1.Pprinsipdaripada lpengelasan aser
Kimpalan laser dapat dicapai dengan pancaran laser berterusan atau berdenyut. Prinsip kimpalan laser boleh dibahagikan kepada pengelasan konduksi termal dan kimpalan penembusan mendalam laser. Apabila ketumpatan daya kurang dari 104 ~ 105W / cm2, ia adalah kimpalan konduksi haba. Pada masa ini, kedalaman kimpalan cetek dan kelajuan kimpalannya perlahan. Apabila ketumpatan daya lebih dari 105 ~ 107W / cm2, permukaan logam dimasukkan ke dalam" rongga" di bawah tindakan haba, membentuk kimpalan peleburan dalam. Nisbah aspek cepat dan lebar.
Prinsip pengelasan laser konduksi termal adalah: sinaran laser memanaskan permukaan yang akan diproses, dan haba permukaan disebarkan ke dalam oleh konduksi termal. Dengan mengawal parameter laser seperti lebar denyut laser, tenaga, daya puncak, dan frekuensi pengulangan, benda kerja dicairkan untuk membentuk kolam lebur tertentu.
Mesin kimpalan laseruntuk kimpalan gear dan pengelasan lembaran metalurgi terutamanya melibatkan kimpalan penembusan mendalam laser. Berikut ini memberi tumpuan kepada prinsip pengelasan penembusan mendalam laser.
Kimpalan penembusan mendalam laser secara amnya menggunakan sinar laser berterusan untuk menyelesaikan penyambungan bahan. Proses fizikal metalurgi sangat mirip dengan kimpalan rasuk elektron, iaitu, mekanisme penukaran tenaga diselesaikan melalui" lubang-kunci" struktur. Di bawah penyinaran laser ketumpatan kuasa yang cukup tinggi, bahan tersebut menguap dan membentuk lubang kecil. Lubang berisi wap ini seperti badan hitam, yang menyerap hampir semua tenaga pancaran kejadian. Suhu keseimbangan dalam rongga mencapai sekitar 2500 ° C. Haba dipindahkan dari dinding luar rongga suhu tinggi, yang mencairkan logam yang mengelilingi rongga. Lubang kecil dipenuhi dengan wap suhu tinggi yang dihasilkan oleh penyejatan berterusan bahan dinding di bawah rasuk. Empat dinding lubang kecil mengelilingi logam lebur, dan logam cair mengelilingi bahan pepejal. (Dalam kebanyakan proses kimpalan konvensional dan kimpalan konduksi laser, tenaga terlebih dahulu (Disetorkan pada permukaan benda kerja, dan kemudian dipindahkan ke pedalaman melalui pemindahan). Aliran cecair dan tegangan permukaan dinding di luar dinding liang selaras dengan stim tekanan berterusan dihasilkan di rongga pori dan mengekalkan keseimbangan dinamik. Rasuk cahaya terus memasuki lubang kecil, dan bahan di luar lubang kecil terus mengalir. Semasa pancaran cahaya bergerak, lubang kecil selalu dalam keadaan aliran yang stabil. Maksudnya, lubang kecil dan logam lebur yang mengelilingi dinding lubang bergerak ke hadapan dengan kelajuan depan balok terkemuka. Logam lebur mengisi jurang yang tersisa setelah lubang kecil dikeluarkan dan mengembun dengannya, dan kimpalan terbentuk. Semua ini berlaku dengan begitu cepat sehingga kelajuan pengelasan dapat dengan mudah mencapai beberapa meter per minit.
2.Parameter proses utama pengelasan penembusan mendalam laser
(1)Kuasa laser. Terdapat ambang ketumpatan tenaga laser dalam pengelasan laser. Di bawah nilai ini, kedalaman penembusan sangat cetek. Setelah mencapai atau melebihi nilai ini, kedalaman penembusan akan meningkat. Plasma dihasilkan hanya apabila ketumpatan daya laser pada benda kerja melebihi ambang (bergantung pada bahan), yang menandakan kimpalan penembusan dalam yang stabil. Sekiranya daya laser lebih rendah daripada ambang ini, hanya peleburan permukaan benda kerja yang berlaku, iaitu, pengelasan dilakukan dalam jenis konduksi haba yang stabil. Walau bagaimanapun, apabila ketumpatan daya laser berada di dekat keadaan kritikal untuk pembentukan lubang kecil, kimpalan penembusan mendalam, dan kimpalan konduktif dilakukan secara bergantian, yang menjadi proses kimpalan yang tidak stabil, mengakibatkan turun naik besar pada kedalaman penembusan. Dalam pengelasan mendalam laser, daya laser mengawal kedalaman penembusan dan kelajuan kimpalan. Kedalaman penembusan kimpalan secara langsung berkaitan dengan ketumpatan daya rasuk dan merupakan fungsi daya pancaran kejadian dan titik fokus rasuk. Secara amnya, untuk pancaran laser berdiameter tertentu, kedalaman penembusan meningkat apabila daya pancaran meningkat.
