Princip laserskog zavarivanja
Lasersko zavarivanje se može postići kontinuiranim ili impulsnim laserskim zrakama. Princip laserskog zavarivanja može se podijeliti na zavarivanje provodljivošću topline i lasersko zavarivanje dubokog prodiranja. Kada je gustina snage manja od 104~105 W/cm2, to je zavarivanje provodljivošću toplote. U ovom trenutku, dubina prodiranja je plitka i brzina zavarivanja je mala; kada je gustina snage veća od 105~107 W/cm2, metalna površina se zagrijavanjem potapa u "šupljine", formirajući zavarivanje dubokog prodora, koje ima karakteristike velike brzine zavarivanja i velikog omjera širine i visine.
Princip laserskog zavarivanja sa provodljivošću toplote je: lasersko zračenje zagreva površinu koja se obrađuje, a površinska toplota difunduje u unutrašnjost kroz provodljivost toplote. Kontrolom širine laserskog impulsa, energije, vršne snage i frekvencije ponavljanja i drugih laserskih parametara, radni komad se topi kako bi se formirao specifičan rastopljeni bazen. .
Mašina za lasersko zavarivanje koja se koristi za zavarivanje zupčanika i metalurško zavarivanje tankih ploča uglavnom uključuje lasersko zavarivanje dubokog prodora. Sljedeće se fokusira na princip laserskog zavarivanja dubokog prodiranja.
Lasersko zavarivanje dubokog prodiranja općenito koristi kontinuirane laserske zrake za završetak spajanja materijala, a njegov metalurški fizički proces je vrlo sličan zavarivanju elektronskim snopom, odnosno mehanizam konverzije energije je dovršen kroz strukturu "ključna rupa". Pod laserskim zračenjem dovoljno velike gustine snage, materijal isparava i formira male pore. Ova mala rupa puna pare je poput crnog tijela koje apsorbira gotovo svu energiju upadnog snopa, a ravnotežna temperatura u šupljini dostiže oko 2500 0C. Toplota se prenosi sa vanjskog zida visokotemperaturne šupljine kako bi se topio metal koji okružuje šupljinu. Mala rupa je ispunjena parom visoke temperature koja nastaje kontinuiranim isparavanjem materijala zida pod zračenjem grede, zidovi male rupe su okruženi rastopljenim metalom, a tečni metal je okružen čvrstim materijalima (dok je u kod najkonvencionalnijih procesa zavarivanja i laserskog provodljivog zavarivanja, energija se prvo taloži na površini obratka, a zatim se prenosi u unutrašnjost. Protok tečnosti izvan zida pora i površinski napon sloja zida održavaju dinamičku ravnotežu sa konstantno generisanim pritiskom pare u šupljini pora. Zraka neprekidno ulazi u malu rupu, a materijal izvan male rupe kontinuirano teče. Kako se snop kreće, mala rupa je uvijek u stabilnom stanju protoka. To znači da se mala rupa i rastopljeni metal koji okružuje zid rupe pomiču naprijed sa brzinom vodećeg snopa naprijed, a rastopljeni metal ispunjava prazninu koju ostavlja mala rupa i zatim se kondenzira, tako da se formira zavar. Sve ovo od gore navedenog procesa događa se tako brzo da brzine zavarivanja lako mogu doseći nekoliko metara u minuti.
