1.PPrinzipvon laser Schweißen
Das Laserschweißen kann durch kontinuierliche oder gepulste Laserstrahlen erreicht werden. Das Prinzip des Laserschweißens kann in Wärmeleitungsschweißen und Laser-Tiefschweißen unterteilt werden. Wenn die Leistungsdichte weniger als 104 ~ 105 W / cm2 beträgt, handelt es sich um Wärmeleitungsschweißen. Zu diesem Zeitpunkt ist die Schweißtiefe gering und die Schweißgeschwindigkeit langsam. Wenn die Leistungsdichte mehr als 105 ~ 107 W / cm² beträgt, wird die Metalloberfläche in einen&"Hohlraum GG" vertieft; unter Hitzeeinwirkung bildet sich ein tiefes Schmelzschweißen. Schnelles, breites Seitenverhältnis.
Das Prinzip des Wärmeleitungslaserschweißens lautet: Die Laserstrahlung erwärmt die zu verarbeitende Oberfläche und die Oberflächenwärme wird durch Wärmeleitung nach innen diffundiert. Durch Steuern der Laserparameter wie Laserpulsbreite, Energie, Spitzenleistung und Wiederholungsfrequenz wird das Werkstück geschmolzen, um einen bestimmten geschmolzenen Pool zu bilden.
LaserschweißmaschinenBeim Zahnradschweißen und beim metallurgischen Blechschweißen wird hauptsächlich das Laser-Tiefschweißen eingesetzt. Das Folgende konzentriert sich auf das Prinzip des Laser-Tiefpenetrationsschweißens.
Beim Laser-Deep-Penetration-Schweißen wird im Allgemeinen ein kontinuierlicher Laserstrahl verwendet, um die Verbindung der Materialien zu vervollständigen. Der metallurgische physikalische Prozess ist dem Elektronenstrahlschweißen sehr ähnlich, dh der Energieumwandlungsmechanismus wird durch ein&"Schlüsselloch GG" vervollständigt. Struktur. Bei Laserbestrahlung mit ausreichend hoher Leistungsdichte verdampft das Material und bildet kleine Löcher. Dieses mit Dampf gefüllte Loch ist wie ein schwarzer Körper, der fast die gesamte Energie des einfallenden Strahls absorbiert. Die Gleichgewichtstemperatur im Hohlraum erreicht etwa 2500 ° C. Die Wärme wird von der Außenwand des Hochtemperaturhohlraums übertragen, wodurch das den Hohlraum umgebende Metall schmilzt. Das kleine Loch ist mit Hochtemperaturdampf gefüllt, der durch kontinuierliches Verdampfen des Wandmaterials unter dem Balken erzeugt wird. Die vier Wände des kleinen Lochs umgeben das geschmolzene Metall, und das flüssige Metall umgibt das feste Material. (Bei den meisten herkömmlichen Schweißverfahren und beim Laserleitungsschweißen wird zuerst die Energie (auf der Oberfläche des Werkstücks abgelagert und dann durch Übertragung in den Innenraum übertragen). Der Flüssigkeitsfluss und die Wandoberflächenspannung außerhalb der Porenwand stimmen mit dem Dampf überein Druck wird kontinuierlich in der Porenhöhle erzeugt und hält ein dynamisches Gleichgewicht aufrecht. Der Lichtstrahl tritt kontinuierlich in das kleine Loch ein und das Material außerhalb des kleinen Lochs fließt kontinuierlich. Während sich der Lichtstrahl bewegt, befindet sich das kleine Loch immer in einem stetigen Strömungszustand. Das heißt, das kleine Loch und das die Lochwand umgebende geschmolzene Metall bewegen sich mit der Vorwärtsgeschwindigkeit des vorderen Trägers vorwärts. Das geschmolzene Metall füllt die Lücke, die nach dem Entfernen des kleinen Lochs verbleibt, und kondensiert damit, und es wird eine Schweißnaht gebildet Dies geschieht so schnell, dass die Schweißgeschwindigkeit leicht mehrere Meter pro Minute erreichen kann.