(2)Tempat tumpuan rasuk. Ukuran titik rasuk adalah salah satu pemboleh ubah terpenting untuk kimpalan laser kerana ia menentukan ketumpatan daya. Tetapi untuk laser berkuasa tinggi, pengukurannya adalah masalah yang sukar, walaupun sudah ada banyak teknik pengukuran tidak langsung.
Ukuran titik had difraksi spot beam dapat dikira mengikut teori difraksi cahaya, tetapi kerana penyimpangan lensa fokus, ukuran spot sebenarnya lebih besar daripada nilai yang dikira. Kaedah pengukuran yang paling mudah adalah profil isotermal, yang mengukur titik fokus dan diameter perforasi setelah membakar dan menembusi papan polipropilena dengan kertas tebal. Kaedah ini adalah untuk mengukur daya laser dan masa pancaran melalui latihan pengukuran.
(3)Nilai penyerapan bahan. Penyerapan laser oleh bahan bergantung pada beberapa sifat penting bahan, seperti daya serap, reflektifitas, kekonduksian terma, suhu lebur, suhu penyejatan, dan lain-lain. Yang paling penting ialah penyerapan.
Faktor-faktor yang mempengaruhi kadar penyerapan pancaran laser oleh bahan merangkumi dua aspek: Pertama, daya tahan bahan' Setelah mengukur penyerapan permukaan bahan yang digilap, didapati bahawa penyerapan bahan tersebut sebanding dengan akar kuadrat dari daya tahan, dan daya tahan berbeza dengan suhu Dan perubahan; kedua, keadaan permukaan (atau kelancaran) bahan mempunyai pengaruh yang lebih penting terhadap kadar penyerapan balok, yang mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap kesan pengelasan.
Panjang gelombang output laser CO2 biasanya 10,6 μm. Bukan logam seperti seramik, kaca, getah, dan plastik mempunyai kadar penyerapan yang tinggi pada suhu bilik, dan bahan logam mempunyai penyerapan yang buruk pada suhu bilik sehingga bahan itu cair dan bahkan gas Penyerapannya telah meningkat dengan mendadak.
Ia sangat berkesan untuk meningkatkan penyerapan pancaran cahaya dengan kaedah lapisan permukaan atau pembentukan filem oksida di permukaan.
(4)Kelajuan kimpalan. Kelajuan pengelasan mempunyai kesan yang lebih besar pada kedalaman penembusan. Meningkatkan kelajuan akan membuat kedalaman penembusan menjadi lebih cetek, tetapi kelajuan yang terlalu rendah akan menyebabkan pencairan bahan dan pengelasan benda kerja yang berlebihan. Oleh itu, terdapat julat kelajuan pengelasan yang sesuai untuk bahan tertentu dengan daya laser tertentu dan ketebalan tertentu, dan kedalaman penembusan maksimum dapat diperoleh pada nilai kelajuan yang sesuai.
(5)Gas pelindung. Proses pengelasan laser sering menggunakan gas lengai untuk melindungi kolam lebur. Apabila beberapa bahan dikimpal, pengoksidaan permukaan dapat diabaikan, tetapi perlindungan tidak dipertimbangkan, tetapi untuk kebanyakan aplikasi, helium, argon, nitrogen, dan gas lain sering digunakan untuk melindungi benda kerja. Dilindungi dari pengoksidaan semasa kimpalan.
Helium tidak mudah diionisasi (tenaga pengionan yang lebih tinggi), yang membolehkan laser melepasi dengan lancar, dan tenaga pancaran mencapai permukaan benda kerja tanpa halangan. Ini adalah gas pelindung yang paling berkesan digunakan dalam kimpalan laser, tetapi lebih mahal.
