Wpływ parametrów procesu laserowego na spawanie

1.1 Płaszczyzna ostrości

1.1.1 Definicja ostrości：Rozkład energii w przekroju poprzecznym wiązki pokazano na lewym rysunku, a przekrój podłużny przekroju poprzecznego wiązki jest również pokazany na lewym rysunku. Wiązka wychodzi z lasera i po przejściu przez kolimacyjną soczewkę skupiającą skupia się w określonym miejscu, tworząc pas wiązki. Punkt ten ma tę cechę, że plamka jest najmniejsza, a gęstość energii wiązki jest największa, czyli jest to punkt ogniskowy.

Rozkład energii lasera jest ściśle symetryczny wzdłuż płaszczyzny ogniskowej. Poprzez zjawisko fizyczne oddziaływania lasera z materiałami można wyznaczyć granicę energii, wyznaczając tym samym centralne położenie ogniska.

1.2 Podstawa oceny współrzędnych granicznych:Granica pomiędzy obszarami z odpryskami i bez odprysków; Długość i jasność górnej granicy płomienia plazmowego (światło ognia) i odpowiadający stan dolnej granicy płomienia plazmy (światło ognia), z przyjętą wartością średnią; Płaszczyzna, w której dźwięk jest najgłośniejszy, a reakcja fizyczna najbardziej intensywna.

1.3 Jak wyznaczyć płaszczyznę ogniskową:

1.3.1. Pierwszym krokiem jest ustalenie punktu odniesienia

Zgrubne pozycjonowanie:

Jeśli nie masz pewności co do przybliżonej lokalizacji głębi ostrości, możesz najpierw przesunąć oś Z do miejsca, w którym plamka współosiowego światła czerwonego jest najmniejsza, czyli zazwyczaj blisko głębi ostrości; Znajdź najmniejszy punkt prowadzący, a następnie poszukaj górnej i dolnej granicy energii punktu ogniskowego.

Środki ostrożności:

Przy tej samej konfiguracji zewnętrznej ścieżki światła, różne moce będą skutkować różną głębią ostrości. Dlatego przy wyznaczaniu ogniska należy ustawić moc jak najniższą, aby łatwiej było wyznaczyć granice.

1.3.2 Krok 2 Metoda pulsacyjna - sprawdź połączenia lutowane

Wyszukaj współrzędne krytycznego stanu rozogniskowania dodatniego i ujemnego. Za współrzędne skupienia przyjmuje się punkt środkowy obu współrzędnych.

Metoda punktacji impulsowej - obserwuj iskry

Oczywiście można także posłuchać dźwięku, gdyż to, którą funkcję wybrać do oceny, zależy od sytuacji lasera i materiału na miejscu, należy wybrać tę, która jest wygodniejsza do oceny.

Uwaga również:

1) Upewnij się, że nie emitujesz światła w sposób ciągły w tym samym miejscu (uderzenie w gładką powierzchnię materiału i punkt spawania, w którym różnice w charakterystyce są duże, spowoduje znaczną błędną ocenę);

2) Materiał użyty do znalezienia punktu ogniskowego musi być płaski, bez zmian wysokości, a powierzchnia musi być czysta;

3) Znajdź punkt ogniskowy kilka razy i weź średnią wartość, aby zmniejszyć błąd.

1.3.3 Wyznaczanie płaszczyzny ogniskowej metodą linii ukośnych

Uwagi dotyczące cięcia:

Ogólna płyta stalowa:

1) W przypadku półprzewodników użyj około 500 W lub mniej; dla światłowodów wystarczy około 300W;

2) Prędkość można ustawić w zakresie 80-200 mm/s;

3) Im większy kąt skosu blachy stalowej, tym lepiej, najlepiej około 45-60 stopni; punkt środkowy znajduje się w zgrubnym ognisku pozycjonowania najmniejszego i najjaśniejszego punktu prowadzącego.

Następnie zacznij zaznaczać linię. Jaki efekt powinno osiągnąć znakowanie? Teoretycznie linia ta będzie rozłożona symetrycznie wokół punktu ogniskowego, a trajektoria będzie podlegać procesowi zwiększania się od małej do dużej, a następnie ponownie malejącej lub malejącej od dużej do małej, a następnie ponownie wzrastającej.
W przypadku półprzewodników poszukaj najcieńszego punktu. Stalowa płytka w punkcie ogniskowym zmieni kolor na biały i będzie miała oczywistą charakterystykę kolorystyczną, która może również służyć jako podstawa do zlokalizowania punktu ogniskowego. Po drugie, w przypadku światłowodów staraj się kontrolować, aby tylna strona była lekko przezroczysta. Jeśli jest lekko przezroczysty w punkcie ogniskowym, oznacza to, że punkt ogniskowy znajduje się w środku lekko półprzezroczystej długości tylnej strony.

