Лазерная сварка глубокого проникновения: То, что вы должны знать | MachineMFG

Лазерная сварка глубокого проникновения: То, что вы должны знать

0
(0)

Процесс лазерной сварки, в первую очередь для сварки листового металла, можно разделить на две категории: волоконная непрерывная лазерная сварка и импульсная лазерная сварка YAG.

Исходя из принципа лазерной сварки, ее можно дополнительно разделить на сварку с теплопроводностью и лазерную сварку с глубоким проникновением. Если плотность мощности не превышает 104-105 Вт/см², то это считается сваркой с теплопроводностью. Это приводит к неглубокому проплавлению и более низкой скорости сварки.

С другой стороны, если плотность мощности превышает 105-107 Вт/см², то металлическая поверхность в результате нагрева образуются "дыры", что приводит к лазерной сварке с глубоким проплавлением. Этот метод отличается высокой скоростью сварки и большим отношением глубины к ширине.

Принцип теплопроводности лазерная сварка Нагрев обрабатываемой поверхности с помощью лазерного излучения, отвод тепла от поверхности путем передачи и внутренней диффузии и расплавление заготовки с образованием определенного расплава путем управления параметрами лазера, такими как ширина импульса, энергия, пиковая мощность и частота повторения. Этот метод подходит для тонких сварка пластин.

Лазерная сварка глубокого проникновения в основном используется для сварки зубчатых колес и металлургических сварка листовВ этой статье речь пойдет о принципе лазерной сварки глубокого проникновения.

Алюминиевая оболочка литиевой батареи верхняя крышка сварки - волокно непрерывного лазера (новая энергия транспортного средства клетки, в основном 3 серии алюминия)

Алюминиевая оболочка литиевой батареи верхняя крышка сварки - волокно непрерывного лазера (новая энергия транспортного средства клетки, в основном 3-Серия алюминий)

1. Принцип лазерной сварки глубокого проникновения

Лазерная сварка с глубоким проплавлением обычно использует непрерывный лазерный луч из оптического волокна для соединения материалов. Металлургический процесс этого метода похож на электронно-лучевую сварку и осуществляется через "замочную скважину".

Когда материал подвергается воздействию лазера высокой плотности мощности, он испаряется и образует небольшие отверстия. Маленькие отверстия, заполненные паром, ведут себя как черные тела и поглощают почти всю энергию падающего луча.

Температура внутри отверстий достигает примерно 2500 ℃, и тепло передается от внешних стенок высокотемпературных отверстий для расплавления окружающего металла.

Небольшие отверстия заполнены высокотемпературным паром, который образуется в результате непрерывного испарения материала стенок под воздействием лазерного излучения. Четыре стенки отверстий окружены расплавленным металлом, а жидкий металл окружен твердыми материалами.

В большинстве обычных сварочных процессов и при лазерной сварке энергия сначала попадает на поверхность заготовки, а затем передается внутрь посредством проводимости.

Поток жидкости и поверхностное натяжение стенок за пределами отверстий находятся в динамическом равновесии с постоянным давлением пара внутри полости отверстия. Лазерный луч непрерывно попадает в маленькие отверстия, а материал снаружи отверстий непрерывно течет.

Движение лазерного луча поддерживает маленькие отверстия и расплавленный металл вокруг них в состоянии стабильного потока.

Это означает, что маленькие отверстия и расплавленный металл будут двигаться вперед со скоростью ведущего луча, заполняя оставленный зазор и застывая, образуя сварной шов.

Все эти процессы происходят настолько быстро, что скорость сварки может достигать нескольких метров в минуту.

6 серии алюминия волокна CW лазерной сварки (это высокоскоростной железнодорожный пол)

6 серия алюминиевого волокна CW лазерная сварка (это пол для высокоскоростной железной дороги)

2. Основные параметры процесса лазерной сварки глубокого проникновения

(1) Мощность лазера

Существует порог плотности энергии лазера в лазерная сварка. Если плотность энергии лазера ниже этого значения, то проникновение будет неглубоким. Однако если она достигает или превышает это значение, проникающая способность значительно улучшается.

