Influenza dei parametri del processo laser sulla saldatura

1.1 Piano focale

1.1.1 Definizione del focus：La distribuzione dell'energia della sezione trasversale della trave è come mostrata nella figura a sinistra, e anche la sezione longitudinale della distribuzione dell'energia della trave è come mostrata nella figura a sinistra. Il raggio viene emesso dal laser e, dopo essere passato attraverso la lente di focalizzazione collimante, si focalizzerà in una determinata posizione, formando una cintura del raggio. Questo punto ha la caratteristica che lo spot è il più piccolo e la densità di energia del raggio è la più alta, che è il punto focale.

La distribuzione dell'energia laser è strettamente simmetrica lungo il piano focale. Attraverso il fenomeno fisico dell'interazione del laser con i materiali, è possibile determinare il confine energetico, determinando così la posizione centrale del punto focale.

1.2 La base per giudicare le coordinate del confine:Il confine tra le aree con schizzi e senza schizzi; La lunghezza e la luminosità del limite superiore della fiamma del plasma (luce del fuoco) e lo stato corrispondente del limite inferiore della fiamma del plasma (luce del fuoco), con il valore mediano preso; Il piano dove il suono è più forte e la reazione fisica è più intensa.

1.3 Come determinare il piano focale:

1.3.1. Il primo passo è stabilire un punto di riferimento

Posizionamento approssimativo:

Se non sei sicuro della posizione approssimativa della profondità di fuoco, puoi prima spostare l'asse Z nel punto in cui lo spot della luce rossa coassiale è più piccolo, che generalmente è vicino alla profondità di fuoco; Trova il punto guida più piccolo, quindi cerca i limiti superiore e inferiore dell'energia del punto focale.

Precauzioni:

Con la stessa configurazione del percorso luminoso esterno, potenze diverse si tradurranno in diverse profondità di messa a fuoco. Pertanto, quando si determina il punto focale, la potenza dovrebbe essere impostata la più bassa possibile per facilitare la definizione dei confini.

1.3.2 Passaggio 2 Metodo del punto a impulsi: controllare i giunti di saldatura

Cercare le coordinate dello stato critico di sfocatura positiva e negativa, il punto medio delle due coordinate viene preso come coordinate di messa a fuoco.

Metodo di punteggiatura degli impulsi: attenzione alle scintille

Naturalmente, è anche possibile ascoltare il suono, poiché la funzione da scegliere per il giudizio dipende dalla situazione del laser e del materiale in loco e si dovrebbe scegliere quella più conveniente per il giudizio.

Nota anche:

1） Assicurarsi di non emettere luce continuamente nella stessa posizione (colpire la superficie liscia del materiale e il punto di saldatura dove le differenze caratteristiche sono grandi causerà un significativo errore di valutazione);

2）Il materiale utilizzato per trovare il punto focale deve essere piatto, senza variazioni di altezza e la superficie deve essere pulita;

3）Trova il punto focale più volte e prendi il valore medio per ridurre l'errore.

1.3.3 Determinazione del piano focale utilizzando il metodo della linea obliqua

Note sul taglio:

Piastra d'acciaio generale:

1） Per i semiconduttori, utilizzare circa 500 W o meno; per la fibra ottica basteranno circa 300W;

2）La velocità può essere impostata tra 80-200 mm/s;

3）Maggiore è l'angolo di smussatura della piastra in acciaio, meglio è, preferibilmente intorno ai 45-60 gradi; il punto medio si trova nel fuoco di posizionamento approssimativo del punto guida più piccolo e luminoso.

Quindi inizia a segnare la linea. Quale effetto dovrebbe ottenere la marcatura? Teoricamente, questa linea si distribuirà simmetricamente attorno al punto focale, e la traiettoria subirà un processo di aumento da piccolo a grande e poi di diminuzione di nuovo, o di diminuzione da grande a piccolo e poi di nuovo aumento.
Per i semiconduttori, cerca il punto più sottile. La piastra in acciaio diventerà bianca nel punto focale con evidenti caratteristiche cromatiche, che possono anche servire come base per individuare il punto focale. In secondo luogo, per la fibra ottica, provare a controllare che la parte posteriore sia leggermente traslucida. Se è leggermente traslucido nel punto focale, ciò indica che il punto focale si trova nel punto medio della lunghezza leggermente traslucida del retro.