1.3.4 Kropkowanie spiralne: galwanometr do znalezienia ogniska

Kiedy jednomodowy jest połączony z galwanometrem, czasami trudno jest znaleźć punkt krytyczny cech fizycznych ze względu na zbyt duży współczynnik powiększenia. Dlatego w celu określenia punktu ogniskowego wyprowadzono metodę wyznaczania linii spiralnej, wykorzystującą bardziej gęsty wkład energii.

1) Utwórz linię spiralną w ramce galwanometru i wyśrodkuj ją.
Ustaw parametry helisy:

• Promień punktu początkowego 0.5 mm

• Promień punktu końcowego 1.5 mm

• Skok spirali 0.5 mm;

(*Promień punktu końcowego linii spiralnej nie powinien być zbyt duży, zazwyczaj odpowiednie jest 1mm~2mm.)

2） spawalniczy prędkość powinna być generalnie ustawiona na ≥100 mm/s. Jeśli prędkość jest zbyt mała, efekt spawania drutem spiralnym nie jest oczywisty. Zalecana prędkość wynosi 150 mm/s.

1.4 Spawanie prędkość

Połączenia spawanie laserowe system składa się z lasera, światłowodu transmisyjnego, kolimacyjnej głowicy ogniskującej lub galwanometru itp. Światło wychodzące z światłowodu jest rozbieżne i należy je przekształcić w światło równoległe za pomocą soczewki kolimacyjnej, a następnie przekształcić w stan skupiony (powiększenie efekt szkła) przez soczewkę skupiającą. Kluczowe parametry podczas debugowania procesu laserowego obejmują: prędkość, power, wielkość rozogniskowania, gaz ochronnyitp. Ogólnie rzecz biorąc, raport procesu dostarczany przez inżynierów procesu podczas testów w laboratorium zawiera przede wszystkim cztery powyższe parametry, a także wybraną konfigurację modelu lasera.

1.4.1 Wpływ prędkości na jakość spawania: energia linii

Ogólnie rzecz biorąc, przed podjęciem decyzji, jakie parametry wybrać dla przedmiotu obrabianego, należy najpierw określić prędkość obróbki. Wymaga to komunikacji z klientem, aby spełnić jego wymagania, takie jak wymagania dotyczące rytmu produkcji i wymagania dotyczące wydajności. Na tej podstawie można w przybliżeniu wywnioskować wymaganą prędkość, a następnie na tej podstawie przeprowadzić debugowanie procesu.

Podczas spawanie laserowe W procesie prędkość spawania ma bezpośredni wpływ na gęstość energii linii wiązki lasera, co znacząco wpływa na wielkość spoiny. Tymczasem przy różnych prędkościach spawania zmienia się również wzór przepływu jeziorka podczas procesu spawania laserowego.

Zwiększanie prędkości lasera jednowłóknowego: Spowoduje to zmniejszenie energii linii, a spoina zmieni się z grubej na cienką. Następuje przejście od spawania głębokiego wnikania do spawania przewodzącego, aż do momentu, gdy z powodu braku wtopienia nie będzie już śladów spawania. Ogólnie rzecz biorąc, prędkość nie jest zbyt mocno regulowana. W przypadku materiałów o wysokim współczynniku odbicia, jeśli występuje dużo spawów segmentów lub brak wtopienia, spowolnienie może rozwiązać niektóre problemy. Obejmuje to zmniejszenie strefy wpływu ciepła i energii liniowej w przypadku niektórych części konstrukcyjnych z elementami z tworzywa sztucznego na krawędziach lub w spoinach warstwowych poprzez zwiększenie prędkości.

Spawanie impulsowe: prędkość wpływa na stopień nakładania się;

Ciągłe spawanie laserowe: Podstawową zasadą dotyczącą wpływu prędkości na spawanie jest to, że wpływa ona na dystrybucję energii w linii, a tym samym na czas działania lasera. To z kolei prowadzi do różnych poziomów głębokości i szerokości wtopienia metalograficznego. Regułę wpływu ilustruje poniższy obrazek:

Szerokość wtopienia zmniejsza się wraz ze wzrostem prędkości spawania; głębokość wtopienia również maleje wraz ze wzrostem prędkości spawania; zwiększenie prędkości może w pewnym stopniu zmniejszyć defekty, takie jak podcięcia i odpryski.