02
Glavni parametri procesa laserskog zavarivanja dubokog prodiranja
1) Snaga lasera. Kod laserskog zavarivanja postoji granična vrijednost gustine energije lasera. Ispod ove vrijednosti, dubina prodiranja je vrlo plitka. Kada se ova vrijednost dostigne ili prekorači, dubina prodiranja će se znatno povećati. Plazma se stvara samo kada gustina snage lasera na radnom komadu pređe graničnu vrijednost (ovisno o materijalu), što označava napredak stabilnog zavarivanja dubokog prodiranja. Ako je snaga lasera ispod ovog praga, dolazi do samo površinskog topljenja obratka, tj. zavarivanje se odvija uz stabilnu provodljivost toplote. Kada je gustina snage lasera blizu kritičnog stanja za stvaranje malih rupa, naizmjenično se izvode zavarivanje dubokog prodiranja i zavarivanje provodljivošću, što postaje nestabilan proces zavarivanja, što rezultira velikim fluktuacijama u dubini prodiranja. Tokom laserskog zavarivanja dubokog prodiranja, snaga lasera istovremeno kontroliše dubinu penetracije i brzinu zavarivanja. Penetracija zavarivanja je direktno povezana sa gustinom snage snopa i funkcija je snage upadnog snopa i žarišne tačke snopa. Općenito, za laserski snop određenog promjera, dubina prodiranja raste kako se povećava snaga zraka.
2) Fokalna tačka snopa. Veličina tačke snopa jedna je od najvažnijih varijabli u laserskom zavarivanju jer određuje gustinu snage. Ali za lasere velike snage, njegovo mjerenje je težak problem, iako postoje mnoge tehnike indirektnog mjerenja.
Difrakcijski ograničena veličina tačke fokusa snopa može se izračunati prema teoriji difrakcije svjetlosti, ali zbog postojanja aberacije sočiva za fokusiranje, stvarna veličina tačke je veća od izračunate vrijednosti. Najjednostavnija praktična metoda je metoda izotermnog profiliranja, kojom se mjeri žarište i promjer perforacije nakon ugljenisanja i prodiranja u polipropilensku ploču debelim papirom. Ova metoda treba da ovlada snagom lasera i vremenom djelovanja zraka kroz praksu mjerenja.
3) Vrijednost apsorpcije materijala. Apsorpcija laserske svjetlosti materijalima ovisi o nekim važnim svojstvima materijala, kao što su apsorpcija, refleksivnost, toplotna provodljivost, temperatura topljenja, temperatura isparavanja, itd., od kojih je najvažnija apsorpcija.
Faktori koji utiču na stopu apsorpcije materijala na laserski snop uključuju dva aspekta: prvi je otpornost materijala. Nakon mjerenja brzine apsorpcije polirane površine materijala, utvrđeno je da je brzina apsorpcije materijala proporcionalna kvadratnom korijenu otpornosti, a otpornost varira s temperaturom. Drugo, stanje površine (ili glatkoća) materijala ima važniji utjecaj na brzinu apsorpcije snopa, što ima značajan utjecaj na učinak zavarivanja.
Izlazna talasna dužina CO2 lasera je obično 10,6 μm. Stopa apsorpcije keramike, stakla, gume, plastike i drugih nemetala je vrlo visoka na sobnoj temperaturi, dok je stopa apsorpcije metalnih materijala vrlo loša na sobnoj temperaturi, sve dok se materijal ne otopi ili čak gasi. Njegova apsorpcija se dramatično povećava. Vrlo je efikasno poboljšati materijalnu apsorpciju svjetlosnih zraka korištenjem površinskog premaza ili formiranja površinskog oksidnog filma.
4) Brzina zavarivanja. Brzina zavarivanja ima veliki uticaj na dubinu prodiranja. Povećanjem brzine prodiranje će biti plitko, ali ako je brzina preniska, materijal će se previše rastopiti i radni komad će biti zavaren. Stoga postoji odgovarajući raspon brzine zavarivanja za određeni materijal sa određenom snagom lasera i određenom debljinom, a maksimalna dubina prodiranja može se postići pri odgovarajućoj vrijednosti brzine. Slika 10-2 prikazuje odnos između brzine zavarivanja i dubine prodiranja čelika 1018.
5) Zaštitni gas. Inertni plin se često koristi za zaštitu rastopljenog bazena u procesu laserskog zavarivanja. Kada se neki materijali zavaruju bez obzira na površinsku oksidaciju, zaštita se možda neće uzeti u obzir, ali za većinu primjena, helij, argon, dušik i drugi plinovi se često koriste kao zaštita kako bi radni komad bio zaštićen od oksidacije tijekom lemljenja.
