Prinsip kimpalan laser
Kimpalan laser boleh dicapai dengan pancaran laser berterusan atau berdenyut. Prinsip kimpalan laser boleh dibahagikan kepada kimpalan pengaliran haba dan kimpalan penembusan dalam laser. Apabila ketumpatan kuasa kurang daripada 104~105 W/cm2, ia adalah kimpalan pengaliran haba. Pada masa ini, kedalaman penembusan adalah cetek dan kelajuan kimpalan adalah perlahan; apabila ketumpatan kuasa lebih besar daripada 105~107 W/cm2, permukaan logam tenggelam ke dalam "rongga" dengan pemanasan, membentuk kimpalan penembusan dalam, yang mempunyai Ia mempunyai ciri-ciri kelajuan kimpalan cepat dan nisbah aspek yang besar.
Prinsip kimpalan laser pengaliran haba ialah: sinaran laser memanaskan permukaan yang akan diproses, dan haba permukaan meresap ke dalam melalui pengaliran haba. Dengan mengawal lebar nadi laser, tenaga, kuasa puncak dan kekerapan pengulangan dan parameter laser lain, bahan kerja dicairkan untuk membentuk kolam lebur tertentu. .
Mesin kimpalan laser yang digunakan untuk kimpalan gear dan kimpalan plat nipis metalurgi terutamanya melibatkan kimpalan penembusan dalam laser. Berikut memberi tumpuan kepada prinsip kimpalan penembusan dalam laser.
Kimpalan penembusan dalam laser secara amnya menggunakan pancaran laser berterusan untuk melengkapkan penyambungan bahan, dan proses fizikal metalurginya sangat mirip dengan kimpalan pancaran elektron, iaitu, mekanisme penukaran tenaga diselesaikan melalui struktur "lubang kunci". Di bawah penyinaran laser ketumpatan kuasa yang cukup tinggi, bahan tersebut menyejat dan membentuk liang-liang kecil. Lubang kecil yang penuh dengan wap ini adalah seperti jasad hitam, menyerap hampir semua tenaga pancaran kejadian, dan suhu keseimbangan dalam rongga mencecah kira-kira 2500 0C. Haba dihantar dari dinding luar rongga suhu tinggi untuk mencairkan logam yang mengelilingi rongga. Lubang kecil diisi dengan wap suhu tinggi yang dihasilkan oleh penyejatan berterusan bahan dinding di bawah penyinaran rasuk, dinding lubang kecil dikelilingi oleh logam cair, dan logam cecair dikelilingi oleh bahan pepejal (semasa dalam kebanyakan proses kimpalan konvensional dan kimpalan pengaliran laser, tenaga pertama Didepositkan pada permukaan bahan kerja, dan kemudian diangkut ke bahagian dalam melalui penghantaran). Aliran cecair di luar dinding liang dan tegangan permukaan lapisan dinding mengekalkan keseimbangan dinamik dengan tekanan wap yang dihasilkan secara berterusan dalam rongga liang. Rasuk terus memasuki lubang kecil, dan bahan di luar lubang kecil terus mengalir. Semasa rasuk bergerak, lubang kecil sentiasa dalam keadaan aliran yang stabil. Maksudnya, lubang kecil dan logam cair yang mengelilingi dinding lubang bergerak ke hadapan dengan kelajuan hadapan rasuk utama, dan logam cair mengisi jurang yang ditinggalkan oleh lubang kecil dan kemudian terpeluwap, supaya kimpalan terbentuk. Semua proses di atas berlaku dengan cepat sehingga kelajuan kimpalan boleh mencapai beberapa meter seminit dengan mudah.
02
Parameter proses utama kimpalan penembusan dalam laser
1) Kuasa laser. Terdapat nilai ambang ketumpatan tenaga laser dalam kimpalan laser. Di bawah nilai ini, kedalaman penembusan adalah sangat cetek. Apabila nilai ini dicapai atau melebihi, kedalaman penembusan akan meningkat dengan banyak. Plasma dijana hanya apabila ketumpatan kuasa laser pada bahan kerja melebihi nilai ambang (bergantung pada bahan), yang menandakan kemajuan kimpalan penembusan dalam yang stabil. Jika kuasa laser berada di bawah ambang ini, hanya lebur permukaan bahan kerja berlaku, iaitu kimpalan berlaku dengan pengaliran haba yang stabil. Apabila ketumpatan kuasa laser berhampiran keadaan kritikal untuk pembentukan lubang kecil, kimpalan penembusan dalam dan kimpalan pengaliran dilakukan secara bergantian, yang menjadi proses kimpalan yang tidak stabil, mengakibatkan turun naik yang besar dalam kedalaman penembusan. Semasa kimpalan penembusan dalam laser, kuasa laser mengawal kedalaman penembusan dan kelajuan kimpalan pada masa yang sama. Penembusan kimpalan secara langsung berkaitan dengan ketumpatan kuasa rasuk dan merupakan fungsi kuasa rasuk kejadian dan titik fokus rasuk. Secara umum, untuk pancaran laser dengan diameter tertentu, kedalaman penembusan meningkat apabila kuasa pancaran meningkat.
