Vliv parametrů laserového procesu na svařování Česká republika

1.1 Zaostřovací rovina

1.1.1 Definice zaměření：Rozložení energie průřezu paprsku je znázorněno na obrázku vlevo a podélný řez rozložení energie paprsku je také znázorněn na obrázku vlevo. Paprsek vychází z laseru a po průchodu kolimační zaostřovací čočkou se zaostří v určité poloze a vytvoří pás paprsku. Tento bod má tu vlastnost, že bod je nejmenší a hustota energie paprsku je nejvyšší, což je ohnisko.

Distribuce energie laseru je přísně symetrická podél ohniskové roviny. Prostřednictvím fyzikálního jevu interakce laseru s materiály lze určit hranici energie a tím určit centrální polohu zaostřovacího bodu.

1.2 Základ pro posouzení hraničních souřadnic:Hranice mezi oblastmi s rozstřikem a bez rozstřiku; Délka a jas horního limitu plazmového plamene (ohnivé světlo) a odpovídající stav dolního limitu plazmového plamene (zápal ohně), přičemž se bere střední hodnota; Rovina, kde je zvuk nejhlasitější a fyzická reakce je nejintenzivnější.

1.3 Jak určit ohniskovou rovinu:

1.3.1. Prvním krokem je nastavení měřítka

Hrubé polohování:

Pokud si nejste jisti přibližným umístěním hloubky ostrosti, můžete nejprve posunout osu Z tam, kde je bod koaxiálního červeného světla nejmenší, což je obecně blízko hloubky ostrosti; Najděte nejmenší vodicí bod a poté vyhledejte horní a dolní hranici energie ohniska.

Opatření:

Při stejné konfiguraci externí světelné dráhy budou mít různé síly za následek různé hloubky ostrosti. Při určování ohniska by proto měl být výkon nastaven co nejnižší, aby bylo snazší nastavit hranice.

1.3.2 Krok 2 Pulzní bodová metoda – zkontrolujte pájené spoje

Hledejte souřadnice kritického stavu kladného a záporného rozostření, střed dvou souřadnic se bere jako souřadnice ohniska.

Metoda pulzního tečkování – sledujte jiskry

Samozřejmě můžete také poslouchat zvuk, jakou vlastnost zvolit pro posouzení, záleží na situaci laseru a materiálu na místě a je třeba vybrat to, co je pro posouzení vhodnější.

Všimněte si také:

1） Zajistěte, aby světlo nevyzařovalo nepřetržitě ve stejné poloze (náraz na hladký povrch materiálu a bod svařování, kde jsou charakteristické rozdíly velké, způsobí značné nesprávné posouzení);

2）Materiál použitý k nalezení ohniska musí být plochý, bez změn výšky a povrch musí být čistý;

3）Najděte ohnisko několikrát a vezměte průměrnou hodnotu, abyste snížili chybu.

1.3.3 Určení ohniskové roviny metodou šikmých čar

Poznámky k sekání:

Obecný ocelový plech:

1） Pro polovodiče použijte přibližně 500 W nebo méně; pro vláknovou optiku bude stačit kolem 300W;

2） Rychlost lze nastavit mezi 80-200 mm/s;

3） Čím větší je úhel zkosení ocelového plechu, tím lépe, nejlépe kolem 45-60 stupňů; střední bod je umístěn v zaostřeném zaměření nejmenšího a nejjasnějšího vodícího bodu.

Poté začněte označovat čáru. Jakého efektu by mělo značení dosáhnout? Teoreticky se tato čára symetricky rozloží kolem ohniska a trajektorie projde procesem zvyšování z malé na velkou a poté opět klesajícího, nebo klesajícího z velké na malou a poté opět rostoucí.
U polovodičů hledejte nejtenčí bod. Ocelová deska v ohnisku zbělá se zřejmými barevnými charakteristikami, které mohou také sloužit jako základ pro lokalizaci ohniska. Za druhé, u optických vláken se snažte ovládat zadní stranu tak, aby byla mírně průsvitná. Pokud je v ohnisku mírně průsvitný, znamená to, že ohnisko je ve středu mírné průsvitné délky zadní strany.