1.5 Moc spawania

Pobór energii spawania laserowego jest zwykle przedstawiany jako gęstość energii (moc lasera podzielona przez powierzchnię plamki, w jednostkach w/cm²) i wkład ciepła (moc lasera podzielona przez prędkość spawania, w jednostkach w/cm²). Pierwsza opisuje intensywność energii lasera w zakresie przestrzennym, druga natomiast opisuje kumulację energii lasera w czasie.

Prostą zależność między mocą, głębokością wtopienia i szerokością wtopienia pokazano na obrazku. Ogólnie rzecz biorąc: im większa moc, tym głębokość i szerokość wtapiania będą rosły wraz z mocą. Spawanie laserowe ma próg energetyczny. Poniżej tego progu nazywa się to spawaniem przewodzącym ciepło, powyżej niego nazywa się to spawaniem z głęboką penetracją. Różnica polega na tym, że spawanie z głęboką penetracją ma dziurkę od klucza.

Typowe wady spowodowane niewystarczającą mocą obejmują: fałszywe spawanie, płytką głębokość wtopienia i niewyraźne ślady spawania; wady spowodowane nadmierną mocą obejmują: wtopienie spawania, duże odpryski, faliste krawędzie i podcięcia.

Zależność pomiędzy mocą a głębokością i szerokością stopu: Im większa moc, tym większa głębokość i szerokość topienia.

1.5.1 Plamka w kształcie pierścienia:

Laser z pierścieniem wewnętrznym jest głównie odpowiedzialny za głębokość wtopienia, wraz ze wzrostem mocy wzrasta głębokość wtapiania.

Laser z pierścieniem zewnętrznym ma mniejszy wpływ na głębokość wtopienia, a głównie wpływa na szerokość wtopienia. Wraz ze wzrostem mocy pierścienia zewnętrznego wygląd spoiny staje się gładszy i zwiększa się szerokość wtopienia.

1.6 Rozmycie

Rozogniskowanie to odległość pomiędzy płaszczyzną ogniskową lasera a powierzchnią spawanego przedmiotu. Gdy płaszczyzna ogniskowania znajduje się nad powierzchnią przedmiotu obrabianego, mamy do czynienia z rozogniskowaniem dodatnim; gdy płaszczyzna ogniskowania znajduje się poniżej powierzchni przedmiotu obrabianego, mamy do czynienia z rozogniskowaniem ujemnym. Naturalnie, gdy płaszczyzna ogniskowania znajduje się na powierzchni przedmiotu obrabianego, rozogniskowanie wynosi zero. Rozogniskowanie jest ważnym parametrem w spawaniu laserowym. Ponieważ wiązka lasera jest skupiana w ognisku w celu skupienia energii w celu spawania przez soczewkę wewnątrz głowicy lasera na ogniskowej, zatem z optycznego punktu widzenia zmiana rozogniskowania podczas spawania laserowego zasadniczo zmienia obszar plamki działania wiązki laserowej, zmieniając w ten sposób gęstość mocy lasera.

Ogólnie rzecz biorąc, gdy określone jest okno procesu, należy ustawić zakres rozogniskowania, głównie w przypadku przedmiotów obrabianych o powierzchniach o wysokim współczynniku odbicia, takich jak stal nierdzewna, stopy aluminium itp. Ponieważ te materiały mają powierzchnie lustrzane, jeśli rozogniskowanie jest zbyt duże , energia jednostkowa będzie zbyt niska, aby szybko stopić powierzchnię materiału, co spowoduje odbicie pewnej ilości energii lasera i uszkodzenie soczewki głowicy spawalniczej oraz powierzchni czołowej włókna.

Jednocześnie po dobraniu średnicy rdzenia włókna, jeżeli szczelina pomiędzy elementami obrabianymi jest zbyt duża i może dojść do sytuacji, w której laser przesiąknie przez szew, można zastosować rozogniskowanie w celu powiększenia plamki, a tym samym zwiększenie ogrzewanej powierzchni i zapewnienie, że stopiona kałuża zakryje szew, aby zapobiec wyciekom światła.

Rozogniskowanie jest zwykle wybierane jako dodatnie i nie wybiera się ani punktu ogniskowego, ani rozogniskowania ujemnego, ponieważ: energia lasera koncentruje się głównie w środku plamki ogniskowej. Gdy ognisko znajduje się na powierzchni lub wewnątrz przedmiotu obrabianego, gęstość mocy lasera wewnątrz jeziorka stopionego jest zbyt duża, co może łatwo powodować odpryski spawalnicze, szorstką powierzchnię spoiny i nierówności.