1.3.4 Punteggiatura a spirale: galvanometro per trovare il fuoco

Quando la modalità singola è abbinata al galvanometro, a volte è difficile trovare il punto critico delle caratteristiche fisiche a causa del rapporto di ingrandimento eccessivamente ampio. Pertanto, per determinare il punto focale, viene derivato un metodo per tracciare una linea a spirale, utilizzando un input energetico più denso.

1）Crea una linea a spirale all'interno della cornice del galvanometro e centralizzala.
Imposta i parametri dell'elica:

•Raggio del punto iniziale 0.5 mm

•Raggio del punto finale 1.5 mm

•Passo spirale 0.5 mm;

(*Il raggio del punto finale della linea a spirale non deve essere troppo grande, generalmente è appropriato 1mm~2mm.)

2）Il saldatura la velocità dovrebbe generalmente essere impostata su ≥100mm/s. Se la velocità è troppo lenta, l'effetto della saldatura del filo a spirale non è evidente. La velocità consigliata è 150 mm/s.

1.4 Saldatura velocità

Il saldatura laser il sistema è composto da un laser, una fibra di trasmissione, una testa di focalizzazione collimante o un galvanometro, ecc. La luce che esce dalla fibra è divergente e deve essere trasformata in luce parallela da una lente collimatrice, quindi convertita in uno stato focalizzato (ingrandimento effetto vetro) attraverso una lente di focalizzazione. I parametri chiave durante il debug del processo laser includono: velocità, energia, quantità di sfocaturae gas protettivo, ecc. Generalmente, il rapporto di processo fornito dagli ingegneri di processo durante i test in laboratorio contiene principalmente i quattro parametri di cui sopra, nonché la configurazione del modello laser scelto.

1.4.1 Effetto della velocità sulla qualità della saldatura: energia di linea

In generale, prima di decidere quali parametri scegliere per un pezzo, è necessario determinare innanzitutto la velocità di lavorazione. Ciò richiede la comunicazione con il cliente per soddisfare le sue richieste, come i requisiti del ritmo di produzione e le richieste di output. Da questi è possibile dedurre approssimativamente la velocità richiesta e quindi eseguire il debug del processo su questa base.

Durante l' saldatura laser processo, la velocità di saldatura influisce direttamente sulla densità di energia della linea del raggio laser, che influisce in modo significativo sulla dimensione del cordone di saldatura. Nel frattempo, a diverse velocità di saldatura, varia anche il modello di flusso del bagno di fusione durante il processo di saldatura laser.

Aumentare la velocità di un laser a fibra singola: Ciò farà diminuire l'energia della linea e il cordone di saldatura cambierà da spesso a sottile. Passerà dalla saldatura a penetrazione profonda alla saldatura a conduzione finché non sarà più presente alcun segno di saldatura a causa della mancanza di fusione. Generalmente, la velocità non viene regolata eccessivamente. Per i materiali altamente riflettenti, se sono presenti molti segmenti saldati o mancanza di fusione, rallentare può risolvere alcuni problemi. Ciò include la riduzione della zona interessata dal calore e dell'energia della linea per alcune parti strutturali con pezzi di plastica sui bordi o nelle saldature a strati aumentando la velocità.

Saldatura a impulsi: la velocità influenza il tasso di sovrapposizione;

Saldatura laser continua: Il principio fondamentale su come la velocità influisce sulla saldatura è che influisce sulla distribuzione dell'energia della linea e quindi sulla durata dell'azione del laser. Ciò a sua volta porta a diversi livelli di profondità e larghezza della fusione metallografica. La regola di influenza è illustrata nell'immagine seguente:

La larghezza di fusione diminuisce all'aumentare della velocità di saldatura; anche la profondità di fusione diminuisce all'aumentare della velocità di saldatura; l'aumento della velocità può in una certa misura ridurre i difetti come sottosquadri e spruzzi.