1.3.4 Spirálové tečkování: galvanometr k nalezení ohniska

Když je single-mode spárován s galvanometrem, je někdy obtížné najít kritický bod fyzikálních vlastností kvůli příliš velkému poměru zvětšení. Proto je pro určení ohniska odvozena metoda značení spirálové čáry s použitím hustšího energetického vstupu.

1）Uvnitř rámu galvanometru vytvořte spirálovou čáru a vycentrujte ji.
Nastavte parametry šroubovice:

• Poloměr výchozího bodu 0.5 mm

• Poloměr koncového bodu 1.5 mm

•Rozteč spirály 0.5mm;

(*Poloměr koncového bodu spirálové čáry by neměl být nastaven příliš velký, obecně je vhodný 1mm~2mm.)

2) svařování rychlost by měla být obecně nastavena na ≥100 mm/s. Pokud je rychlost příliš nízká, efekt svařování spirálovým drátem není zřejmý. Doporučená rychlost je 150 mm/s.

1.4 Svařování rychlost

Jedno laserové svařování systém se skládá z laseru, transmisního vlákna, kolimační zaostřovací hlavy nebo galvanometru atd. Světlo, které vychází z vlákna, je divergentní a je třeba ho přeměnit na paralelní světlo pomocí kolimační čočky a poté převést do zaostřeného stavu (zvětšení skleněný efekt) přes zaostřovací čočku. Mezi klíčové parametry při ladění laserového procesu patří: rychlost, energie, množství rozostření, a ochranný plyn, atd. Obecně platí, že zpráva o procesu poskytovaná procesními inženýry při testování v laboratoři obsahuje především výše uvedené čtyři parametry a také zvolenou konfiguraci laserového modelu.

1.4.1 Vliv rychlosti na kvalitu svařování: energie vedení

Obecně řečeno, před rozhodnutím, jaké parametry pro obrobek zvolit, je nutné nejprve určit rychlost zpracování. To vyžaduje komunikaci se zákazníkem, aby byly splněny jeho požadavky, jako jsou požadavky na rytmus výroby a požadavky na výstup. Z nich lze přibližně odvodit požadovanou rychlost a na tomto základě pak provádět ladění procesů.

Během laserové svařování rychlost svařování přímo ovlivňuje hustotu energie čáry laserového paprsku, což výrazně ovlivňuje velikost svarového švu. Mezitím se při různých rychlostech svařování mění také tok taveniny během procesu laserového svařování.

Zvýšení rychlosti jednovláknového laseru: To způsobí snížení energie čáry a svar se změní z tlustého na tenký. Přejde ze svařování hlubokou penetrací na kondukční svařování, dokud nebude přítomna žádná stopa po svařování kvůli nedostatečnému svaru. Obecně platí, že rychlost není příliš upravována. U vysoce reflexních materiálů, pokud dochází k velkému svaření segmentů nebo nedostatečnému svaru, může zpomalení vyřešit některé problémy. To zahrnuje snížení tepelně ovlivněné zóny a energie vedení u některých konstrukčních dílů s plastovými kusy na okrajích nebo ve vrstvených svarech zvýšením rychlosti.

Pulzní svařování: rychlost ovlivňuje míru překrytí;

Kontinuální laserové svařování: Základní princip toho, jak rychlost ovlivňuje svařování, spočívá v tom, že ovlivňuje distribuci energie vedení, a tedy i dobu působení laseru. To zase vede k různým úrovním hloubky a šířky metalografického fúze. Pravidlo vlivu je znázorněno na obrázku níže:

Šířka svaru se zmenšuje se zvyšující se rychlostí svařování; hloubka svaru se také snižuje s rostoucí rychlostí svařování; zvýšení rychlosti může do určité míry omezit vady, jako jsou podříznutí a rozstřik.