Argon lebih murah dan mempunyai ketumpatan yang lebih tinggi, jadi kesan perlindungannya lebih baik. Walau bagaimanapun, ia terdedah kepada pengionan plasma logam suhu tinggi. Akibatnya, ia melindungi sebahagian pancaran cahaya dari terpancar ke benda kerja, mengurangkan daya laser yang berkesan untuk kimpalan, dan merosakkan kelajuan dan penembusan kimpalan. Permukaan pengelasan yang dilindungi dengan argon lebih halus daripada permukaan yang dilindungi dengan helium.
Nitrogen adalah gas yang paling murah sebagai gas pelindung, tetapi tidak sesuai untuk mengimpal jenis keluli tahan karat tertentu, terutamanya disebabkan oleh masalah metalurgi, seperti penyerapan, dan kadang-kadang liang dibuat di kawasan tumpang tindih.
Peranan kedua menggunakan gas pelindung adalah melindungi lensa pemfokusan dari pencemaran wap logam dan pemancaran titisan cair. Terutama semasa pengelasan laser berkuasa tinggi, kerana pelepasan menjadi sangat kuat, lebih penting untuk melindungi lensa pada masa ini.
Fungsi ketiga gas pelindung adalah dengan berkesan menghilangkan pelindung plasma yang dihasilkan oleh pengelasan laser berkuasa tinggi. Wap logam menyerap pancaran laser dan mengion ke awan plasma. Gas pelindung yang mengelilingi wap logam juga diionisasi dengan pemanasan. Sekiranya terdapat terlalu banyak plasma, sinar laser akan dimakan oleh plasma hingga tahap tertentu. Plasma wujud di permukaan kerja sebagai tenaga kedua, yang menjadikan penembusan lebih cetek dan permukaan kolam kimpalan lebih luas. Kadar pengumpulan semula elektron ditingkatkan dengan meningkatkan perlanggaran elektron dengan ion dan atom neutral, sehingga dapat mengurangkan ketumpatan elektron dalam plasma. Semakin ringan atom neutral, semakin tinggi frekuensi perlanggaran, dan semakin tinggi kadar pengumpulan semula; sebaliknya, hanya gas pelindung dengan tenaga pengionan yang tinggi tidak akan meningkatkan ketumpatan elektron kerana pengionan gas itu sendiri.
Helium mempunyai pengionan terendah dan ketumpatan terendah, dan ia dapat dengan cepat menghilangkan wap logam yang naik dari kolam logam lebur. Oleh itu, menggunakan helium sebagai gas pelindung dapat menekan plasma ke tahap maksimum, sehingga meningkatkan kedalaman penembusan dan kelajuan pengelasan; ia dapat melepaskan diri kerana ringan dan tidak mudah menyebabkan liang pori. Sudah tentu, dari kesan pengelasan sebenar kita, kesan melindungi dengan argon tidaklah buruk.
Kesan awan plasma pada penembusan paling ketara di kawasan kelajuan kimpalan rendah. Apabila kelajuan kimpalan meningkat, kesannya akan berkurang.
Gas pelindung dikeluarkan ke permukaan benda kerja melalui muncung dengan tekanan tertentu. Bentuk hidrodinamik muncung dan diameter saluran keluar sangat penting. Ia mesti cukup besar untuk menggerakkan gas pelindung yang disembur untuk menutup permukaan kimpalan, tetapi untuk melindungi lensa dengan berkesan dan mencegah pencemaran wap logam atau percikan logam daripada merosakkan lensa, ukuran muncung juga mesti terhad. Laju aliran juga harus dikendalikan, jika tidak, aliran laminar gas pelindung menjadi bergelora, atmosfer ditarik ke dalam kolam cair, dan akhirnya, liang terbentuk.
