Principe van laserlassen
Laserlassen kan worden bereikt door middel van continue of gepulseerde laserstralen. Het principe van laserlassen kan worden onderverdeeld in warmtegeleidingslassen en laserdieppenetratielassen. Wanneer de vermogensdichtheid minder is dan 104~105 W/cm2, is het warmtegeleidingslassen. Op dit moment is de penetratiediepte ondiep en is de lassnelheid laag; wanneer de vermogensdichtheid groter is dan 105 ~ 107 W / cm2, wordt het metalen oppervlak door verwarming verzonken in "holtes", waardoor diep penetratielassen wordt gevormd, wat de kenmerken heeft van een hoge lassnelheid en een grote beeldverhouding.
Het principe van warmtegeleidingslaserlassen is: laserstraling verwarmt het te bewerken oppervlak en de oppervlaktewarmte diffundeert door warmtegeleiding naar binnen. Door de laserpulsbreedte, energie, piekvermogen en herhalingsfrequentie en andere laserparameters te regelen, wordt het werkstuk gesmolten om een specifieke smeltbad te vormen. .
De laserlasmachine die wordt gebruikt voor tandwiellassen en metallurgisch lassen van dunne platen omvat hoofdzakelijk laserdiep penetratielassen. Het volgende is gericht op het principe van laserdieppenetratielassen.
Laserdiep-penetratielassen maakt over het algemeen gebruik van continue laserstralen om de verbinding van materialen te voltooien, en het metallurgische fysische proces lijkt sterk op elektronenstraallassen, dat wil zeggen dat het energieconversiemechanisme wordt voltooid door de "sleutelgat" -structuur. Onder laserbestraling met voldoende hoge vermogensdichtheid verdampt het materiaal en vormt het kleine poriën. Dit kleine gaatje vol stoom is als een zwart lichaam en absorbeert bijna alle energie van de invallende straal, en de evenwichtstemperatuur in de holte bereikt ongeveer 2500 0C. De hitte wordt overgebracht van de buitenmuur van de holte op hoge temperatuur om het metaal te smelten dat de holte omringt. Het kleine gaatje is gevuld met stoom op hoge temperatuur die wordt gegenereerd door de continue verdamping van het wandmateriaal onder de bestraling van de straal, de wanden van het kleine gaatje zijn omgeven door gesmolten metaal en het vloeibare metaal is omgeven door vaste materialen (terwijl in Bij de meeste conventionele lasprocessen en lasergeleidingslassen wordt de energie eerst op het oppervlak van het werkstuk afgezet en vervolgens door transmissie naar het interieur getransporteerd). De vloeistofstroom buiten de poriewand en de oppervlaktespanning van de wandlaag zorgen voor een dynamisch evenwicht met de continu gegenereerde dampdruk in de porieholte. De straal komt continu het kleine gaatje binnen en het materiaal buiten het kleine gaatje stroomt continu. Terwijl de straal beweegt, bevindt het kleine gaatje zich altijd in een stabiele stroomtoestand. Dat wil zeggen, het kleine gaatje en het gesmolten metaal rond de gatwand bewegen naar voren met de voorwaartse snelheid van de leidende balk, en het gesmolten metaal vult het gat dat door het kleine gaatje is achtergelaten en condenseert vervolgens, zodat de las wordt gevormd. Dit alles van het bovenstaande proces gebeurt zo snel dat lassnelheden gemakkelijk enkele meters per minuut kunnen bereiken.
02
De belangrijkste procesparameters van laserdieppenetratielassen
1) Laserkracht. Er is een drempelwaarde van laserenergiedichtheid bij laserlassen. Onder deze waarde is de indringdiepte erg ondiep. Zodra deze waarde is bereikt of overschreden, wordt de indringdiepte aanzienlijk vergroot. Plasma wordt alleen gegenereerd wanneer de laservermogensdichtheid op het werkstuk een drempelwaarde overschrijdt (afhankelijk van het materiaal), wat de voortgang van stabiel diep penetratielassen markeert. Als het laservermogen onder deze drempel ligt, vindt alleen oppervlaktesmelting van het werkstuk plaats, dwz lassen vindt plaats met stabiele warmtegeleiding. Wanneer de laservermogensdichtheid de kritieke toestand voor de vorming van kleine gaatjes nadert, worden afwisselend diep penetratielassen en geleidingslassen uitgevoerd, wat een onstabiel lasproces wordt, met grote fluctuaties in de penetratiediepte tot gevolg. Tijdens laserdiep-penetratielassen regelt het laservermogen tegelijkertijd de penetratiediepte en de lassnelheid. De laspenetratie is direct gerelateerd aan de vermogensdichtheid van de bundel en is een functie van het invallende bundelvermogen en het brandpunt van de bundel. Over het algemeen geldt dat voor een laserstraal met een bepaalde diameter de penetratiediepte toeneemt naarmate het straalvermogen toeneemt.