2) Tempat tumpuan pancaran. Saiz titik rasuk adalah salah satu pembolehubah yang paling penting dalam kimpalan laser kerana ia menentukan ketumpatan kuasa. Tetapi untuk laser berkuasa tinggi, pengukurannya adalah masalah yang sukar, walaupun terdapat banyak teknik pengukuran tidak langsung.
Saiz titik terhad pembelauan fokus pancaran boleh dikira mengikut teori pembelauan cahaya, tetapi disebabkan kewujudan penyimpangan kanta fokus, saiz titik sebenar adalah lebih besar daripada nilai yang dikira. Kaedah praktikal yang paling mudah ialah kaedah pemprofilan isoterma, yang mengukur titik fokus dan diameter tebuk selepas hangus dan menembusi plat polipropilena dengan kertas tebal. Kaedah ini perlu menguasai kuasa laser dan masa tindakan rasuk melalui amalan pengukuran.
3) Nilai serapan bahan. Penyerapan cahaya laser oleh bahan bergantung pada beberapa sifat penting bahan, seperti penyerapan, pemantulan, kekonduksian terma, suhu lebur, suhu penyejatan, dan lain-lain, yang paling penting ialah penyerapan.
Faktor-faktor yang mempengaruhi kadar penyerapan bahan kepada pancaran laser termasuk dua aspek: yang pertama ialah kerintangan bahan. Selepas mengukur kadar penyerapan permukaan yang digilap bahan, didapati bahawa kadar penyerapan bahan adalah berkadar dengan punca kuasa dua kerintangan, dan kerintangan berbeza mengikut suhu. Kedua, keadaan permukaan (atau kelancaran) bahan mempunyai pengaruh yang lebih penting pada kadar penyerapan rasuk, yang mempunyai kesan yang signifikan terhadap kesan kimpalan.
Panjang gelombang keluaran laser CO2 biasanya 10.6 μm. Kadar penyerapan seramik, kaca, getah, plastik dan bukan logam lain adalah sangat tinggi pada suhu bilik, manakala kadar penyerapan bahan logam sangat lemah pada suhu bilik, sehingga bahan cair atau gas Penyerapannya meningkat secara mendadak. Ia sangat berkesan untuk meningkatkan penyerapan bahan cahaya rasuk dengan menggunakan lapisan permukaan atau pembentukan filem oksida permukaan.
4) Kelajuan mengimpal. Kelajuan kimpalan mempunyai pengaruh yang besar pada kedalaman penembusan. Meningkatkan kelajuan akan menjadikan penembusan cetek, tetapi jika kelajuan terlalu rendah, bahan akan terlalu cair dan bahan kerja akan dikimpal. Oleh itu, terdapat julat kelajuan kimpalan yang sesuai untuk bahan tertentu dengan kuasa laser tertentu dan ketebalan tertentu, dan kedalaman penembusan maksimum boleh diperolehi pada nilai kelajuan yang sepadan. Rajah 10-2 menunjukkan hubungan antara kelajuan kimpalan dan kedalaman penembusan keluli 1018.
5) Gas pelindung. Gas lengai sering digunakan untuk melindungi kolam lebur dalam proses kimpalan laser. Apabila sesetengah bahan dikimpal tanpa mengira pengoksidaan permukaan, perlindungan mungkin tidak dipertimbangkan, tetapi untuk kebanyakan aplikasi, helium, argon, nitrogen dan gas lain sering digunakan sebagai perlindungan untuk membuat bahan kerja Dilindungi daripada pengoksidaan semasa pematerian.
Helium tidak mudah terion (tenaga pengionan yang lebih tinggi), yang membolehkan laser melaluinya dengan lancar, dan tenaga pancaran mencapai permukaan bahan kerja tanpa halangan. Ini adalah gas pelindung paling berkesan yang digunakan dalam kimpalan laser, tetapi ia lebih mahal.