Helij se ne ionizira lako (veća energija jonizacije), što omogućava da laser nesmetano prolazi, a energija zraka nesmetano stiže do površine obratka. Ovo je najefikasniji zaštitni gas koji se koristi u laserskom zavarivanju, ali je skuplji.
Plin argon je jeftiniji i gušći, pa je i zaštitni efekat bolji. Međutim, podložan je visokotemperaturnoj metalnoj plazma jonizaciji, koja štiti dio zraka od udara u radni predmet, smanjuje efektivnu snagu lasera za zavarivanje, a također oštećuje brzinu i penetraciju zavarivanja. Površina zavara zaštićenog argonom je glađa od one zaštićene helijumom.
Dušik je najjeftiniji zaštitni plin, ali nije pogodan za zavarivanje nekih vrsta nehrđajućeg čelika, uglavnom zbog metalurških problema, kao što je apsorpcija, koja ponekad stvara poroznost u području preklapanja.
Druga funkcija korištenja zaštitnog plina je zaštita sočiva za fokusiranje od kontaminacije metalnim parama i prskanja kapljica tekućine. Naročito kod laserskog zavarivanja velike snage, jer izbacivanje postaje vrlo snažno, u ovom trenutku je potrebnije zaštititi sočivo.
Treća funkcija zaštitnog plina je da je vrlo efikasan u raspršivanju plazma štita proizvedenog laserskim zavarivanjem velike snage. Metalna para apsorbuje laserski snop i jonizuje u oblak plazme, a zaštitni gas oko metalne pare je takođe jonizovan usled toplote. Ako je prisutno previše plazme, laserska zraka se donekle troši od strane plazme. Plazma postoji na radnoj površini kao druga energija, što čini prodor plitkim i širi površinu zavarenog bazena. Brzina rekombinacije elektrona povećava se povećanjem sudara elektrona sa tri tijela sa jonima i neutralnim atomima kako bi se smanjila gustoća elektrona u plazmi. Što su neutralni atomi lakši, to je veća frekvencija sudara i veća je stopa rekombinacije; s druge strane, samo zaštitni gas sa visokom energijom jonizacije neće povećati gustinu elektrona zbog jonizacije samog gasa.
Veličina oblaka plazme varira u zavisnosti od korišćenog zaštitnog gasa, pri čemu je helijum najmanji, azot je drugi, a argon najveći. Što je plazma veća, prodiranje je pliće. Razlog za ovu razliku je prvenstveno zbog različitog stepena jonizacije molekula gasa, a takođe i zbog razlike u difuziji metalne pare uzrokovane različitim gustinama zaštitnog gasa.
Helijum je najmanje jonizovani gas sa najmanjom gustoćom, i brzo tjera pare metala u usponu koje nastaju iz kupke rastopljenog metala. Stoga, korištenje helijuma kao zaštitnog plina može u najvećoj mjeri potisnuti plazmu, čime se povećava dubina prodiranja i povećava brzina zavarivanja; zbog svoje male težine, može pobjeći i nije lako izazvati pore. Naravno, iz našeg stvarnog efekta zavarivanja, učinak zaštite argonom nije loš.
Učinak oblaka plazme na penetraciju je najočigledniji u području male brzine zavarivanja. Njegov učinak se smanjuje kako se brzina zavarivanja povećava.
Zaštitni plin se ubrizgava pod određenim pritiskom kroz mlaznicu kako bi stigao do površine obratka. Hidrodinamički oblik mlaznice i prečnik izlaza su veoma važni. Mora biti dovoljno velika da rasprši zaštitni plin da pokrije površinu zavarivanja, ali kako bi se učinkovito zaštitila sočiva i spriječila kontaminacija metalne pare ili prskanje metala od oštećenja sočiva, veličina mlaznice također treba biti ograničena. Brzinu protoka također treba kontrolirati, inače će laminarni tok zaštitnog plina postati turbulentan, a atmosfera će biti uključena u otopljeni bazen, na kraju formirajući pore.