Untuk meningkatkan kesan perlindungan, metode tambahan tiupan tambahan juga dapat digunakan, yaitu, gas pelindung disuntikkan secara langsung ke dalam lubang kecil pengelasan penembusan mendalam melalui muncung berdiameter kecil pada sudut tertentu. Gas pelindung tidak hanya menekan awan plasma di permukaan benda kerja, tetapi juga memberi pengaruh pada plasma di dalam lubang dan pembentukan lubang kecil, dan kedalaman penembusan semakin meningkat untuk mendapatkan kimpalan yang ideal dengan kedalaman- perbandingan lebar. Walau bagaimanapun, kaedah ini memerlukan kawalan yang tepat terhadap magnitud dan arah aliran gas, jika tidak, pergolakan mungkin berlaku dan merosakkan kolam cair, yang menjadikan proses pengelasan sukar ditstabilkan.
(6)Panjang fokus lensa. Semasa mengimpal, fokus biasanya digunakan untuk menyatukan laser. Secara amnya, lensa dengan panjang fokus 63 ~ 254mm (2.5" ~ 10") digunakan. Saiz titik fokus berkadar terus dengan panjang fokus. Semakin pendek panjang fokus, semakin kecil titik fokus. Walau bagaimanapun, panjang fokus juga mempengaruhi kedalaman fokus, iaitu, kedalaman fokus meningkat serentak dengan panjang fokus, jadi panjang fokus pendek dapat meningkatkan kepadatan daya, tetapi kerana kedalaman fokus kecil, jarak antara lensa dan benda kerja mesti dijaga dengan tepat, dan kedalaman penembusannya tidak besar. Kerana kesan spatters dan mod laser yang dihasilkan semasa kimpalan, kedalaman fokus terpendek yang digunakan dalam kimpalan sebenar kebanyakannya panjang fokus 126mm (5 "). Apabila jahitannya besar atau perlu untuk meningkatkan kimpalan dengan meningkatkan ukuran tempat, Pilih lensa dengan panjang fokus 254mm (10 "). Dalam kes ini, untuk mencapai kesan lubang lubang lebur mendalam, diperlukan daya output laser (ketumpatan kuasa) yang lebih tinggi.
Apabila daya laser melebihi 2kW, terutamanya untuk pancaran laser CO2 10.6μm, kerana penggunaan bahan optik khas untuk membentuk sistem optik, untuk mengelakkan risiko kerosakan optik pada lensa fokus, kaedah fokus pantulan adalah sering digunakan, dan cermin tembaga yang digilap biasanya digunakan sebagai cermin. Oleh kerana penyejukannya berkesan, sering disarankan untuk memfokuskan pancaran laser berkuasa tinggi.
(7)Fokus kedudukan. Untuk mengekalkan ketumpatan daya yang mencukupi semasa pengelasan, kedudukan fokus sangat penting. Perubahan kedudukan relatif fokus dan permukaan benda kerja secara langsung mempengaruhi lebar dan kedalaman kimpalan.
Dalam kebanyakan aplikasi pengelasan laser, kedudukan titik fokus biasanya ditetapkan sekitar 1/4 dari kedalaman penembusan yang diperlukan di bawah permukaan benda kerja.
(8)Kedudukan pancaran laser. Apabila laser mengimpal bahan yang berbeza, kedudukan pancaran laser mengawal kualiti akhir kimpalan, terutama dalam kes sendi pantat, yang lebih sensitif daripada kes sendi putaran. Contohnya, apabila gear keluli yang dikeraskan dikimpal ke gendang keluli berkarbon rendah, kawalan kedudukan pancaran laser yang betul akan bermanfaat bagi pengeluaran kimpalan yang terutama terdiri daripada komponen karbon rendah, yang mempunyai ketahanan retakan yang lebih baik. Dalam beberapa aplikasi, geometri benda kerja yang dikimpal memerlukan sinar laser dibelokkan dengan sudut. Apabila sudut pesongan antara paksi rasuk dan satah bersama berada dalam lingkungan 100 darjah, penyerapan tenaga laser bahan kerja&# 39 tidak akan terjejas.
(9)Kuasa laser pada permulaan dan akhir kimpalan dikawal secara beransur-ansur. Dalam pengelasan laser, lubang lubang sentiasa ada tanpa mengira kedalaman pengelasan. Apabila proses kimpalan ditamatkan dan suis kuasa dimatikan, lesung akan muncul di hujung kimpalan. Di samping itu, apabila lapisan kimpalan laser meliputi jahitan kimpalan yang asal, penyerapan sinar laser yang berlebihan mungkin berlaku, yang mengakibatkan pemanasan kimpalan yang terlalu panas atau penghasilan keliangan.