Gas argon lebih murah dan lebih padat, jadi kesan perlindungan adalah lebih baik. Walau bagaimanapun, ia terdedah kepada pengionan plasma logam suhu tinggi, yang melindungi sebahagian daripada rasuk daripada terkena bahan kerja, mengurangkan kuasa laser yang berkesan untuk kimpalan, dan juga merosakkan kelajuan dan penembusan kimpalan. Permukaan kimpalan yang dilindungi oleh argon adalah lebih licin daripada apabila dilindungi oleh helium.
Nitrogen adalah gas pelindung yang paling murah, tetapi ia tidak sesuai untuk mengimpal beberapa jenis keluli tahan karat, terutamanya disebabkan oleh masalah metalurgi, seperti penyerapan, yang kadang-kadang menghasilkan keliangan di kawasan bertindih.
Fungsi kedua menggunakan gas pelindung adalah untuk melindungi kanta pemfokus daripada pencemaran wap logam dan percikan titisan cecair. Terutamanya dalam kimpalan laser berkuasa tinggi, kerana lentingan menjadi sangat kuat, lebih diperlukan untuk melindungi kanta pada masa ini.
Fungsi ketiga gas pelindung ialah ia sangat berkesan dalam menghilangkan perisai plasma yang dihasilkan oleh kimpalan laser berkuasa tinggi. Wap logam menyerap pancaran laser dan terion ke dalam awan plasma, dan gas pelindung di sekeliling wap logam juga terion akibat haba. Jika terlalu banyak plasma hadir, pancaran laser agak dimakan oleh plasma. Plasma wujud pada permukaan kerja sebagai tenaga kedua, yang menjadikan penembusan cetek dan permukaan kolam kimpalan melebar. Kadar penggabungan semula elektron ditingkatkan dengan meningkatkan perlanggaran tiga jasad elektron dengan ion dan atom neutral untuk mengurangkan ketumpatan elektron dalam plasma. Semakin ringan atom neutral, semakin tinggi kekerapan perlanggaran dan semakin tinggi kadar penggabungan semula; sebaliknya, hanya gas pelindung dengan tenaga pengionan yang tinggi tidak akan meningkatkan ketumpatan elektron disebabkan oleh pengionan gas itu sendiri.
Saiz awan plasma berbeza-beza mengikut gas pelindung yang digunakan, dengan helium yang terkecil, nitrogen yang kedua, dan argon yang terbesar. Semakin besar saiz plasma, semakin cetek penembusan. Sebab untuk perbezaan ini pertama sekali disebabkan oleh tahap pengionan molekul gas yang berbeza, dan juga disebabkan oleh perbezaan dalam resapan wap logam yang disebabkan oleh ketumpatan gas pelindung yang berbeza.
Helium ialah gas yang paling kurang terion dan paling kurang tumpat, dan ia dengan cepat memacu wap logam yang semakin meningkat yang dihasilkan daripada mandian logam cair. Oleh itu, menggunakan helium sebagai gas pelindung boleh menekan plasma ke tahap yang paling besar, dengan itu meningkatkan kedalaman penembusan dan meningkatkan kelajuan kimpalan; kerana beratnya yang ringan, ia boleh melarikan diri dan tidak mudah menyebabkan pori-pori. Sudah tentu, dari kesan kimpalan sebenar kami, kesan perlindungan argon tidak buruk.
Kesan awan plasma pada penembusan adalah paling jelas di kawasan kelajuan kimpalan rendah. Kesannya berkurangan apabila kelajuan kimpalan meningkat.
Gas pelindung disuntik pada tekanan tertentu melalui muncung untuk mencapai permukaan bahan kerja. Bentuk hidrodinamik muncung dan diameter alur keluar adalah sangat penting. Ia mestilah cukup besar untuk memacu gas pelindung yang disembur untuk menutup permukaan kimpalan, tetapi untuk melindungi kanta dengan berkesan dan mengelakkan wap logam daripada mencemarkan atau percikan logam daripada merosakkan kanta, saiz muncung juga harus dihadkan. Kadar aliran juga harus dikawal, jika tidak aliran laminar gas pelindung akan menjadi bergelora, dan atmosfera akan terlibat dalam kolam cair, akhirnya membentuk liang.
