienmēr ir vienmērīgā plūsmas stāvoklī. Tas nozīmē, ka mazais caurums un izkausētais metāls, kas ieskauj caurumu sienu, virzās uz priekšu ar vadošās sijas ātrumu uz priekšu. Izkausētais metāls aizpilda plaisu, kas palikusi pēc mazā cauruma noņemšanas, un kondensējas ar to, un veidojas šuve. Tas viss notiek tik ātri, ka metināšanas ātrums var viegli sasniegt vairākus metrus minūtē.
2.Lāzera dziļās iespiešanās metināšanas galvenie procesa parametri
(1)Lāzera jauda. Lāzermetināšanā ir lāzera enerģijas blīvuma slieksnis. Zem šīs vērtības iespiešanās dziļums ir ļoti sekls. Kad tas sasniedz vai pārsniedz šo vērtību, iespiešanās dziļums tiks ievērojami palielināts. Plazma rodas tikai tad, ja lāzera jaudas blīvums uz sagataves pārsniedz slieksni (atkarīgs no materiāla), kas nozīmē stabilu dziļu iespiešanās metināšanu. Ja lāzera jauda ir mazāka par šo slieksni, notiek tikai sagataves virsmas kušana, tas ir, metināšana tiek veikta stabilā siltuma vadīšanas veidā. Tomēr, ja lāzera jaudas blīvums ir tuvu kritiskajam stāvoklim mazu caurumu veidošanai, pārmaiņus tiek veikta dziļa iespiešanās metināšana un vadošā metināšana, kas kļūst par nestabilu metināšanas procesu, kā rezultātā rodas lielas iespiešanās dziļuma svārstības. Lāzera dziļmetināšanā lāzera jauda kontrolē gan iespiešanās dziļumu, gan metināšanas ātrumu. Šuves iespiešanās dziļums ir tieši saistīts ar staru kūļa jaudas blīvumu un ir starpgadījuma staru kūļa jaudas un staru kūļa fokusa vietas funkcija. Vispārīgi runājot, noteikta diametra lāzera staram iespiešanās dziļums palielinās, jo palielinās staru kūļa jauda.
(2)Staru kūļa fokusa punkts. Stara plankuma izmērs ir viens no svarīgākajiem mainīgajiem lāzermetināšanai, jo tas nosaka jaudas blīvumu. Bet lielas jaudas lāzeriem tā mērīšana ir sarežģīta problēma, lai gan jau ir daudz netiešo mērīšanas metožu.
Staru kūļa plankuma difrakcijas robežas plankuma lielumu var aprēķināt saskaņā ar gaismas difrakcijas teoriju, bet fokusēšanas lēcas novirzes dēļ faktiskais plankuma izmērs ir lielāks par aprēķināto vērtību. Vienkāršākā mērīšanas metode ir izotermālā profilēšana, kas mēra fokusa plankumu un perforācijas diametru pēc dedzināšanas un iekļūšanas polipropilēna plātnē ar biezu papīru. Ar šo metodi mēra lāzera jaudu un stara laiku, izmantojot mērīšanas praksi.
(3)Materiāla absorbcijas vērtība. Lāzera absorbcija ar materiālu ir atkarīga no dažām svarīgām materiāla īpašībām, piemēram, absorbcijas, atstarošanas, siltumvadītspējas, kušanas temperatūras, iztvaikošanas temperatūras utt. Vissvarīgākais no tiem ir absorbcija.
Faktori, kas ietekmē lāzera stara absorbcijas ātrumu pēc materiāla, ietver divus aspektus: Pirmkārt, materiāla pretestību. Pēc materiāla pulētās virsmas absorbcijas mērīšanas tiek konstatēts, ka materiāla absorbcija ir proporcionāla pretestības kvadrātsaknei, un pretestība mainās atkarībā no temperatūras un izmaiņām; otrkārt, materiāla virsmas stāvoklim (vai gludumam) ir svarīgāka ietekme uz staru kūļa absorbcijas ātrumu, kas būtiski ietekmē metināšanas efektu.
CO2 lāzera izejas viļņa garums parasti ir 10,6 μm. Nemetāliem, piemēram, keramikai, stiklam, gumijai un plastmasai, ir augsts absorbcijas ātrums istabas temperatūrā, un metāla materiāliem ir slikta absorbcija istabas temperatūrā, līdz materiāls ir izkusis un pat gāze Tā absorbcija ir strauji palielinājusies.
Ir ļoti efektīvi uzlabot gaismas stara uzsūkšanos, izmantojot virsmas pārklājuma metodi vai oksīda plēves veidošanos uz virsmas.