To cegah fenomena yang disebutkan di atas daripada berlaku, program dapat dibuat untuk titik permulaan dan akhir daya, sehingga masa permulaan dan akhir daya dapat disesuaikan, iaitu, daya permulaan dinaikkan dari sifar menjadi sifar nilai daya yang ditetapkan dalam masa yang singkat dengan kaedah elektronik, dan pengelasan diselaraskan Masa, dan akhirnya daya secara beransur-ansur dikurangkan dari daya yang ditetapkan menjadi sifar ketika kimpalan ditamatkan.
3.Ciri, kelebihan, dan kekurangan pengelasan fusi mendalam laser
(1)Ciri-ciri kimpalan penembusan mendalam laser
①Nisbah aspek tinggi. Kerana logam lebur terbentuk di sekitar rongga wap suhu tinggi silinder dan memanjang ke arah benda kerja, jahitan kimpalan menjadi dalam dan sempit.
②Input haba minimum. Oleh kerana suhu di lubang kecil sangat tinggi, proses lebur berlaku dengan sangat cepat, input haba ke benda kerja sangat rendah, dan distorsi panas dan zon yang terkena panas kecil.
③Ketumpatan tinggi. Kerana lubang kecil yang diisi dengan wap suhu tinggi kondusif untuk pengadukan kolam kimpalan dan gas keluar, mengakibatkan pembentukan kimpalan penembusan bebas liang. Kadar penyejukan yang tinggi selepas pengelasan menjadikan struktur struktur kimpalan menjadi miniatur.
④Kimpalan yang kuat. Oleh kerana sumber haba panas dan penyerapan komponen bukan logam yang mencukupi, kandungan kekotoran dikurangkan, ukuran kemasukan dan pengedarannya di kolam lebur berubah. Proses kimpalan tidak memerlukan elektrod atau wayar pengisi, dan zon lebur kurang tercemar, menjadikan kekuatan dan ketangguhan kimpalan sekurang-kurangnya setara atau bahkan lebih besar daripada logam induk.
⑤Kawalan tepat. Oleh kerana titik fokus kecil, kimpalan dapat diposisikan dengan ketepatan yang tinggi. Output laser tidak mempunyai" inersia" dan boleh dihentikan dan dimulakan semula dengan kelajuan tinggi. Teknologi bergerak rasuk CNC dapat mengimpal benda kerja yang kompleks.
⑥Proses pengelasan suasana tanpa sentuhan. Kerana tenaga datang dari pancaran foton dan tidak ada hubungan fizikal dengan benda kerja, tidak ada daya luaran yang dikenakan pada benda kerja. Sebagai tambahan, kedua-dua magnet dan udara tidak mempunyai kesan pada laser.
(2)Akelebihan pengelasan mendalam laser
①Laser fokus mempunyai ketumpatan daya yang jauh lebih tinggi daripada kaedah konvensional, menghasilkan kelajuan kimpalan yang lebih cepat, zon dan ubah bentuk yang kurang terkena haba, dan pengelasan bahan yang sukar dikimpal seperti titanium.
②Kerana pancaran mudah dihantar dan dikendalikan, tidak perlu menukar obor dan muncung kimpalan dengan kerap, dan tidak diperlukan vakum untuk kimpalan rasuk elektron, yang secara signifikan mengurangkan masa tambahan untuk penutupan, jadi faktor beban dan kecekapan pengeluaran tinggi.
③Oleh kerana kesan pemurnian dan kadar penyejukan yang tinggi, pengelasan mempunyai kekuatan, ketangguhan, dan prestasi yang tinggi.
④Oleh kerana input haba rata-rata rendah dan ketepatan pemesinan yang tinggi, kos pemprosesan semula dapat dikurangkan; di samping itu, kos operasi kimpalan laser juga lebih rendah, yang dapat mengurangkan kos pemprosesan bahan kerja.
⑤Ia dapat mengawal intensiti pancaran dan kedudukan halus dengan berkesan, dan operasi automatik mudah dilakukan.
(3)Kekurangan kimpalan mendalam laser
①Wkedalaman eldingadalahTerhad.
②Keperluan pemasangan bahan kerja adalah tinggi.
③Opelaburan masa dalam sistem lasertinggi.