2) Brandpunt van de straal. De grootte van de bundelvlek is een van de belangrijkste variabelen bij laserlassen, omdat deze de vermogensdichtheid bepaalt. Maar voor krachtige lasers is de meting ervan een moeilijk probleem, hoewel er veel indirecte meettechnieken zijn.
De diffractie-beperkte spotgrootte van de bundelfocus kan worden berekend volgens de lichtdiffractietheorie, maar door de aanwezigheid van aberratie van de focuslens is de werkelijke spotgrootte groter dan de berekende waarde. De eenvoudigste praktische methode is de isothermische profileringsmethode, die het brandpunt en de perforatiediameter meet na verkoling en penetratie van een polypropyleen plaat met dik papier. Deze methode moet het laservermogen en de tijd van straalactie beheersen door meetpraktijk.
3) Materiële absorptiewaarde. De absorptie van laserlicht door materialen is afhankelijk van enkele belangrijke eigenschappen van materialen, zoals absorptievermogen, reflectiviteit, thermische geleidbaarheid, smelttemperatuur, verdampingstemperatuur, enz., waarvan de belangrijkste absorptievermogen is.
De factoren die de absorptiesnelheid van het materiaal voor de laserstraal beïnvloeden, omvatten twee aspecten: de eerste is de soortelijke weerstand van het materiaal. Na het meten van de absorptiesnelheid van het gepolijste oppervlak van het materiaal, blijkt dat de absorptiesnelheid van het materiaal evenredig is met de vierkantswortel van de soortelijke weerstand, en de soortelijke weerstand varieert met de temperatuur. Ten tweede heeft de oppervlaktetoestand (of gladheid) van het materiaal een belangrijkere invloed op de straalabsorptiesnelheid, wat een significant effect heeft op het laseffect.
De uitgangsgolflengte van een CO2-laser is meestal 10,6 μm. De absorptiesnelheid van keramiek, glas, rubber, kunststoffen en andere niet-metalen is erg hoog bij kamertemperatuur, terwijl de absorptiesnelheid van metalen materialen erg slecht is bij kamertemperatuur, totdat het materiaal is gesmolten of zelfs gasvormig. De absorptie neemt dramatisch toe. Het is zeer effectief om de absorptie van lichtstralen door het materiaal te verbeteren door oppervlaktecoating of oppervlakteoxidefilmvorming te gebruiken.
4) Lassnelheid. De lassnelheid heeft een grote invloed op de indringdiepte. Door de snelheid te verhogen, wordt de penetratie ondiep, maar als de snelheid te laag is, wordt het materiaal overgesmolten en wordt het werkstuk doorgelast. Daarom is er een geschikt lassnelheidsbereik voor een specifiek materiaal met een bepaald laservermogen en een bepaalde dikte, en kan de maximale indringdiepte worden verkregen bij de bijbehorende snelheidswaarde. Afbeelding 10-2 toont de relatie tussen lassnelheid en penetratiediepte van 1018 staal.
5) Beschermend gas. Inert gas wordt vaak gebruikt om het smeltbad tijdens het laserlasproces te beschermen. Wanneer sommige materialen worden gelast, ongeacht de oxidatie van het oppervlak, wordt de bescherming mogelijk niet overwogen, maar voor de meeste toepassingen worden helium, argon, stikstof en andere gassen vaak gebruikt als bescherming om het werkstuk tijdens het solderen te beschermen tegen oxidatie.
Helium wordt niet gemakkelijk geïoniseerd (hogere ionisatie-energie), waardoor de laser soepel kan passeren en de straalenergie ongehinderd het oppervlak van het werkstuk bereikt. Dit is het meest effectieve beschermgas dat wordt gebruikt bij laserlassen, maar het is duurder.