1.5 Svařovací výkon

Příkon energie laserového svařování je obvykle představován hustotou energie (výkon laseru dělený plochou bodu v jednotkách w/cm²) a tepelným příkonem (výkon laseru dělený rychlostí svařování v jednotkách w/cm²). První popisuje intenzitu laserové energie v prostorovém rozsahu, zatímco druhý popisuje kumulaci laserové energie v čase.

Jednoduchý vztah mezi výkonem, hloubkou fúze a šířkou fúze je znázorněn na obrázku. Obecně řečeno: čím větší výkon, tím se s výkonem zvětší i hloubka a šířka fúze. Laserové svařování má energetický práh. Pod tímto prahem se nazývá svařování vedením tepla, nad ním se nazývá svařování hlubokým průvarem. Rozdíl je v tom, že svařování hlubokým průvarem má klíčovou dírku.

Mezi běžné závady způsobené nedostatečným výkonem patří: falešné svařování, malá hloubka svaru a nejasné stopy po svařování; vady způsobené nadměrným výkonem zahrnují: průnik při svařování, velký rozstřik, zvlněné okraje a podříznutí.

Vztah mezi výkonem a hloubkou a šířkou taveniny: Čím větší výkon, tím větší hloubka a šířka taveniny.

1.5.1 Prstencová skvrna:

Za hloubku fúze je zodpovědný hlavně laser s vnitřním prstencem, s rostoucím výkonem se hloubka fúze zvětšuje.

Vnější prstencový laser má menší vliv na hloubku svaru a ovlivňuje především šířku svaru. S rostoucí silou vnějšího kroužku se vzhled svaru vyhladí a šířka svaru se zvětší.

1.6 Rozostření

Rozostření je vzdálenost mezi ohniskovou rovinou laseru a povrchem svařovaného obrobku. Když je ohnisková rovina nad povrchem obrobku, jedná se o kladné rozostření; když je ohnisková rovina pod povrchem obrobku, jedná se o negativní rozostření. Přirozeně, když je ohnisková rovina na povrchu obrobku, je rozostření nulové. Rozostření je důležitý parametr při laserovém svařování. Vzhledem k tomu, že laserový paprsek je zaostřen do ohniskového bodu, aby se sbíhala energie pro svařování čočkou uvnitř laserové hlavy v ohniskové vzdálenosti, z optického hlediska změna rozostření laserového svařování v podstatě mění oblast akčního bodu laserový paprsek, čímž se mění hustota výkonu laseru.

Obecně platí, že když je specifikováno procesní okno, je třeba nastavit rozsah rozostření, hlavně pro obrobky s povrchy s vysokou odrazivostí, jako je nerezová ocel, hliníkové slitiny atd. Protože tyto materiály mají povrchy podobné zrcadlům, je rozostření příliš velké energie jednotky bude příliš nízká na to, aby rychle roztavila povrch materiálu, což způsobí, že se určité množství laserové energie odrazí zpět a poškodí čočku svařovací hlavy a koncovou stranu vlákna.

Současně, po zvolení průměru jádra vlákna, pokud je mezera mezi obrobky příliš velká a může nastat situace, kdy laser prosakuje přes šev, lze použít rozostření jako nápravu pro zvětšení místa, čímž zvýšení vyhřívané plochy a zajištění překrytí švu roztaveným bazénem, ​​aby se zabránilo úniku světla.

Rozostření se obvykle volí jako pozitivní a nezvolí se ani ohnisko, ani negativní rozostření, protože: energie laseru je soustředěna hlavně ve středu ohniska. Když je ohnisko na povrchu nebo uvnitř obrobku, hustota výkonu laseru uvnitř tavné lázně je příliš vysoká, což může snadno způsobit rozstřikování svařování, drsný povrch svaru a nerovnosti.