U cilju poboljšanja zaštitnog efekta može se koristiti i dodatna metoda bočnog duvanja, odnosno kroz mlaznicu manjeg prečnika zaštitni gas se direktno ubrizgava u mali otvor zavarivanja dubokog prodora pod određenim uglom. Zaštitni gas ne samo da potiskuje oblak plazme na površini obratka, već utiče i na formiranje plazme i malih rupa u rupi, dodatno povećava dubinu prodiranja i dobija zavar sa idealnim omjerom dubine i širine. . Međutim, ova metoda zahtijeva preciznu kontrolu veličine i smjera strujanja zraka, u suprotnom je vjerovatno da će doći do turbulentnog strujanja i uništavanja rastopljenog bazena, što otežava stabilizaciju procesa zavarivanja.
6) Žižna daljina objektiva. Metoda fokusiranja se obično koristi za kondenzaciju lasera tokom zavarivanja, a obično se koristi sočivo sa žižnom daljinom od 63~254mm (2.5"~10"). Veličina fokusne tačke je proporcionalna žižnoj daljini, što je žižna daljina kraća, to je manja tačka. Ali žižna daljina utiče i na žižnu dubinu, odnosno žižna dubina raste sinhrono sa žižnom daljinom, tako da kratka žižna daljina može povećati gustinu snage, ali zbog male fokusne dubine, udaljenost između sočiva i radnog komada moraju se precizno održavati, a dubina prodiranja nije velika. Zbog uticaja prskanja i laserskog moda koji nastaje u procesu zavarivanja, najkraća žarišna dubina koja se koristi u stvarnom zavarivanju je uglavnom žižna daljina od 126 mm (5"). Kada je spoj velik ili šav treba povećati povećanjem veličine tačke, možete odabrati objektiv sa žižnom daljinom od 254 mm (10"). U ovom slučaju, da bi se postigao efekat duboke penetracije, potrebna je veća izlazna snaga lasera (gustina snage).
Kada snaga lasera prelazi 2kW, posebno za laserski snop CO2 od 10,6 μm, zbog upotrebe posebnih optičkih materijala za formiranje optičkog sistema, kako bi se izbjegao rizik od optičkog oštećenja sočiva za fokusiranje, metoda reflektivnog fokusiranja je često koristi se, a ogledalo od poliranog bakra se uglavnom koristi kao reflektor. Često se preporučuje za fokusiranje laserskih zraka velike snage zbog efikasnog hlađenja.
7) Položaj fokusa. Prilikom zavarivanja, položaj fokusa je kritičan kako bi se održala dovoljna gustina snage. Promjene u relativnom položaju žarišne točke i površine obratka direktno utiču na širinu i dubinu zavara. Slika 2-6 prikazuje uticaj pozicije fokusa na dubinu prodiranja i širinu šava čelika 1018.
U većini primjena laserskog zavarivanja, žarište se obično nalazi približno 1/4 željene dubine prodiranja ispod površine obratka.
8) Položaj laserskog snopa. Kod laserskog zavarivanja različitih materijala, položaj laserskog snopa kontrolira konačni kvalitet zavara, posebno u slučaju čeonih spojeva nego preklopnih spojeva. Na primjer, kada je zupčanik od kaljenog čelika zavaren na bubanj od mekog čelika, pravilna kontrola položaja laserskog snopa pomoći će da se dobije zavar s pretežno niskom komponentom ugljika koji je relativno otporan na pucanje. U nekim primenama, geometrija radnog komada koji se zavari zahteva da laserski snop bude odbijen pod uglom. Kada je ugao otklona između ose snopa i ravnine spoja unutar 100 stepeni, neće uticati na apsorpciju laserske energije od strane radnog komada.
9) Postepena kontrola porasta i pada snage lasera na početnoj i krajnjoj tački zavarivanja. Tokom laserskog zavarivanja dubokog prodiranja, male rupe uvijek postoje bez obzira na dubinu vara. Kada se proces zavarivanja završi i prekidač za napajanje isključi, na kraju zavara će se pojaviti udubljenje. Osim toga, kada sloj laserskog zavarivanja pokrije originalni zavareni šav, doći će do prekomjerne apsorpcije laserskog snopa, što će rezultirati pregrijavanjem zavara ili stvaranjem pora.