1.5 Potenza di saldatura

L'energia immessa nella saldatura laser è solitamente rappresentata dalla densità di energia (potenza laser divisa per l'area del punto, in unità di w/cm²) e dall'apporto termico (potenza laser divisa per la velocità di saldatura, in unità di w/cm²). Il primo descrive l'intensità dell'energia laser nello spazio, mentre il secondo descrive l'accumulo dell'energia laser nel tempo.

La semplice relazione tra potenza, profondità di fusione e larghezza di fusione è come mostrato nell'immagine. In generale: maggiore è la potenza, con la potenza aumenteranno la profondità e l'ampiezza della fusione. Saldatura laser ha una soglia energetica. Al di sotto di questa soglia si parla di saldatura a conduzione termica, al di sopra di questa soglia si parla di saldatura a penetrazione profonda. La differenza è che la saldatura a penetrazione profonda ha un buco della serratura.

I difetti comuni causati da una potenza insufficiente includono: false saldature, profondità di fusione poco profonda e segni di saldatura poco chiari; i difetti dovuti alla potenza eccessiva includono: penetrazione della saldatura, spruzzi di grandi dimensioni, bordi ondulati e sottosquadri.

La relazione tra potenza e profondità e larghezza della fusione: Maggiore è la potenza, maggiore è la profondità e l'ampiezza della fusione.

1.5.1 Macchia a forma di anello:

Il laser dell'anello interno è principalmente responsabile della profondità di fusione, all'aumentare della potenza aumenta la profondità di fusione.

Il laser dell'anello esterno ha un impatto minore sulla profondità di fusione e influenza principalmente la larghezza di fusione. All’aumentare della potenza dell’anello esterno, l’aspetto del cordone di saldatura diventa più liscio e la larghezza di fusione aumenta.

1.6 Sfocatura

La sfocatura è la distanza tra il piano focale del laser e la superficie del pezzo da saldare. Quando il piano focale è sopra la superficie del pezzo, la sfocatura è positiva; quando il piano focale è sotto la superficie del pezzo, la sfocatura è negativa. Naturalmente, quando il piano focale si trova sulla superficie del pezzo, la sfocatura è zero. La sfocatura è un parametro importante nella saldatura laser. Poiché il raggio laser è focalizzato in un punto focale per far convergere l'energia per la saldatura da parte della lente all'interno della testa laser alla lunghezza focale, quindi, da un punto di vista ottico, la modifica della sfocatura della saldatura laser cambia essenzialmente l'area del punto di azione del raggio laser, modificando così la densità di potenza del laser.

Generalmente, quando viene specificata una finestra di processo, è necessario impostare un intervallo di sfocatura, principalmente per pezzi con superfici ad alta riflettività, come acciaio inossidabile, leghe di alluminio, ecc. Poiché questi materiali hanno superfici a specchio, se la sfocatura è troppo grande , l'energia dell'unità sarà troppo bassa per sciogliere rapidamente la superficie del materiale, provocando la riflessione di una certa quantità di energia laser e danneggiando la lente della testa di saldatura e la faccia terminale della fibra.

Allo stesso tempo, dopo aver selezionato il diametro del nucleo della fibra, se lo spazio tra i pezzi è troppo grande e potrebbe verificarsi una situazione in cui il laser fuoriesce dalla giuntura, è possibile utilizzare la sfocatura come rimedio per ingrandire il punto, in tal modo aumentare l'area riscaldata e garantire che la pozza di fusione copra la giuntura per evitare perdite di luce.

La sfocatura viene solitamente scelta come positiva e non vengono selezionati né il punto focale né la sfocatura negativa perché: l'energia laser è concentrata principalmente nel centro della macchia focale. Quando il punto focale si trova sulla superficie o all'interno del pezzo, la densità di potenza del laser all'interno del bagno di fusione è troppo elevata e può facilmente causare schizzi di saldatura, superficie di saldatura ruvida e irregolarità.