2.Die wichtigsten Prozessparameter des Laser-Deep-Penetration-Schweißens
(1)Laserleistung. Beim Laserschweißen gibt es eine Schwelle für die Laserenergiedichte. Unterhalb dieses Wertes ist die Eindringtiefe sehr gering. Sobald dieser Wert erreicht oder überschritten wird, wird die Eindringtiefe stark erhöht. Plasma wird nur erzeugt, wenn die Laserleistungsdichte am Werkstück einen Schwellenwert (materialabhängig) überschreitet, was ein stabiles Tiefschweißen bedeutet. Wenn die Laserleistung unter dieser Schwelle liegt, tritt nur das Oberflächenschmelzen des Werkstücks auf, dh das Schweißen wird in einem stabilen Wärmeleitungstyp durchgeführt. Wenn sich die Laserleistungsdichte jedoch in der Nähe des kritischen Zustands für die Bildung kleiner Löcher befindet, werden abwechselnd tiefes Eindringen und leitendes Schweißen durchgeführt, was zu einem instabilen Schweißprozess wird, der zu großen Schwankungen der Eindringtiefe führt. Beim Laser-Tiefschweißen steuert die Laserleistung sowohl die Eindringtiefe als auch die Schweißgeschwindigkeit. Die Eindringtiefe der Schweißnaht steht in direktem Zusammenhang mit der Strahlleistungsdichte und ist eine Funktion der einfallenden Strahlleistung und des Strahlschwerpunkts. Im Allgemeinen nimmt für einen Laserstrahl mit einem bestimmten Durchmesser die Eindringtiefe mit zunehmender Strahlleistung zu.
(2)Strahlbrennpunkt. Die Strahlfleckgröße ist eine der wichtigsten Variablen für das Laserschweißen, da sie die Leistungsdichte bestimmt. Für Hochleistungslaser ist die Messung jedoch ein schwieriges Problem, obwohl es bereits viele indirekte Messtechniken gibt.
Die Strahlfleckbeugungsgrenze Punktgröße kann gemäß der Theorie der Lichtbeugung berechnet werden, aber aufgrund der Aberration der Fokussierlinse ist die tatsächliche Punktgröße größer als der berechnete Wert. Die einfachste Messmethode ist die isotherme Profilierung, bei der der Brennfleck und der Perforationsdurchmesser nach dem Brennen und Eindringen einer Polypropylenplatte mit dickem Papier gemessen werden. Diese Methode dient dazu, die Laserleistung und die Zeit des Strahls durch Messpraxis zu messen.
(3)Materialabsorptionswert. Die Absorption eines Lasers durch ein Material hängt von einigen wichtigen Eigenschaften des Materials ab, wie Absorptionsvermögen, Reflexionsvermögen, Wärmeleitfähigkeit, Schmelztemperatur, Verdampfungstemperatur usw. Das wichtigste davon ist das Absorptionsvermögen.
Die Faktoren, die die Absorptionsrate eines Laserstrahls nach Material beeinflussen, umfassen zwei Aspekte: Erstens den spezifischen Widerstand des Materials GG. Nach dem Messen der Extinktion der polierten Oberfläche des Materials wird festgestellt, dass die Extinktion des Materials proportional zur Quadratwurzel des spezifischen Widerstands ist und der spezifische Widerstand mit der Temperatur variiert und sich ändert; Zweitens hat der Oberflächenzustand (oder die Glätte) des Materials einen wichtigeren Einfluss auf die Strahlabsorptionsrate, was einen signifikanten Einfluss auf den Schweißeffekt hat.