Argongas is goedkoper en dichter, dus het beschermingseffect is beter. Het is echter gevoelig voor metaalplasma-ionisatie bij hoge temperatuur, waardoor een deel van de straal wordt beschermd tegen het raken van het werkstuk, het effectieve laservermogen voor lassen wordt verminderd en ook de lassnelheid en penetratie worden aangetast. Het oppervlak van het laswerk beschermd door argon is gladder dan wanneer het wordt beschermd door helium.
Stikstof is het goedkoopste beschermgas, maar het is niet geschikt voor het lassen van sommige soorten roestvrij staal, voornamelijk vanwege metallurgische problemen, zoals absorptie, die soms porositeit veroorzaakt in het overlappende gebied.
De tweede functie van het gebruik van beschermgas is om de focusseerlens te beschermen tegen vervuiling door metaaldamp en het sputteren van vloeistofdruppels. Vooral bij krachtig laserlassen, omdat de uitwerping zeer krachtig wordt, is het op dit moment meer nodig om de lens te beschermen.
De derde functie van het beschermgas is dat het zeer effectief is in het verdrijven van het plasmascherm dat wordt geproduceerd door laserlassen met hoog vermogen. De metaaldamp absorbeert de laserstraal en ioniseert tot een plasmawolk, en het beschermende gas rond de metaaldamp wordt ook geïoniseerd door hitte. Als er te veel plasma aanwezig is, wordt de laserstraal enigszins door het plasma verbruikt. Plasma bevindt zich op het werkoppervlak als een tweede energie, waardoor de penetratie ondiep wordt en het oppervlak van het lasbad breder wordt. De recombinatiesnelheid van elektronen wordt verhoogd door de botsingen van elektronen met drie lichamen met ionen en neutrale atomen te vergroten om de elektronendichtheid in het plasma te verminderen. Hoe lichter de neutrale atomen, hoe hoger de botsingsfrequentie en hoe hoger de recombinatiesnelheid; aan de andere kant zal alleen het beschermende gas met hoge ionisatie-energie de elektronendichtheid niet verhogen vanwege de ionisatie van het gas zelf.
De grootte van de plasmawolk varieert met het gebruikte beschermgas, waarbij helium het kleinste is, stikstof het tweede en argon het grootste. Hoe groter de plasmagrootte, hoe ondieper de penetratie. De reden voor dit verschil is in de eerste plaats te wijten aan de verschillende mate van ionisatie van gasmoleculen, en ook aan het verschil in de diffusie van metaaldamp veroorzaakt door de verschillende dichtheden van het beschermgas.
Helium is het minst geïoniseerde en minst dichte gas en verdrijft snel opstijgende metaaldampen die uit het gesmolten metaalbad worden gegenereerd. Daarom kan het gebruik van helium als beschermgas het plasma in de grootste mate onderdrukken, waardoor de penetratiediepte wordt vergroot en de lassnelheid wordt verhoogd; door zijn lichte gewicht kan het ontsnappen en is het niet gemakkelijk om poriën te veroorzaken. Natuurlijk, vanuit ons daadwerkelijke laseffect, is het effect van argonbescherming niet slecht.
Het effect van plasmawolken op de penetratie is het duidelijkst in het gebied met lage lassnelheid. Het effect neemt af naarmate de lassnelheid toeneemt.
Het beschermgas wordt met een bepaalde druk door het mondstuk geïnjecteerd om het oppervlak van het werkstuk te bereiken. De hydrodynamische vorm van het mondstuk en de diameter van de uitlaat zijn erg belangrijk. Het moet groot genoeg zijn om het gesproeide beschermgas aan te drijven om het lasoppervlak te bedekken, maar om de lens effectief te beschermen en te voorkomen dat metaaldamp vervuilt of metaalspatten de lens beschadigen, moet de grootte van het mondstuk ook beperkt zijn. De stroomsnelheid moet ook worden gecontroleerd, anders wordt de laminaire stroming van het beschermgas turbulent en wordt de atmosfeer betrokken bij het smeltbad en vormen uiteindelijk poriën.