La relazione tra sfocatura e profondità e larghezza di fusione:

La profondità di fusione diminuisce all'aumentare della sfocatura e la profondità di fusione con sfocatura negativa è maggiore di quella con sfocatura positiva; l'ampiezza della fusione aumenta prima e poi diminuisce all'aumentare della sfocatura.

1.7 Gas di protezione

Gas di protezione: Esistono molti tipi di gas di protezione. Nelle linee di produzione industriale, l’azoto viene spesso utilizzato per controllare i costi. Nei laboratori l'argon è la scelta principale, ma vengono utilizzati anche l'elio e altri gas inerti, solitamente in circostanze particolari. I tre più comunemente usati sono azoto, argon ed elio.

Perché saldatura laser è un processo di reazione vigorosa ad alta temperatura, in cui il metallo si scioglie ed evapora, il metallo è molto attivo alle alte temperature. Una volta incontrato l'ossigeno, si verificherà una reazione violenta, caratterizzata da una grande quantità di spruzzi e da una superficie di saldatura ruvida e irregolare. Pertanto, lo scopo del gas di protezione è quello di creare un ambiente privo di ossigeno entro un intervallo ristretto (vicino al bagno di fusione) per evitare che violente reazioni di ossidazione causino saldature scadenti e un aspetto ruvido.

1.7.1 Effetti dei diversi gas protettivi

Il vapore metallico assorbe i raggi laser e si ionizza in una nuvola di plasma. Se c'è troppo plasma, il raggio laser viene in una certa misura consumato dal plasma. Il gas di protezione può disperdere il pennacchio di vapori metallici o la nuvola di plasma, riducendo il suo effetto schermante sul laser e aumentando l'utilizzo efficace del laser.
Allo stesso tempo il gas di protezione viene ionizzato dal laser ad alta energia. A causa delle diverse energie di ionizzazione, diversi gas di protezione avranno effetti schermanti diversi sul laser.

Secondo la ricerca sperimentale, la classifica dell’energia di ionizzazione è: Elio > Azoto > Argon.

• L'elio è quello che ha meno probabilità di ionizzarsi sotto l'azione di un laser e ha il minimo impatto sul processo di saldatura.

• L'argon ha una bassa reattività ed è un gas inerte. Non reagisce con il materiale ed è comunemente usato nei laboratori.

• L'azoto è un gas reattivo perché può reagire con materiali metallici. Viene generalmente utilizzato in situazioni in cui non vi sono requisiti di elevata resistenza, soprattutto da parte delle aziende della linea di produzione che tengono conto dei costi.

1.7.2 Effetto del soffiaggio del gas protettivo da diverse angolazioni

Come applicare il gas di protezione a soffiaggio laterale?

• L'angolo e l'altezza del gas di protezione che soffia lateralmente influenzano direttamente l'area di copertura del gas di protezione e la posizione in cui agisce sulla serratura del bagno di fusione;

• In generale, i diversi diametri dei tubi e le portate del gas di protezione devono essere adattati in base alle dimensioni del bagno fuso di saldatura per garantire l'effetto protettivo;

• L'angolo migliore per il gas di protezione è 45-60°, che può allargare efficacemente l'apertura del buco della serratura e ridurre gli spruzzi.

Gas di protezione a soffiaggio laterale

Vantaggi: È utile per disperdere il plasma e soffiare dalla parte anteriore a quella posteriore può eliminare efficacemente gli schizzi.

Impact : Può portare ad un aumento della porosità.

Gas di protezione a soffiatura diretta

Vantaggi:

• Il soffiaggio diretto può garantire efficacemente l'area di copertura del gas di protezione sul bagno di fusione, fornendo così una buona protezione;

• Il soffiaggio diretto è semplice da usare e non richiede regolazioni, anche se è necessario prestare attenzione poiché le scorie di saldatura sull'ugello in rame possono interferire con la direzione del flusso del gas di protezione e la turbolenza può influire sull'efficacia del gas di protezione.

Impact : Il soffiaggio diretto può anche allargare efficacemente l'apertura del buco della serratura, ma un flusso eccessivo di gas di protezione può portare ad un aumento della porosità.