Die Ausgangswellenlänge eines CO2-Lasers beträgt üblicherweise 10,6 μm. Nichtmetalle wie Keramik, Glas, Gummi und Kunststoff haben bei Raumtemperatur eine hohe Absorptionsrate, und Metallmaterialien haben bei Raumtemperatur eine schlechte Absorption, bis das Material geschmolzen ist und sogar Gas. Seine Absorption hat stark zugenommen.
Es ist sehr effektiv, die Absorption des Lichtstrahls durch das Verfahren der Oberflächenbeschichtung oder die Bildung eines Oxidfilms auf der Oberfläche zu verbessern.
(4)Schweißgeschwindigkeit. Die Schweißgeschwindigkeit hat einen größeren Einfluss auf die Eindringtiefe. Durch Erhöhen der Geschwindigkeit wird die Eindringtiefe flacher, aber eine zu niedrige Geschwindigkeit führt zu einem übermäßigen Schmelzen des Materials und zum Schweißen des Werkstücks. Daher gibt es einen geeigneten Schweißgeschwindigkeitsbereich für ein bestimmtes Material mit einer bestimmten Laserleistung und einer bestimmten Dicke, und die maximale Eindringtiefe kann bei dem entsprechenden Geschwindigkeitswert erhalten werden.
(5)Schutzgas. Beim Laserschweißverfahren wird häufig Inertgas verwendet, um das geschmolzene Becken zu schützen. Wenn einige Materialien geschweißt werden, kann die Oberflächenoxidation ignoriert werden, der Schutz wird jedoch nicht berücksichtigt. Bei den meisten Anwendungen werden jedoch häufig Helium, Argon, Stickstoff und andere Gase zum Schutz des Werkstücks verwendet. Beim Schweißen vor Oxidation geschützt.
Helium ist nicht leicht zu ionisieren (höhere Ionisierungsenergie), wodurch der Laser reibungslos passieren kann und die Strahlenergie ungehindert die Oberfläche des Werkstücks erreicht. Dies ist das effektivste Schutzgas, das beim Laserschweißen verwendet wird, ist jedoch teurer.
Argon ist billiger und hat eine höhere Dichte, daher ist die Schutzwirkung besser. Es ist jedoch anfällig für Hochtemperatur-Metallplasmaionisation. Infolgedessen schützt es einen Teil des Lichtstrahls davor, auf das Werkstück abgestrahlt zu werden, verringert die effektive Laserleistung zum Schweißen und beeinträchtigt die Schweißgeschwindigkeit und -durchdringung. Oberflächen von mit Argon geschützten Schweißteilen sind glatter als mit Helium geschützte.
Stickstoff ist das billigste Gas als Schutzgas, eignet sich jedoch nicht zum Schweißen bestimmter Arten von rostfreiem Stahl, hauptsächlich aufgrund metallurgischer Probleme wie Absorption, und manchmal entstehen im Überlappungsbereich Poren.
Die zweite Aufgabe der Verwendung eines Schutzgases besteht darin, die Fokussierlinse vor Metalldampfverunreinigungen und dem Sputtern von Flüssigkeitströpfchen zu schützen. Insbesondere beim Hochleistungslaserschweißen ist es zu diesem Zeitpunkt notwendiger, die Linse zu schützen, da der Auswurf sehr stark wird.
Die dritte Funktion des Schutzgases besteht darin, die durch Hochleistungslaserschweißen erzeugte Plasmaabschirmung effektiv zu zerstreuen. Der Metalldampf absorbiert den Laserstrahl und ionisiert zu einer Plasmawolke. Das den Metalldampf umgebende Schutzgas wird ebenfalls durch Erhitzen ionisiert. Wenn zu viel Plasma vorhanden ist, wird der Laserstrahl zu einem gewissen Grad vom Plasma verbraucht. Plasma existiert auf der Arbeitsfläche als zweite Energie, wodurch das Eindringen flacher und die Oberfläche des Schweißbades breiter wird. Die Elektronenrekombinationsrate wird durch Erhöhen der Kollision von Elektronen mit Ionen und neutralen Atomen erhöht, um die Elektronendichte im Plasma zu verringern. Je leichter das neutrale Atom ist, desto höher ist die Kollisionsfrequenz und desto höher ist die Rekombinationsrate. Andererseits erhöht nur das Schutzgas mit hoher Ionisierungsenergie die Elektronendichte aufgrund der Ionisierung des Gases selbst nicht.