Untuk meningkatkan kesan perlindungan, kaedah tiupan sampingan tambahan juga boleh digunakan, iaitu, melalui muncung dengan diameter yang lebih kecil, gas pelindung terus disuntik ke dalam lubang kecil kimpalan penembusan dalam pada sudut tertentu. Gas pelindung bukan sahaja menekan awan plasma pada permukaan bahan kerja, tetapi juga memberi pengaruh pada pembentukan plasma dan lubang kecil dalam lubang, meningkatkan lagi kedalaman penembusan, dan memperoleh kimpalan dengan nisbah lebar kedalaman yang ideal. . Walau bagaimanapun, kaedah ini memerlukan kawalan yang tepat terhadap saiz dan arah aliran udara, jika tidak, aliran gelora berkemungkinan berlaku dan memusnahkan kolam lebur, menjadikan proses kimpalan sukar untuk distabilkan.
6) Panjang fokus kanta. Kaedah pemfokusan biasanya digunakan untuk memekatkan laser semasa mengimpal, dan kanta dengan panjang fokus 63~254mm (2.5"~10") biasanya digunakan. Saiz titik fokus adalah berkadar dengan panjang fokus, lebih pendek panjang fokus, lebih kecil tempat itu. Tetapi jarak fokus juga mempengaruhi kedalaman fokus, iaitu, kedalaman fokus meningkat serentak dengan panjang fokus, jadi jarak fokus yang pendek boleh meningkatkan ketumpatan kuasa, tetapi kerana kedalaman fokus yang kecil, jarak antara kanta dan bahan kerja mesti dikekalkan dengan tepat, dan kedalaman penembusan tidak besar. Disebabkan oleh pengaruh mod percikan dan laser yang dihasilkan dalam proses kimpalan, kedalaman fokus terpendek yang digunakan dalam kimpalan sebenar kebanyakannya panjang fokus 126mm (5"). Apabila sambungan besar atau jahitan kimpalan perlu ditingkatkan dengan meningkatkan saiz tempat, anda boleh Pilih kanta dengan panjang fokus 254mm (10"). Dalam kes ini, untuk mencapai kesan lubang jarum penembusan dalam, kuasa keluaran laser yang lebih tinggi (ketumpatan kuasa) diperlukan.
Apabila kuasa laser melebihi 2kW, terutamanya untuk pancaran laser CO2 10.6μm, disebabkan penggunaan bahan optik khas untuk membentuk sistem optik, untuk mengelakkan risiko kerosakan optik pada kanta fokus, kaedah pemfokusan reflektif selalunya. digunakan, dan cermin tembaga yang digilap biasanya digunakan sebagai pemantul. Ia sering disyorkan untuk memfokuskan pancaran laser berkuasa tinggi kerana penyejukan yang berkesan.
7) Kedudukan fokus. Semasa mengimpal, kedudukan fokus adalah kritikal untuk mengekalkan ketumpatan kuasa yang mencukupi. Perubahan dalam kedudukan relatif titik fokus dan permukaan bahan kerja secara langsung mempengaruhi lebar dan kedalaman kimpalan. Rajah 2-6 menunjukkan kesan kedudukan fokus pada kedalaman penembusan dan lebar jahitan keluli 1018.
Dalam kebanyakan aplikasi kimpalan laser, titik fokus biasanya terletak kira-kira 1/4 daripada kedalaman penembusan yang dikehendaki di bawah permukaan bahan kerja.
8) Kedudukan pancaran laser. Apabila kimpalan laser bahan yang berbeza, kedudukan pancaran laser mengawal kualiti akhir kimpalan, terutamanya dalam kes sendi punggung daripada sendi pusingan. Contohnya, apabila gear keluli yang dikeraskan dikimpal pada dram keluli lembut, kawalan yang betul ke atas kedudukan pancaran laser akan membantu menghasilkan kimpalan dengan komponen karbon yang kebanyakannya rendah yang agak tahan retak. Dalam sesetengah aplikasi, geometri bahan kerja yang akan dikimpal memerlukan pancaran laser untuk dipesongkan oleh sudut. Apabila sudut pesongan antara paksi rasuk dan satah sendi berada dalam lingkungan 100 darjah, penyerapan tenaga laser oleh bahan kerja tidak akan terjejas.
9) Kawalan naik turun secara beransur-ansur bagi kuasa laser pada titik mula dan akhir kimpalan. Semasa kimpalan penembusan dalam laser, lubang kecil sentiasa wujud tanpa mengira kedalaman kimpalan. Apabila proses kimpalan ditamatkan dan suis kuasa dimatikan, lubang akan muncul di hujung kimpalan. Di samping itu, apabila lapisan kimpalan laser meliputi jahitan kimpalan asal, penyerapan pancaran laser yang berlebihan akan berlaku, mengakibatkan terlalu panas kimpalan atau penjanaan liang.