(4)Metināšanas ātrums. Metināšanas ātrumam ir lielāka ietekme uz iespiešanās dziļumu. Ātruma palielināšana padarīs iespiešanās dziļumu seklāka, bet pārāk mazs ātrums izraisīs pārmērīgu materiāla kušanu un sagataves metināšanu. Tāpēc noteiktam materiālam ar noteiktu lāzera jaudu un noteiktu biezumu ir piemērots metināšanas ātruma diapazons, un maksimālo iespiešanās dziļumu var iegūt pie atbilstošās ātruma vērtības.
(5)Aizsarggāze. Lāzermetināšanas procesā bieži izmanto inertu gāzi, lai aizsargātu izkausēto baseinu. Ja daži materiāli ir metināti, virsmas oksidēšanos var ignorēt, bet aizsardzība netiek ņemta vērā, bet lielākajai daļai pielietojumu sagataves aizsardzībai bieži tiek izmantots hēlija, argona, slāpekļa un citu gāzu. Aizsargāts pret oksidēšanos metināšanas laikā.
Hēlijs nav viegli jonizēts (augstāka jonizācijas enerģija), kas ļauj lāzeram netraucēti iziet, un staru enerģija netraucēti sasniedz sagataves virsmu. Šī ir visefektīvākā aizsarggāze, ko izmanto lāzermetināšanā, bet tā ir dārgāka.
Argons ir lētāks un tam ir lielāks blīvums, tāpēc aizsargājošais efekts ir labāks. Tomēr tas ir jutīgs pret augstas temperatūras metāla plazmas jonizāciju. Tā rezultātā tas aizsargā daļu gaismas stara no izstarošanas uz sagatavi, samazinot metināšanas efektīvo lāzera jaudu un bojājot metināšanas ātrumu un iespiešanos. Ar argonu aizsargātās metinājuma virsmas ir gludākas nekā ar hēlija aizsargātās virsmas.
Slāpeklis ir lētākā gāze kā aizsarggāze, bet tas nav piemērots dažu veidu nerūsējošā tērauda metināšanai, galvenokārt metalurģisku problēmu dēļ, piemēram, absorbcijas dēļ, un dažreiz pārklājas zonā tiek veidotas poras.
Otrā aizsarggāzes izmantošanas loma ir aizsargāt fokusēšanas lēcu no metāla tvaiku piesārņojuma un šķidruma pilienu šļakatām. Īpaši lielas jaudas lāzermetināšanas laikā, izmešanai kļūstot ļoti spēcīgai, šobrīd ir vairāk nepieciešams aizsargāt objektīvu.
Trešā aizsarggāzes funkcija ir efektīvi kliedēt plazmas vairogu, ko rada lielas jaudas lāzermetināšana. Metāla tvaiki absorbē lāzera staru un jonizējas plazmas mākonī. Metāla tvaikus aptverošo aizsarggāzi jonizē arī karsējot. Ja ir pārāk daudz plazmas, lāzera staru zināmā mērā patērē plazma. Uz darba virsmas kā otrā enerģija pastāv plazma, kas padara iespiešanos seklāku un metināšanas baseina virsmu platāku. Elektronu rekombinācijas ātrums tiek palielināts, palielinot elektronu sadursmi ar joniem un neitrāliem atomiem, lai samazinātu elektronu blīvumu plazmā. Jo vieglāks neitrālais atoms, jo augstāka sadursmes frekvence un jo lielāks rekombinācijas ātrums; no otras puses, tikai aizsarggāze ar augstu jonizācijas enerģiju nepalielinās elektronu blīvumu pašas gāzes jonizācijas dēļ.
Hēlijam ir viszemākā jonizācija un zemākais blīvums, un tas var ātri noņemt pieaugošo metāla tvaiku, kas rodas no izkausētā metāla baseina. Tāpēc hēlija izmantošana par aizsarggāzi var maksimāli nomākt plazmu, tādējādi palielinot iespiešanās dziļumu un metināšanas ātrumu; tas var izbēgt tā vieglā svara dēļ un nav viegli izraisīt poras. Protams, no mūsu faktiskās metināšanas ietekmes aizsardzības ar argonu ietekme nav slikta.
Plazmas mākoņa ietekme uz iekļūšanu ir visredzamākā zema metināšanas ātruma reģionā. Tā kā metināšanas ātrums palielinās, tā ietekme samazinās.