Helium hat die niedrigste Ionisation und die niedrigste Dichte und kann den aufsteigenden Metalldampf, der aus dem Pool geschmolzener Metalle erzeugt wird, schnell entfernen. Daher kann die Verwendung von Helium als Schutzgas das Plasma maximal unterdrücken, wodurch die Eindringtiefe und die Schweißgeschwindigkeit erhöht werden. es kann aufgrund seines geringen Gewichts entweichen und ist nicht leicht, Poren zu verursachen. Aufgrund der Wirkung unseres eigentlichen Schweißens ist die Wirkung des Schutzes mit Argon natürlich nicht schlecht.
Die Auswirkung der Plasmawolke auf das Eindringen ist im Bereich niedriger Schweißgeschwindigkeit am offensichtlichsten. Mit zunehmender Schweißgeschwindigkeit nehmen die Auswirkungen ab.
Das Schutzgas wird mit einem bestimmten Druck durch die Düse auf die Oberfläche des Werkstücks ausgestoßen. Die hydrodynamische Form der Düse und der Durchmesser des Auslasses sind sehr wichtig. Es muss groß genug sein, um das gesprühte Schutzgas zur Abdeckung der Schweißfläche anzutreiben. Um jedoch die Linse wirksam zu schützen und zu verhindern, dass Metalldampfverschmutzung oder Metallspritzer die Linse beschädigen, muss auch die Düsengröße begrenzt werden. Die Strömungsgeschwindigkeit muss ebenfalls gesteuert werden, da sonst die laminare Strömung des Schutzgases turbulent wird, die Atmosphäre in das geschmolzene Becken gezogen wird und schließlich Poren gebildet werden.
Um die Schutzwirkung zu verbessern, kann auch ein zusätzliches Seitenblasverfahren verwendet werden, dh ein Schutzgas wird direkt in das kleine Loch des Tiefschweißens durch eine Düse mit kleinem Durchmesser in einem bestimmten Winkel injiziert. Das Schutzgas unterdrückt nicht nur die Plasmawolke auf der Oberfläche des Werkstücks, sondern übt auch einen Einfluss auf das Plasma in den Löchern und die Bildung kleiner Löcher aus, und die Eindringtiefe wird weiter erhöht, um eine ideale Schweißnaht mit einer Tiefe zu erhalten. zu Breitenvergleich. Dieses Verfahren erfordert jedoch eine genaue Steuerung der Größe und Richtung des Gasstroms, da sonst wahrscheinlich Turbulenzen auftreten und das geschmolzene Becken beschädigen, was es schwierig macht, den Schweißprozess zu stabilisieren.
(6)Brennweite des Objektivs. Beim Schweißen wird normalerweise die Fokussierung verwendet, um den Laser zu konvergieren. Im Allgemeinen wird eine Linse mit einer Brennweite von 63 bis 254 mm (2,5&"~ 10 GG") verwendet. Die Brennfleckgröße ist direkt proportional zur Brennweite. Je kürzer die Brennweite ist, desto kleiner ist der Brennpunkt. Die Brennweite wirkt sich jedoch auch auf die Brennweite aus, dh die Brennweite nimmt synchron mit der Brennweite zu, so dass eine kurze Brennweite die Leistungsdichte erhöhen kann. Da die Brennweite jedoch gering ist, ist der Abstand zwischen Objektiv und Objektiv Das Werkstück muss genau gewartet werden und die Eindringtiefe ist nicht groß. Aufgrund der Auswirkungen von Spritzern und Lasermoden, die beim Schweißen erzeugt werden, beträgt die kürzeste Brennweite, die beim eigentlichen Schweißen verwendet wird, meist eine Brennweite von 126 mm. Wenn die Naht groß ist oder die Schweißnaht durch Erhöhen der Punktgröße vergrößert werden muss, wählen Sie eine Linse mit einer Brennweite von 254 mm. In diesem Fall ist eine höhere Laserausgangsleistung (Leistungsdichte) erforderlich, um den Deep-Melt-Pinhole-Effekt zu erzielen.