Untuk mengelakkan fenomena di atas daripada berlaku, titik mula dan henti kuasa boleh diprogramkan untuk menjadikan masa mula dan tamat kuasa boleh laras, iaitu, kuasa awal ditingkatkan secara elektronik daripada sifar kepada nilai kuasa yang ditetapkan dalam masa yang singkat, dan kimpalan boleh diselaraskan. Masa, dan akhirnya kuasa dikurangkan secara beransur-ansur daripada kuasa yang ditetapkan kepada sifar apabila kimpalan ditamatkan.
03
Ciri-ciri dan kelebihan dan keburukan kimpalan penembusan dalam laser
Ciri-ciri kimpalan penembusan dalam laser
1) Nisbah aspek tinggi. Apabila logam cair terbentuk di sekeliling rongga silinder wap panas dan memanjang ke arah bahan kerja, kimpalan menjadi dalam dan sempit.
2) Input haba minimum. Kerana suhu dalam lubang kecil adalah sangat tinggi, proses lebur berlaku dengan sangat cepat, input haba ke dalam bahan kerja adalah sangat rendah, dan ubah bentuk haba dan zon terjejas haba adalah kecil.
3) Ketumpatan tinggi. Kerana liang-liang kecil yang dipenuhi dengan wap suhu tinggi adalah kondusif untuk pengadukan kolam kimpalan dan pelepasan gas, mengakibatkan kimpalan penembusan tanpa liang. Kadar penyejukan yang tinggi selepas kimpalan dengan mudah boleh menjadikan struktur kimpalan lebih halus.
4) Kimpalan yang kuat. Oleh kerana sumber haba yang menyala dan penyerapan komponen bukan logam yang mencukupi, kandungan kekotoran dikurangkan, dan saiz kemasukan dan pengedarannya dalam kolam lebur diubah. Proses kimpalan tidak memerlukan elektrod atau wayar pengisi, dan zon lebur kurang tercemar, supaya kekuatan dan keliatan kimpalan sekurang-kurangnya sama atau lebih tinggi daripada logam induk.
5) Kawalan yang tepat. Oleh kerana titik cahaya yang difokuskan adalah kecil, jahitan kimpalan boleh diletakkan dengan ketepatan yang tinggi. Output laser tidak mempunyai "inersia", ia boleh dihentikan dan dimulakan semula pada kelajuan tinggi, dan bahan kerja yang kompleks boleh dikimpal dengan teknologi pergerakan rasuk kawalan berangka.
6) Proses kimpalan atmosfera tanpa sentuhan. Kerana tenaga datang dari pancaran foton, tiada sentuhan fizikal dengan bahan kerja, jadi tiada daya luaran dikenakan pada bahan kerja. Di samping itu, kemagnetan dan udara tidak mempunyai kesan pada cahaya laser.
Kelebihan kimpalan penembusan dalam laser
1) Oleh kerana laser yang difokuskan mempunyai ketumpatan kuasa yang jauh lebih tinggi daripada kaedah konvensional, kelajuan kimpalan adalah pantas, zon yang terjejas haba dan ubah bentuk adalah kecil, dan bahan yang sukar dikimpal seperti titanium juga boleh dikimpal.
2) Kerana rasuk mudah untuk dihantar dan dikawal, dan tidak perlu menggantikan obor dan muncung dengan kerap, dan tiada vakum yang diperlukan untuk kimpalan rasuk elektron, yang dengan ketara mengurangkan masa tambahan downtime, jadi faktor beban dan kecekapan pengeluaran adalah tinggi.
3) Oleh kerana kesan penulenan dan kadar penyejukan yang tinggi, kekuatan kimpalan, keliatan dan prestasi komprehensif adalah tinggi.
4) Oleh kerana input haba purata yang rendah dan ketepatan pemprosesan yang tinggi, kos pemprosesan semula dapat dikurangkan; di samping itu, kos operasi kimpalan laser juga rendah, yang boleh mengurangkan kos pemprosesan bahan kerja.
5) Ia boleh mengawal intensiti rasuk dan kedudukan halus dengan berkesan, dan mudah untuk merealisasikan operasi automatik.
Kelemahan kimpalan penembusan dalam laser
1) Kedalaman kimpalan adalah terhad.
2) Keperluan pemasangan bahan kerja adalah tinggi.
3) Pelaburan satu kali sistem laser agak tinggi