Образование плазмы, означающее прогресс стабильной сварки с глубоким проплавлением, происходит только тогда, когда плотность мощности лазера на заготовке превышает пороговое значение, которое зависит от материала.

Когда плотность мощности лазера ниже порогового значения, происходит только поверхностное плавление заготовки, что приводит к стабильной теплопроводной сварке.

Если плотность мощности лазерного излучения близка к критическому состоянию для образования замочной скважины, то процесс сварки становится нестабильной, при этом чередуются сварка с глубоким проплавлением и сварка с проведением, что приводит к значительным колебаниям глубины проплавления.

При лазерной сварке с глубоким проплавлением мощность лазера одновременно контролирует глубину проплавления и скорость сварки. Глубина проплавления напрямую связана с плотностью мощности луча и является функцией мощности падающего луча и фокусного пятна луча.

В целом, для лазерного луча заданного диаметра проникающая способность увеличивается с ростом мощности луча.

Чайник лошадь - YAG импульсной лазерной сварки (может непосредственно сделать внешний вид поверхности)

Лошадь с чайником - импульс YAG лазерная сварка (может непосредственно сделать внешний вид поверхности)

(2) Фокусное пятно луча

Размер пятна луча является критической переменной в лазерная сварка поскольку он определяет плотность мощности. Однако измерение размера пятна для мощных лазеров является сложной задачей, несмотря на наличие различных технологий косвенных измерений.

Предельный размер дифракционного пятна в фокусе луча может быть рассчитан с помощью теории дифракции света, но фактический размер пятна больше из-за наличия аберраций фокусирующей линзы.

Самый простой метод измерения - метод равного температурного профиля, который заключается в измерении фокусного пятна и диаметра перфорации после сжигания плотной бумаги и пробивания полипропиленовой пластины.

Этот метод требует владения мощностью лазера и временем действия луча, что может быть достигнуто путем практики и измерений.

(3) Величина поглощения материала

Лазерное поглощение материалов зависит от нескольких важных свойств материала, таких как поглощающая способность, отражательная способность, теплопроводность, температура плавления, температура испарения и так далее.

На поглощение материала лазерным лучом влияют два фактора:

Во-первых, коэффициент сопротивления материала. После измерения поглощающей способности полированной поверхности материала было обнаружено, что поглощающая способность материала прямо пропорциональна квадратному корню из коэффициента сопротивления, который изменяется с температурой.

Во-вторых, состояние поверхности или отделка материала, которая оказывает значительное влияние на поглощение луча и, следовательно, на эффект сварки.

Материалы с высокой чистотой и общей проводимостью, такие как нержавеющая сталь и никель, лучше всего поддаются сварке.

С другой стороны, высокопроводящие материалы, такие как медь и алюминий трудно поддаются сварке. Сварка алюминия серии 6 и выше чревата появлением трещин и пор.

Сайт сварка меди как правило, зависит от требований приложения, и это может быть сделано с YAG импульсный лазер и волокна непрерывного лазера.

В ювелирной промышленности золото и серебро обычно сваривают точечной сваркой. Однако в промышленности сварка этих материалов применяется редко. В данном разделе речь идет о промышленных применениях.

Длина волны на выходе CO2 лазеров обычно составляет 10,6 мкм. При комнатной температуре скорость поглощения неметаллические материалытаких как керамика, стекло, резина и пластмассы, очень высока, в то время как скорость поглощения металлических материалов низка.

Однако если материал расплавить или даже испарить, его поглощение резко возрастает.

Метод нанесения поверхностного покрытия или формирования оксидной пленки на поверхности очень эффективен для улучшения поглощения световых лучей.

(4) Скорость сварки

Скорость сварки оказывает значительное влияние на глубину проплавления. Увеличение скорости приведет к меньшей глубине проплавления, но слишком низкая скорость вызовет чрезмерное плавление материала и приведет к слишком большому проплавлению заготовки.

Таким образом, существует подходящий диапазон скоростей сварки для конкретного материала с определенной мощностью лазера и толщиной, и максимальное проплавление может быть достигнуто при соответствующем значении скорости.