Aizsarggāze tiek izsviesta uz sagataves virsmu caur sprauslu ar noteiktu spiedienu. Ļoti svarīga ir sprauslas hidrodinamiskā forma un izplūdes diametrs. Tam jābūt pietiekami lielam, lai vadītu izsmidzinātu aizsarggāzi, lai nosegtu metināšanas virsmu, bet, lai efektīvi aizsargātu lēcu un novērstu metāla tvaiku piesārņojumu vai metāla šļakatas no lēcas bojājumiem, ir jāierobežo arī sprauslas izmērs. Jākontrolē arī plūsmas ātrums, pretējā gadījumā aizsarggāzes laminārā plūsma kļūst vētraina, atmosfēra tiek ievilkta izkausētajā baseinā, un galu galā veidojas poras.
Lai uzlabotu aizsardzības efektu, var izmantot arī papildu sānu pūšanas metodi, tas ir, aizsarggāzi tieši injicē nelielā dziļās iespiešanās caurumā, kas metināts caur maza diametra sprauslu noteiktā leņķī. Aizsarggāze ne tikai nomāc plazmas mākoni uz sagataves virsmas, bet arī ietekmē plazmu caurumu iekšpusē un nelielu caurumu veidošanos, un iespiešanās dziļums tiek vēl vairāk palielināts, lai iegūtu ideālu šuvēju ar dziļuma un platuma salīdzinājumu. Tomēr šai metodei ir nepieciešama precīza gāzes plūsmas lieluma un virziena kontrole, pretējā gadījumā var rasties turbulence un sabojāt izkausēts baseins, kas apgrūtina metināšanas procesa stabili.
(6)Objektīva fokusa garums. Metināšanas laikā koncentrēšanos parasti izmanto, lai saplūstu ar lāzeru. Parasti tiek izmantota lēca ar fokusa attālumu 63 ~ 254 mm (2,5 "~ 10"). Fokusa vietas izmērs ir tieši proporcionāls fokusa garumam. Jo īsāks fokusa garums, jo mazāks fokusa punkts. Tomēr fokusa garums ietekmē arī fokusa dziļumu, tas ir, fokusa dziļums palielinās sinhroni ar fokusa garumu, tāpēc īss fokusa garums var palielināt jaudas blīvumu, bet, tā kā fokusa dziļums ir mazs, attālums starp objektīvu un sagatavi ir precīzi jāuztur, un iespiešanās dziļums nav liels. Metināšanas laikā radīto šļakatu un lāzera režīmu ietekmes dēļ īsākais fokusa dziļums, ko izmanto faktiskajā metināšanā, galvenokārt ir fokusa attālums 126 mm (5 "). Ja šuve ir liela vai ir nepieciešams palielināt šuves izmēru, palielinot vietas izmēru, Izvēlieties objektīvu ar fokusa garumu 254 mm (10 "). Šajā gadījumā, lai sasniegtu dziļās kausēšanas cauruma efektu, ir nepieciešama lielāka lāzera izejas jauda (jaudas blīvums).
Ja lāzera jauda pārsniedz 2kW, īpaši CO2 lāzera staram 10,6 μm, optiskās sistēmas formēšanai izmantojot īpašus optiskos materiālus, lai izvairītos no fokusēšanas lēcas optiskā bojājuma riska, bieži tiek izmantota atstarošanas fokusēšanas metode, un par spoguļiem parasti izmanto pulētus vara spoguļus. Pateicoties efektīvai dzesēšanai, tas bieži ir ieteicams lielas jaudas lāzera staru fokusēšanai.
(7)Fokusa pozīcija. Lai saglabātu pietiekamu jaudas blīvumu metināšanas laikā, fokusa pozīcija ir kritiska. Fokusa un sagataves virsmas relatīvā novietojuma maiņa tieši ietekmē šuves platumu un dziļumu.
Lielākajā daļā lāzermetināšanas lietojumu fokusa punkta novietojums parasti ir iestatīts apmēram 1/4 no nepieciešamā iespiešanās dziļuma zem sagataves virsmas.
(8)Lāzera stara pozīcija. Metot ar lāzeru dažādus materiālus, lāzera stara novietojums kontrolē metinājuma šuves galīgo kvalitāti, īpaši attiecībā uz mucu savienojumiem, kas ir jutīgāki nekā klēpja savienojumu gadījumā. Piemēram, ja rūdīta tērauda pārnesumi tiek piemetināti zema oglekļa satura tērauda mucām, pareiza lāzera stara pozīcijas kontrole nāks par labu metinājuma šuvju ražošanai, kas galvenokārt sastāv no zema oglekļa satura sastāvdaļām, kurām ir labāka plaisas pretestība. Dažos pielietojumos metinātā sagataves ģeometrija prasa, lai lāzera stars tiktu novirzīts leņķī. Ja deformācijas leņķis starp staru kūļa asi un kopīgo plakni ir 100 grādu robežās, sagataves lāzera enerģijas absorbcija netiks ietekmēta.