Om het beschermende effect te verbeteren, kan ook een extra zijwaartse blaasmethode worden gebruikt, dat wil zeggen dat het beschermgas via een mondstuk met een kleinere diameter direct onder een bepaalde hoek in het kleine gaatje van het diepe penetratielassen wordt geïnjecteerd. Het beschermgas onderdrukt niet alleen de plasmawolk op het oppervlak van het werkstuk, maar oefent ook invloed uit op de vorming van het plasma en kleine gaatjes in het gat, vergroot de indringdiepte verder en verkrijgt een las met een ideale diepte-breedteverhouding . Deze methode vereist echter nauwkeurige regeling van de grootte en richting van de luchtstroom, anders is de kans groot dat turbulente stroming optreedt en het smeltbad wordt vernietigd, waardoor het lasproces moeilijk te stabiliseren is.
6) Lensbrandpuntsafstand. De scherpstelmethode wordt meestal gebruikt om de laser tijdens het lassen te condenseren en meestal wordt een lens met een brandpuntsafstand van 63~254 mm (2,5"~10") gebruikt. De grootte van de focusspot is evenredig met de brandpuntsafstand, hoe korter de brandpuntsafstand, hoe kleiner de spot. Maar de brandpuntsafstand heeft ook invloed op de brandpuntsdiepte, dat wil zeggen dat de brandpuntsafstand synchroon met de brandpuntsafstand toeneemt, dus een korte brandpuntsafstand kan de vermogensdichtheid vergroten, maar vanwege de kleine brandpuntsdiepte neemt de afstand tussen de lens en het werkstuk toe. moet nauwkeurig worden gehandhaafd en de penetratiediepte is niet groot. Vanwege de invloed van spatten en lasermodus die tijdens het lasproces worden gegenereerd, is de kortste brandpuntsafstand die wordt gebruikt bij daadwerkelijk lassen meestal de brandpuntsafstand van 126 mm (5"). Wanneer de verbinding groot is of de lasnaad moet worden vergroot door de spotgrootte kunt u een lens kiezen met een brandpuntsafstand van 254 mm (10"). In dit geval is een hoger laseruitgangsvermogen (vermogensdichtheid) vereist om het pinhole-effect met diepe penetratie te bereiken.
Wanneer het laservermogen hoger is dan 2 kW, vooral voor de 10,6 μm CO2-laserstraal, vanwege het gebruik van speciale optische materialen om het optische systeem te vormen, om het risico van optische schade aan de focuslens te voorkomen, is de reflectieve focusmethode vaak gebruikt, en een gepolijste koperen spiegel wordt over het algemeen gebruikt als reflector. Het wordt vaak aanbevolen voor het scherpstellen van krachtige laserstralen vanwege de effectieve koeling.
7) Focuspositie. Bij het lassen is de focuspositie van cruciaal belang om voldoende vermogensdichtheid te behouden. Veranderingen in de relatieve positie van het brandpunt en het werkstukoppervlak hebben direct invloed op de breedte en diepte van de las. Afbeelding 2-6 toont het effect van de focuspositie op de penetratiediepte en naadbreedte van 1018 staal.
Bij de meeste laserlastoepassingen bevindt het brandpunt zich meestal ongeveer 1/4 van de gewenste penetratiediepte onder het oppervlak van het werkstuk.
8) Positie laserstraal. Bij het laserlassen van ongelijksoortige materialen bepaalt de positie van de laserstraal de uiteindelijke kwaliteit van de las, vooral in het geval van stompe verbindingen in plaats van overlappingsverbindingen. Wanneer bijvoorbeeld een tandwiel van gehard staal wordt gelast op een trommel van zacht staal, zal een goede controle van de positie van de laserstraal helpen bij het produceren van een las met een overwegend koolstofarme component die relatief goed bestand is tegen scheuren. In sommige toepassingen vereist de geometrie van het te lassen werkstuk dat de laserstraal over een hoek wordt afgebogen. Wanneer de afbuighoek tussen de straalas en het verbindingsvlak binnen 100 graden ligt, wordt de absorptie van laserenergie door het werkstuk niet beïnvloed.
9) Geleidelijke stijging en daling van het laservermogen aan het begin- en eindpunt van het lassen. Tijdens laserdieppenetratielassen zijn er altijd kleine gaatjes, ongeacht de diepte van de las. Wanneer het lasproces is beëindigd en de stroomschakelaar is uitgeschakeld, verschijnt er een putje aan het einde van de las. Bovendien, wanneer de laserlaslaag de originele lasnaad bedekt, zal overmatige absorptie van de laserstraal optreden, wat resulteert in oververhitting van de lasnaad of vorming van poriën.