Wenn die Laserleistung 2 kW überschreitet, insbesondere für den CO2-Laserstrahl von 10,6 um, aufgrund der Verwendung spezieller optischer Materialien zur Bildung des optischen Systems, um das Risiko einer optischen Beschädigung der Fokussierlinse zu vermeiden, wird das Reflexionsfokussierungsverfahren angewendet häufig verwendete und polierte Kupferspiegel werden im Allgemeinen als Spiegel verwendet. Aufgrund seiner effektiven Kühlung wird es häufig für die Hochleistungs-Laserstrahlfokussierung empfohlen.
(7)Fokusposition. Um während des Schweißens eine ausreichende Leistungsdichte aufrechtzuerhalten, ist die Fokusposition kritisch. Die Änderung der relativen Position des Fokus und der Werkstückoberfläche wirkt sich direkt auf die Breite und Tiefe der Schweißnaht aus.
Bei den meisten Laserschweißanwendungen wird die Position des Brennpunkts normalerweise auf etwa 1/4 der erforderlichen Eindringtiefe unter der Oberfläche des Werkstücks eingestellt.
(8)Position des Laserstrahls. Beim Laserschweißen verschiedener Materialien steuert die Position des Laserstrahls die endgültige Qualität der Schweißnaht, insbesondere bei Stoßverbindungen, die empfindlicher sind als bei Überlappungsverbindungen. Wenn beispielsweise Zahnräder aus gehärtetem Stahl an kohlenstoffarme Stahlfässer geschweißt werden, ist die korrekte Steuerung der Position des Laserstrahls für die Herstellung von Schweißnähten von Vorteil, die hauptsächlich aus kohlenstoffarmen Bauteilen bestehen und eine bessere Rissbeständigkeit aufweisen. In einigen Anwendungen erfordert die Geometrie des geschweißten Werkstücks, dass der Laserstrahl um einen Winkel abgelenkt wird. Wenn der Ablenkwinkel zwischen der Strahlachse und der Verbindungsebene innerhalb von 100 Grad liegt, wird die Absorption von Laserenergie durch das Werkstück&nicht beeinflusst.
(9)Die Laserleistung zu Beginn und am Ende des Schweißens wird schrittweise gesteuert. Beim Laser-Tiefschweißen sind unabhängig von der Tiefe der Schweißnaht immer kleine Löcher vorhanden. Wenn der Schweißvorgang beendet und der Netzschalter ausgeschaltet ist, erscheinen am Ende der Schweißnaht Grübchen. Wenn die Laserschweißschicht die ursprüngliche Schweißnaht bedeckt, kann außerdem eine übermäßige Absorption des Laserstrahls auftreten, was zu einer Überhitzung des Schweißteils oder zur Erzeugung von Porosität führt.
TUm das Auftreten des oben genannten Phänomens zu verhindern, kann ein Programm für die Start- und Endpunkte der Leistung erstellt werden, so dass die Start- und Endzeit der Leistung eingestellt werden kann, dh die Startleistung von Null auf erhöht wird der eingestellte Leistungswert in kurzer Zeit durch elektronische Methoden, und das Schweißen wird zeitlich angepasst, und schließlich wird die Leistung allmählich von der eingestellten Leistung auf Null reduziert, wenn das Schweißen beendet ist.