Нержавеющая сталь YGA импульсной лазерной сварки проволоки заполнения (он может преодолеть проблему большого стыка и внешний вид обработки поверхности на более позднем этапе)

Нержавеющая сталь YGA импульсной лазерной сварки проволоки заполнения (он может преодолеть проблему большой стык и внешний вид обработка поверхности на более поздней стадии)

(5) Экранирующий газ

Инертный газ часто используется в лазерная сварка для защиты расплавленной ванны. В некоторых случаях защита может не потребоваться, если материал может быть сварен без окисления поверхности.

Однако в большинстве случаев для защиты заготовки от окисления во время сварки используются гелий, аргон, азот или другие газы.

Гелий является эффективным экранирующим газом благодаря высокой энергии ионизации, которая позволяет лазерному лучу проходить беспрепятственно и достигать поверхности заготовки без каких-либо препятствий. Однако он относительно дорог.

Аргон относительно дешев и обладает высокой плотностью, обеспечивая хорошую защиту. Однако он подвержен ионизации высокотемпературной металлической плазмой, что снижает эффективную мощность лазера и скорость сварки, а также проплавление.

Поверхность сварного шва, защищенного аргоном, более гладкая по сравнению с поверхностью, защищенной гелием.

Азот - самый дешевый защитный газ, но он не подходит для некоторых типов сварка нержавеющей стали из-за металлургических проблем, таких как абсорбция, которая иногда приводит к образованию пор в области круга.

Вторая цель использования экранирующего газа - защита фокусирующей линзы от загрязнения парами металла и распыления капель жидкости, что особенно важно при использовании мощных лазерная сварка где выброс становится более мощным.

Третья функция защитного газа - рассеивание плазменной защиты, образующейся при мощной лазерной сварке. Пары металла поглощают лазерный луч, ионизируя его в плазменное облако, а защитный газ вокруг паров металла также ионизируется из-за нагрева.

Если плазмы слишком много, она в определенной степени поглощает лазерный луч. Плазма на рабочей поверхности действует как второй источник энергии, делая проплавление более мелким, а поверхность сварочной ванны - более широкой.

Скорость рекомбинации электронов может быть увеличена за счет увеличения столкновений электронов с ионами и нейтральными атомами, что уменьшает электронную плотность в плазме.

Чем легче нейтральный атом, тем выше частота столкновений и скорость рекомбинации.

С другой стороны, только защитный газ с высокой энергией ионизации не будет увеличивать плотность электронов за счет собственной ионизации.

Атомный (молекулярный) вес и энергия ионизации обычных газов и металлов

МатериалОнArNЭлMgFe
Атомный (молекулярный) вес44028272456
Энергия ионизации (эВ)24.4615.6814.55.967.617.83

Как показано в таблице, размер плазменного облака зависит от типа используемого защитного газа. Гелий создает самое маленькое плазменное облако, азот - второе по величине, а аргон - самое большое. Чем больше размер плазмы, тем меньше глубина проникновения.

Это различие обусловлено не только разными уровнями ионизации молекул газа, но и разницей в диффузии паров металла, вызванной разной плотностью защитного газа.

Гелий обладает самой низкой ионизацией и плотностью, и он может быстро очистить расплавленный бассейн от поднимающихся паров металла.

Таким образом, использование гелия в качестве защитного газа позволяет эффективно подавлять плазму, увеличивать проплавление и скорость сварки. Кроме того, он легкий и вряд ли приведет к образованию пор.

Однако при реальной сварке использование аргона в качестве защитного экрана дает хорошие результаты. Влияние плазменного облака на проплавление наиболее заметно при низких скоростях сварки, а с увеличением скорости сварки его влияние уменьшается.

Защитный газ выпускается на поверхность заготовки через сопло под определенным давлением. Форма сопла и диаметр выходного отверстия имеют решающее значение, так как сопло должно быть достаточно большим, чтобы покрыть поверхность сварки с защитным газом, но его размер также должен быть ограничен, чтобы эффективно защитить линзу и предотвратить загрязнение парами металла или брызгами металла от повреждения линзы.