Vztah mezi rozostřením a hloubkou a šířkou tání:

Hloubka fúze se snižuje se zvyšujícím se rozostřením a hloubka fúze s negativním rozostřením je větší než s kladným rozostřením; šířka fúze se nejprve zvětšuje a poté se zmenšuje s rostoucím rozostřením.

1.7 Ochranný plyn

Ochranný plyn: Existuje mnoho druhů ochranných plynů. V průmyslových výrobních linkách se dusík často používá ke kontrole nákladů. V laboratořích je hlavní volbou argon, ale používá se také helium a další inertní plyny, obvykle za zvláštních okolností. Tři nejpoužívanější jsou dusík, argon a helium.

Protože laserové svařování je proces vysokoteplotní prudké reakce, kdy kov taje a odpařuje se, kov je velmi aktivní při vysokých teplotách. Jakmile se setká s kyslíkem, dojde k prudké reakci, která se vyznačuje velkým množstvím rozstřiků a drsným a nerovným povrchem svaru. Účelem ochranného plynu je proto vytvořit prostředí bez kyslíku v malém rozsahu (v blízkosti tavné lázně), aby se zabránilo prudkým oxidačním reakcím způsobujícím špatné svary a hrubý vzhled.

1.7.1 Účinky různých ochranných plynů

Kovové páry absorbují laserové paprsky a ionizují do plazmového oblaku. Pokud je plazmy příliš mnoho, je laserový paprsek do určité míry spotřebován plazmou. Ochranný plyn může rozptýlit oblak kovových par nebo plazmový oblak, snížit jeho stínící účinek na laser a zvýšit efektivní využití laseru.
Současně je také ionizován ochranný plyn vysokoenergetickým laserem. V důsledku různých ionizačních energií budou mít různé ochranné plyny různé stínící účinky na laser.

Podle experimentálního výzkumu je pořadí ionizační energie: Helium > Dusík > Argon.

• Hélium je nejméně náchylné k ionizaci působením laseru a má nejmenší dopad na proces svařování.

• Argon má nízkou reaktivitu a je to inertní plyn. Nereaguje s materiálem a běžně se používá v laboratořích.

• Dusík je reaktivní plyn, protože může reagovat s kovovými materiály. Obecně se používá v situacích, kdy nejsou kladeny vysoké požadavky na pevnost, zejména společnostmi na výrobních linkách s ohledem na náklady.

1.7.2 Vliv foukání ochranného plynu pod různými úhly

Jak aplikovat boční foukání ochranného plynu?

• Úhel a výška bočního ofukovacího ochranného plynu přímo ovlivňují oblast pokrytí ochranným plynem a polohu, ve které působí na klíčovou dírku tavné lázně;

• Obecně platí, že různé průměry potrubí a průtoky ochranného plynu by měly být přizpůsobeny velikosti svařovací lázně, aby byl zajištěn ochranný účinek;

• Nejlepší úhel pro ochranný plyn je 45-60°, což může účinně zvětšit otvor klíčové dírky a snížit rozstřik.

Boční vyfukování ochranného plynu

Výhody: Je prospěšný pro rozptýlení plazmy a foukání zepředu dozadu může účinně potlačit rozstřikování.

Dopad: Může to vést ke zvýšení pórovitosti.

Přímé vyfukování ochranného plynu

Výhody:

• Přímé foukání může účinně zajistit pokrytí oblasti ochranného plynu nad tavnou lázní, čímž poskytuje dobrou ochranu;

• Přímé foukání je jednoduché na použití a nevyžaduje žádné úpravy, i když je třeba věnovat pozornost tomu, že struska ze svařování na měděné trysce může narušovat směr proudění ochranného plynu a turbulence mohou ovlivnit účinnost ochranného plynu.

Dopad: Přímé foukání může také účinně rozšířit otvor klíčové dírky, ale nadměrné proudění ochranného plynu může vést ke zvýšení pórovitosti.