Om te voorkomen dat het bovenstaande fenomeen optreedt, kunnen de start- en stoppunten van het vermogen worden geprogrammeerd om de start- en eindtijd van het vermogen instelbaar te maken, dat wil zeggen dat het initiële vermogen in korte tijd elektronisch wordt verhoogd van nul tot de ingestelde vermogenswaarde. en het lassen kan worden aangepast. Tijd, en uiteindelijk wordt het vermogen geleidelijk verlaagd van het ingestelde vermogen naar nul wanneer het lassen wordt beëindigd.
03
Kenmerken en voor- en nadelen van laserdieppenetratielassen
Kenmerken van laserdiep penetratielassen
1) Hoge beeldverhouding. Terwijl het gesmolten metaal zich vormt rond de cilindrische holte van hete stoom en zich uitstrekt naar het werkstuk, wordt de las diep en smal.
2) Minimale warmte-inbreng. Omdat de temperatuur in het kleine gaatje erg hoog is, vindt het smeltproces extreem snel plaats, is de warmte-invoer in het werkstuk erg laag en zijn de thermische vervorming en de door warmte beïnvloede zone klein.
3) Hoge dichtheid. Omdat de kleine poriën gevuld met stoom op hoge temperatuur bevorderlijk zijn voor het roeren van het lasbad en het ontsnappen van gas, wat resulteert in een penetratielas zonder poriën. De hoge afkoelsnelheid na het lassen kan de lasstructuur gemakkelijk fijner maken.
4) Sterke lasnaden. Vanwege de brandende warmtebron en voldoende absorptie van niet-metalen componenten, wordt het gehalte aan onzuiverheden verminderd en worden de grootte van de insluitsels en hun verdeling in het smeltbad veranderd. Voor het lasproces zijn geen elektroden of lasdraden nodig en de smeltzone is minder vervuild, zodat de sterkte en taaiheid van de las minimaal gelijk of zelfs hoger is dan die van het moedermetaal.
5) Nauwkeurige controle. Doordat de gefocuste lichtvlek klein is, kan de lasnaad met hoge precisie gepositioneerd worden. De laseroutput heeft geen "traagheid", hij kan met hoge snelheid worden gestopt en opnieuw gestart, en het complexe werkstuk kan worden gelast met de numerieke besturingsstraalbewegingstechnologie.
6) Contactloos atmosferisch lasproces. Omdat de energie afkomstig is van de fotonenbundel, is er geen fysiek contact met het werkstuk en wordt er dus geen externe kracht op het werkstuk uitgeoefend. Bovendien hebben magnetisme en lucht geen invloed op laserlicht.
Voordelen van laserdiep penetratielassen
1) Omdat de gefocusseerde laser een veel hogere vermogensdichtheid heeft dan conventionele methoden, is de lassnelheid hoog, zijn de door warmte beïnvloede zone en vervorming klein en kunnen moeilijk te lassen materialen zoals titanium ook worden gelast.
2) Omdat de straal gemakkelijk te verzenden en te besturen is, en de toorts en het mondstuk niet vaak hoeven te worden vervangen, en er geen vacuüm nodig is voor elektronenstraallassen, wat de hulptijd van uitvaltijd aanzienlijk vermindert, dus de belastingsfactor en productie-efficiëntie zijn hoog.
3) Vanwege het zuiveringseffect en de hoge koelsnelheid zijn de lassterkte, taaiheid en uitgebreide prestaties hoog.
4) Vanwege de lage gemiddelde warmte-inbreng en hoge verwerkingsnauwkeurigheid kunnen de herverwerkingskosten worden verlaagd; bovendien zijn de bedrijfskosten van laserlassen ook laag, wat de verwerkingskosten van het werkstuk kan verlagen.
5) Het kan de straalintensiteit en fijne positionering effectief regelen, en het is gemakkelijk om automatische bediening te realiseren.
Nadelen van laserdiep penetratielassen
1) De lasdiepte is beperkt.
2) De montage-eisen van het werkstuk zijn hoog.
3) De eenmalige investering van het lasersysteem is relatief hoog