Zależność między rozogniskowaniem a głębokością i szerokością topnienia:

Głębokość stapiania maleje wraz ze wzrostem rozogniskowania, a głębokość stapiania przy rozogniskowaniu ujemnym jest większa niż w przypadku rozogniskowania dodatniego; szerokość stapiania najpierw wzrasta, a następnie maleje wraz ze wzrostem rozogniskowania.

1.7 Gaz osłonowy

Gaz osłonowy: Istnieje wiele rodzajów gazów osłonowych. W przemysłowych liniach produkcyjnych azot jest często używany do kontroli kosztów. W laboratoriach głównym wyborem jest argon, ale stosuje się również hel i inne gazy obojętne, zwykle w szczególnych okolicznościach. Trzy najczęściej stosowane to azot, argon i hel.

Bo spawanie laserowe to proces energicznej reakcji w wysokiej temperaturze, podczas którego metal topi się i odparowuje, metal jest bardzo aktywny w wysokich temperaturach. W momencie zetknięcia się z tlenem następuje gwałtowna reakcja charakteryzująca się dużą ilością odprysków oraz szorstką i nierówną powierzchnią spoiny. Dlatego celem gazu osłonowego jest wytworzenie środowiska beztlenowego w niewielkim obszarze (w pobliżu jeziorka stopionego), aby zapobiec gwałtownym reakcjom utleniania powodującym słabe spoiny i szorstki wygląd.

1.7.1 Wpływ różnych gazów ochronnych

Opary metali absorbują promienie lasera i jonizują, tworząc chmurę plazmy. Jeżeli plazmy jest za dużo, wiązka lasera jest w pewnym stopniu pochłaniana przez plazmę. Gaz osłonowy może rozproszyć chmurę oparów metalu lub chmurę plazmy, zmniejszając jej działanie ekranujące na laser i zwiększając jego efektywne wykorzystanie.
Jednocześnie gaz osłonowy jest również jonizowany przez laser wysokoenergetyczny. Ze względu na różne energie jonizacji, różne gazy osłonowe będą miały różny wpływ na laser.

Według badań eksperymentalnych ranking energii jonizacji jest następujący: Hel > Azot > Argon.

• Hel najmniej ulega jonizacji pod działaniem lasera i ma najmniejszy wpływ na proces spawania.

• Argon ma niską reaktywność i jest gazem obojętnym. Nie reaguje z materiałem i jest powszechnie stosowany w laboratoriach.

• Azot jest gazem reaktywnym, ponieważ może reagować z materiałami metalowymi. Jest powszechnie stosowany w sytuacjach, w których nie ma wysokich wymagań wytrzymałościowych, szczególnie przez firmy zajmujące się liniami produkcyjnymi, biorąc pod uwagę koszty.

1.7.2 Efekt wdmuchiwania gazu ochronnego pod różnymi kątami

Jak zastosować gaz osłonowy z bocznym nadmuchem?

• Kąt i wysokość bocznego nadmuchu gazu osłonowego wpływają bezpośrednio na obszar zasięgu gazu osłonowego i położenie, w którym działa on na dziurkę od klucza basenu ze stopionym materiałem;

• Ogólnie rzecz biorąc, różne średnice rur i natężenia przepływu gazu osłonowego należy dobierać w zależności od wielkości jeziorka spawalniczego, aby zapewnić efekt ochronny;

• Najlepszy kąt dla gazu osłonowego wynosi 45-60°, co może skutecznie powiększyć otwór w kształcie dziurki od klucza i zmniejszyć rozpryski.

Boczny wdmuch gazu osłonowego

Zalety: Jest korzystny do rozpraszania plazmy, a dmuchanie od przodu do tyłu może skutecznie tłumić rozpryski.

Rezultat: Może to prowadzić do zwiększenia porowatości.

Bezpośrednie przedmuchanie gazu osłonowego

Zalety:

• Bezpośredni wdmuch może skutecznie zapewnić pokrycie obszaru gazu osłonowego nad roztopionym jeziorkiem, zapewniając w ten sposób dobrą ochronę;

• Bezpośredni przedmuch jest prosty w użyciu i nie wymaga żadnych regulacji, należy jednak zachować ostrożność, ponieważ żużel spawalniczy na miedzianej dyszy może zakłócać kierunek przepływu gazu osłonowego, a turbulencje mogą wpływać na skuteczność gazu osłonowego.

Rezultat: Bezpośrednie przedmuchanie może również skutecznie poszerzyć otwór na dziurkę od klucza, ale nadmierny przepływ gazu osłonowego może prowadzić do wzrostu porowatości.