(9)Lāzera jauda metināšanas sākumā un beigās tiek kontrolēta pakāpeniski. Lāzera dziļmetināšanā caurumi vienmēr pastāv neatkarīgi no metinājuma dziļuma. Kad metināšanas process ir pārtraukts un strāvas slēdzis ir izslēgts, metinājuma šuves beigās parādīsies bedītes. Turklāt, ja lāzermetināšanas slānis nosedz oriģinālo metināšanas šuves, var rasties pārmērīga lāzera stara absorbcija, kā rezultātā metinājums tiek pārkarsts vai rodas porainība.
To novērst iepriekš minētās parādības rašanos, var izveidot programmu jaudas sākuma un beigu punktiem, lai varētu pielāgot jaudas palaišanas un beigu laiku, tas ir, palaišanas jaudu īsā laikā palielina no nulles līdz iestatītajai jaudas vērtībai ar elektroniskām metodēm, un metināšanu pielāgo , un visbeidzot, pārtraucot metināšanu, jauda pakāpeniski tiek samazināta no iestatītās jaudas uz nulli.
3.Lāzera dziļās kodolsintēzes metināšanas īpašības, priekšrocības un trūkumi
(1)Lāzera dziļās iespiešanās metināšanas raksturojums
①Augsta malu attiecība. Tā kā izkausēts metāls veidojas ap cilindrisko augstas temperatūras tvaika dobumu un stiepjas uz sagatavi, šuves šuve kļūst dziļa un šaura.
②Minimālā siltuma pievade. Tā kā temperatūra mazos caurumos ir ļoti augsta, kušanas process notiek ļoti ātri, siltuma ievade sagatavē ir ļoti zema, un siltuma kropļojums un karstuma skartā zona ir maza.
③Augsts blīvums. Tā kā mazie caurumi, kas piepildīti ar augstas temperatūras tvaiku, veicina metināšanas baseina maisīšanu un gāzes izkdaušanos, kā rezultātā veidojas iespiešanās šuves bez porām. Augstais dzesēšanas ātrums pēc metināšanas ļauj viegli miniaturizēt metinājuma konstrukciju.
④Spēcīgas šuves. Karstā siltuma avota un ne-metālisko komponentu pietiekamas absorbcijas dēļ samazinās piemaisījumu saturs, tiek mainīts ieslēgumu lielums un to sadalījums izkausētajā baseinā. Metināšanas procesam nav nepieciešami elektrodi vai pildvielas vadi, un kausēšanas zona ir mazāk piesārņota, padarot metinājuma izturību un izturību vismaz līdzvērtīgu vai pat lielāku par cāli.
⑤Precīza kontrole. Tā kā fokusa punkts ir mazs, metināju var novietot ar augstu precizitāti. Lāzera izvadei nav "inerces", un to var apturēt un restartēt lielā ātrumā. CNC staru kūļa pārvietošanas tehnoloģija var metināt sarežģītas sagataves.
⑥Bezkontakta atmosfēras metināšanas process. Tā kā enerģija nāk no fotonu stara un nav fiziska kontakta ar sagatavi, sagatavei netiek piemērots ārējs spēks. Turklāt gan magnētiskais, gan gaiss neietekmē lāzeru.
(2)Alāzera dziļās metināšanas dvantāžas
①Fokusētiem lāzeriem ir daudz lielāks jaudas blīvums nekā parastajām metodēm, kā rezultātā tiek panākts ātrāks metināšanas ātrums, mazāk karstuma skartas zonas un deformācija, kā arī grūti metināmu materiālu, piemēram, titāna, metināšana.
②Tā kā staru kūlis ir viegli pārraidāms un kontrolējams, nav nepieciešams bieži mainīt metināšanas lāpu un sprauslu, kā arī elektronu staru kūļa metināšanai nav nepieciešams vakuums, kas ievērojami samazina papildu izslēgšanas laiku, tāpēc slodzes koeficients un ražošanas efektivitāte ir augsta.
③Pateicoties attīrīšanas efektam un augstam dzesēšanas ātrumam, šuvei ir augsta izturība, izturība un visaptveroša veiktspēja.
④Zemās vidējās siltuma ievades un augstās apstrādes precizitātes dēļ pārstrādes izmaksas var samazināt; turklāt arī lāzermetināšanas darbības izmaksas ir zemākas, kas var samazināt sagataves apstrādes izmaksas.
⑤Tas var efektīvi kontrolēt staru kūļa intensitāti un smalku pozicionēšanu, un ir viegli realizēt automātisko darbību.
(3)Lāzera dziļās metināšanas trūkumi
①Wšanas dziļums IrIerobežota.
②Sagataves montāžas prasības ir augstas.
③Oieguldījumi lāzersistēmās ir augsts.