Скорость потока также должна контролироваться, иначе ламинарный поток защитного газа станет турбулентным и воздух будет втягиваться в расплавленный бассейн, образуя поры.

Для улучшения защитного эффекта можно также использовать боковой обдув, при котором защитный газ впрыскивается в небольшое отверстие при сварке с глубоким проплавлением под определенным углом через сопло малого диаметра.

Это не только уменьшает плазменное облако на поверхности заготовки, но и влияет на плазму в отверстии и образование мелких отверстий, что приводит к увеличению глубины проплавления и идеальному сварному шву с высоким соотношением глубины и ширины.

Однако этот метод требует точного контроля величины и направления газового потока, так как может возникнуть турбулентность и повреждение расплавленной ванны, что затрудняет стабилизацию процесса сварки.

(6) Фокусное расстояние объектива

Лазерный луч обычно фокусируется во время сварки, и обычно выбирается линза с фокусным расстоянием от 63 мм до 254 мм (от 2,5″ до 10″). Размер пятна фокусировки прямо пропорционален фокусному расстоянию; меньшее фокусное расстояние приводит к меньшему пятну.

Однако фокусное расстояние также влияет на глубину фокусировки, которая увеличивается с ростом фокусного расстояния. Это означает, что короткое фокусное расстояние повышает плотность мощности, но требует точного соблюдения расстояния между линзой и заготовкой для правильного проникновения.

При реальной сварке обычно используется кратчайшее фокусное расстояние 126 мм (5″). Если требуется более крупный шов или более интенсивная сварка, можно выбрать линзу с фокусным расстоянием 254 мм (10″), но это требует более высокой выходной мощности лазера для получения желаемого эффекта глубокого проникновения в замочную скважину.

При мощности лазера более 2 кВт, особенно для СО2-лазеров 10,6 мкм, часто используется метод фокусировки на отражение, с полированными медными зеркалами в качестве зеркал, чтобы избежать риска оптического повреждения фокусирующей линзы.

Медные зеркала часто рекомендуются для мощных фокусировка лазерного луча благодаря эффективному охлаждению.

(7) Положение фокуса

При лазерной сварке положение фокуса имеет решающее значение для обеспечения достаточной плотности мощности. Изменение относительного положения между фокусом и поверхностью заготовки существенно влияет на глубину и ширину сварного шва.

В большинстве Применение лазерной сваркиФокус обычно устанавливается примерно на четверть требуемой глубины проникновения под поверхность заготовки.

(8) Положение лазерного луча

Конечное качество шва при лазерной сварке различных материалов в значительной степени зависит от положения лазерного луча, причем стыковые соединения более чувствительны, чем нахлесточные.

Например, при сварке закаленного стальная шестерня на барабан из низкоуглеродистой стали, правильное управление положением лазерного луча приведет к получению сварного шва, состоящего в основном из низкоуглеродистых компонентов, которые обладают превосходной трещиностойкостью.

В некоторых ситуациях геометрия свариваемой детали требует угла отклонения лазерного луча. Если угол отклонения между осью луча и плоскостью шва составляет менее 100 градусов, то поглощение лазера энергия заготовки остается неизменной.

(9) Контроль постепенного увеличения и уменьшения мощности лазера в начальной и конечной точках сварки

При лазерной сварке с глубоким проплавлением небольшие отверстия присутствуют независимо от глубины шва. Когда процесс сварки завершен и выключатель питания выключен, на конце шва появляются ямки.

Кроме того, если новый слой лазерной сварки перекрывает предыдущий, может произойти чрезмерное поглощение лазерного луча, что приведет к перегреву или пористости сварного шва.

Чтобы предотвратить эти проблемы, точки начала и окончания подачи мощности можно запрограммировать таким образом, чтобы время начала и окончания сварки можно было регулировать. Это достигается путем электронного увеличения начальной мощности от нуля до заданного значения мощности и быстрой регулировки времени сварки.

Наконец, мощность постепенно снижается от заданного значения до нуля в конце сварки.