Kako bi se spriječio gore navedeni fenomen, tačke početka i zaustavljanja snage mogu se programirati tako da se vrijeme početka i završetka snage može podesiti, odnosno, početna snaga se elektronski povećava od nule do podešene vrijednosti snage u kratkom vremenu, a zavarivanje se može podesiti. Vrijeme i konačno snaga se postepeno smanjuje sa zadane snage na nulu kada se zavarivanje završi.
03
Karakteristike i prednosti i nedostaci laserskog zavarivanja dubokog prodiranja
Karakteristike laserskog zavarivanja dubokog prodiranja
1) Visok omjer širine i visine. Kako se rastopljeni metal formira oko cilindrične šupljine vruće pare i proteže se prema radnom komadu, zavar postaje dubok i uzak.
2) Minimalni unos toplote. Budući da je temperatura u maloj rupi vrlo visoka, proces topljenja se odvija izuzetno brzo, unos topline u radni komad je vrlo nizak, a toplinska deformacija i zona utjecaja topline su male.
3) Visoka gustina. Zato što male pore ispunjene parom visoke temperature pogoduju mešanju zavarenog bazena i izlasku gasa, što rezultira prodornim zavarom bez pora. Visoka brzina hlađenja nakon zavarivanja može lako učiniti strukturu zavara finom.
4) Jaki zavari. Zbog plamenog izvora topline i dovoljne apsorpcije nemetalnih komponenti, sadržaj nečistoća je smanjen, a veličina inkluzija i njihova distribucija u rastopljenom bazenu se mijenja. Za proces zavarivanja nisu potrebne elektrode niti žice za punjenje, a zona topljenja je manje zagađena, tako da su čvrstoća i žilavost šava barem jednaka ili čak veća od one kod matičnog metala.
5) Precizna kontrola. Budući da je fokusirana svjetlosna tačka mala, zavareni šav se može postaviti s velikom preciznošću. Laserski izlaz nema "inerciju", može se zaustaviti i ponovo pokrenuti velikom brzinom, a složeni radni komad može se zavariti tehnologijom kretanja snopa numeričke kontrole.
6) Beskontaktni atmosferski proces zavarivanja. Budući da energija dolazi iz snopa fotona, nema fizičkog kontakta sa obratkom, tako da se na radni predmet ne primjenjuje vanjska sila. Osim toga, magnetizam i zrak nemaju utjecaja na lasersko svjetlo.
Prednosti laserskog zavarivanja dubokog prodiranja
1) Budući da fokusirani laser ima mnogo veću gustinu snage od konvencionalnih metoda, brzina zavarivanja je velika, zona utjecaja topline i deformacija su male, a teško zavarivi materijali kao što je titan se također mogu zavariti.
2) Zato što je snop lak za prenos i kontrolu, i nema potrebe za čestom zamenom gorionika i mlaznice, a nije potreban ni vakuum za zavarivanje elektronskim snopom, što značajno smanjuje pomoćno vreme zastoja, pa faktor opterećenja i efikasnost proizvodnje je visoka.
3) Zbog efekta pročišćavanja i visoke stope hlađenja, čvrstoća zavara, žilavost i sveobuhvatne performanse su visoke.
4) Zbog niskog prosječnog unosa toplote i visoke preciznosti obrade, mogu se smanjiti troškovi ponovne obrade; osim toga, operativni troškovi laserskog zavarivanja su također niski, što može smanjiti troškove obrade obratka.
5) Može efikasno kontrolisati intenzitet snopa i fino pozicioniranje, a lako je realizovati automatski rad.
Nedostaci laserskog zavarivanja dubokog prodiranja
1) Dubina zavarivanja je ograničena.
2) Zahtjevi za montažu radnog komada su visoki.
3) Jednokratna investicija u laserski sistem je relativno visoka