3.Merkmale, Vor- und Nachteile des Laser-Tiefschweißens
(1)Eigenschaften des Laser-Tiefschweißens
①Hohes Seitenverhältnis. Da sich die Metallschmelze um den zylindrischen Hochtemperatur-Dampfhohlraum bildet und sich zum Werkstück hin erstreckt, wird die Schweißnaht tief und schmal.
②Minimaler Wärmeeintrag. Da die Temperatur in den kleinen Löchern sehr hoch ist, erfolgt der Schmelzprozess sehr schnell, der Wärmeeintrag in das Werkstück ist sehr gering und die Wärmeverformungs- und Wärmeeinflusszone ist gering.
③Hohe Dichte. Weil die kleinen Löcher, die mit Hochtemperaturdampf gefüllt sind, das Rühren des Schweißbades und das Entweichen von Gas begünstigen, was zur Bildung porenfreier Durchdringungsschweißnähte führt. Die hohe Abkühlrate nach dem Schweißen erleichtert die Miniaturisierung der Schweißnahtstruktur.
④Starke Schweißnähte. Aufgrund der heißen Wärmequelle und der ausreichenden Absorption nichtmetallischer Komponenten wird der Gehalt an Verunreinigungen verringert, die Größe der Einschlüsse und ihre Verteilung im geschmolzenen Pool werden geändert. Der Schweißprozess erfordert keine Elektroden oder Zusatzdrähte, und die Schmelzzone ist weniger verschmutzt, wodurch die Schweißfestigkeit und Zähigkeit mindestens gleich oder sogar größer als das Grundmetall sind.
⑤Präzise Kontrolle. Da der Brennpunkt klein ist, kann die Schweißnaht mit hoher Genauigkeit positioniert werden. Die Laserleistung hat kein&"Trägheit GG"; und kann bei hohen Geschwindigkeiten gestoppt und neu gestartet werden. Die CNC-Strahlbewegungstechnologie kann komplexe Werkstücke schweißen.
⑥Berührungsloser Atmosphärenschweißprozess. Da die Energie vom Photonenstrahl kommt und kein physikalischer Kontakt mit dem Werkstück besteht, wird keine äußere Kraft auf das Werkstück ausgeübt. Außerdem haben sowohl Magnet als auch Luft keinen Einfluss auf den Laser.
(2)AVorteile des Laser-Tiefschweißens
①Fokussierte Laser haben eine viel höhere Leistungsdichte als herkömmliche Verfahren, was zu schnelleren Schweißgeschwindigkeiten, weniger Wärmeeinflusszonen und Verformungen sowie zum Schweißen schwer zu schweißender Materialien wie Titan führt.
②Da der Strahl leicht zu übertragen und zu steuern ist, müssen Schweißbrenner und Düse nicht häufig gewechselt werden, und für das Elektronenstrahlschweißen ist kein Vakuum erforderlich, wodurch die Hilfszeit für das Abschalten, also der Lastfaktor und die Produktionseffizienz erheblich reduziert werden sind hoch.
③Aufgrund des Reinigungseffekts und der hohen Abkühlrate weist die Schweißnaht eine hohe Festigkeit, Zähigkeit und umfassende Leistung auf.
④Aufgrund des geringen durchschnittlichen Wärmeeintrags und der hohen Bearbeitungsgenauigkeit können die Wiederaufbereitungskosten reduziert werden. Darüber hinaus sind auch die Betriebskosten für das Laserschweißen niedriger, wodurch die Kosten für die Werkstückbearbeitung gesenkt werden können.
⑤Es kann die Strahlintensität und die Feinpositionierung effektiv steuern und es ist einfach, einen automatischen Betrieb zu realisieren.
(3)Nachteile des Laser-Tiefschweißens
①WEldiefeistBegrenzt.
②Die Anforderungen an die Werkstückmontage sind hoch.
③One-time Investition in Lasersystemeist hoch.