Оптоволоконная непрерывная лазерная сварка нержавеющей стали (подходит для стыковой сварки небольших пластин толщиной 0,2-3 мм)

Нержавеющая сталь оптического волокна непрерывной лазерной сварки (подходит для стыковая сварка из небольших пластин толщиной 0,2-3 мм)

3. Характеристики, преимущества и недостатки лазерной сварки глубокого проникновения

(1) Характеристики лазерной сварки глубокого проникновения

  1. Сварка с высоким соотношением сторон

Процесс сварки с высоким аспектным отношением характеризуется глубокими и узкими сварными швами, которые формируются путем направления цилиндрической высокотемпературной паровой полости вокруг заготовки. В результате расплавленный металл формируется вокруг полости и распространяется на заготовку.

  1. Минимальная тепловая мощность

Процесс сварки требует минимального подвода тепла из-за высокой температуры внутри небольшого отверстия. Это приводит к быстрому процессу плавления и малому количеству тепла на заготовке, что приводит к минимальной термической деформации и малой зоне термического влияния.

  1. Сварные швы высокой плотности

Высокотемпературный пар внутри небольшого отверстия способствует перемешиванию сварочной ванны и выходу газа, в результате чего получается плотный и проплавленный шов без пор. Быстрая скорость охлаждения после сварки способствует улучшению структуры шва.

  1. Прочные сварные швы

Процесс сварки не требует применения электродов или присадочной проволоки, а источник тепла является горячим, что приводит к снижению содержания примесей и изменению размера и распределения включений в расплавленной ванне. В результате получается прочный и жесткий сварной шов, который как минимум равен или даже превосходит по прочности материнский металл.

  1. Точный контроль

Небольшое фокусное пятно лазера обеспечивает высокую точность позиционирования сварного шва. Лазерный выход не имеет "инерции" и может быть быстро остановлен и перезапущен, что делает его идеальным для сварки сложных заготовок с технологией перемещения луча NC.

  1. Бесконтактная сварка в атмосфере

Процесс бесконтактной сварки в атмосфере включает в себя фотонный луч, который передает энергию на заготовку без какого-либо физического контакта. Это означает, что к заготовке не прикладываются внешние силы, а на лазер не влияют ни магнетизм, ни воздух.

(2) Преимущества лазерной сварки глубокого проникновения

  1. Высокая скорость сварки и минимальная деформация

Сфокусированный лазер, используемый при лазерной сварке, имеет гораздо более высокую плотность мощности по сравнению с традиционными методами, что позволяет достичь высокой скорости сварки и минимальных зон термического воздействия и деформации. Это позволяет сваривать даже такие сложные материалы, как титан.

  1. Эффективность и низкая стоимость обслуживания

Луч легко передается и контролируется, что позволяет реже заменять сварочный пистолет и сопло, а также не требуется вакуумная откачка для электронно-лучевая сварка. Это значительно сокращает время простоя вспомогательного оборудования, повышает коэффициент загрузки и эффективность производства.

  1. Высокая прочность и выносливость

Очистка и высокая скорость охлаждения при лазерной сварке обеспечивают высокую прочность, вязкость и комплексные свойства сварного шва.

  1. Экономически эффективный

Низкое среднее тепловыделение и высокая точность обработки при лазерной сварке помогают снизить стоимость повторной обработки. Кроме того, низкие эксплуатационные расходы при лазерной сварке также помогают снизить общую стоимость обработки заготовки.

  1. Легко автоматизировать

Лазерная сварка позволяет эффективно управлять интенсивностью луча и точным позиционированием, что упрощает автоматизацию процесса сварки.

(3) Недостатки лазерной сварки глубокого проникновения

  • Ограниченная глубина сварки
  • Жесткие требования к сборке заготовок
  • Значительные первоначальные инвестиции в лазерную систему

Насколько публикация полезна?

Нажмите на звезду, чтобы оценить!

Средняя оценка 0 / 5. Количество оценок: 0

Оценок пока нет. Поставьте оценку первым.

Так как вы нашли эту публикацию полезной...

Подписывайтесь на нас в соцсетях!

Сожалеем, что вы поставили низкую оценку!

Позвольте нам стать лучше!

Расскажите, как нам стать лучше?

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Прокрутить вверх