1.Principledi lsaldatura aser
La saldatura laser può essere ottenuta mediante raggi laser continui o pulsati. Il principio della saldatura laser può essere suddiviso in saldatura a conduzione termica e saldatura a penetrazione profonda laser. Quando la densità di potenza è inferiore a 104 ~ 105 W / cm2, si tratta di saldatura a conduzione termica. A questo punto, la profondità di saldatura è bassa e la velocità di saldatura è lenta. Quando la densità di potenza è superiore a 105 ~ 107 W / cm2, la superficie metallica viene incassata in una cavità" sotto l'azione del calore, formando una saldatura di fusione profonda. Rapporto d'aspetto veloce e ampio.
Il principio della saldatura laser a conduzione termica è: la radiazione laser riscalda la superficie da lavorare e il calore superficiale viene diffuso all'interno per conduzione termica. Controllando i parametri del laser come l'ampiezza dell'impulso laser, l'energia, la potenza di picco e la frequenza di ripetizione, il pezzo viene fuso per formare uno specifico bagno fuso.
Macchine per saldatura laserper la saldatura di ingranaggi e la saldatura di lamiere metallurgiche coinvolgono principalmente la saldatura a penetrazione profonda del laser. Quanto segue si concentra sul principio della saldatura laser a penetrazione profonda.
La saldatura laser a penetrazione profonda utilizza generalmente un raggio laser continuo per completare la connessione dei materiali. Il processo fisico metallurgico è molto simile alla saldatura a fascio di elettroni, ovvero il meccanismo di conversione dell'energia viene completato tramite un"" struttura. Sotto un'irradiazione laser a densità di potenza sufficientemente elevata, il materiale evapora e forma piccoli fori. Questo buco pieno di vapore è come un corpo nero, che assorbe quasi tutta l'energia del raggio incidente. La temperatura di equilibrio nella cavità raggiunge circa 2500 ° C. Il calore viene trasferito dalla parete esterna della cavità ad alta temperatura, che fonde il metallo che circonda la cavità. Il piccolo foro è riempito con vapore ad alta temperatura generato dalla continua evaporazione del materiale della parete sotto la trave. Le quattro pareti del piccolo foro circondano il metallo fuso e il metallo liquido circonda il materiale solido. (Nella maggior parte dei processi di saldatura convenzionali e saldatura a conduzione laser, l'energia viene prima (depositata sulla superficie del pezzo in lavorazione e quindi trasferita all'interno mediante trasferimento). Il flusso del liquido e la tensione superficiale della parete all'esterno della parete dei pori sono coerenti con il vapore pressione generata continuamente nella cavità dei pori e mantenere l'equilibrio dinamico. Il raggio di luce entra continuamente nel piccolo foro e il materiale all'esterno del piccolo foro scorre continuamente. Mentre il raggio di luce si muove, il piccolo foro è sempre in uno stato di flusso costante. Cioè, il piccolo foro e il metallo fuso che circonda la parete del foro si muovono in avanti con la velocità di avanzamento della trave principale. Il metallo fuso riempie lo spazio lasciato dopo che il piccolo foro è stato rimosso e si condensa con esso, e si forma una saldatura. di questo avviene così rapidamente che la velocità di saldatura può raggiungere facilmente diversi metri al minuto.
2.I principali parametri di processo della saldatura laser a penetrazione profonda
(1)Potenza del laser. Esiste una soglia di densità di energia laser nella saldatura laser. Al di sotto di questo valore, la profondità di penetrazione è molto bassa. Una volta raggiunto o superato questo valore, la profondità di penetrazione sarà notevolmente aumentata. Il plasma viene generato solo quando la densità di potenza del laser sul pezzo in lavorazione supera una soglia (dipendente dal materiale), che indica una saldatura a penetrazione profonda stabile. Se la potenza del laser è inferiore a questa soglia, si verifica solo la fusione superficiale del pezzo, ovvero la saldatura viene eseguita in un tipo di conduzione termica stabile. Tuttavia, quando la densità di potenza del laser è vicina alla condizione critica per la formazione di piccoli fori, si alternano saldatura a penetrazione profonda e saldatura conduttiva, che diventa un processo di saldatura instabile, con conseguenti ampie fluttuazioni nella profondità di penetrazione. Nella saldatura profonda laser, la potenza del laser controlla sia la profondità di penetrazione che la velocità di saldatura. La profondità di penetrazione della saldatura è direttamente correlata alla densità di potenza del raggio ed è una funzione della potenza del raggio incidente e del punto focale del raggio. In generale, per un raggio laser di un certo diametro, la profondità di penetrazione aumenta all'aumentare della potenza del raggio.
(2)Punto focale del raggio. La dimensione del punto del fascio è una delle variabili più importanti per la saldatura laser perché determina la densità di potenza. Ma per i laser ad alta potenza, la sua misurazione è un problema difficile, sebbene esistano già molte tecniche di misurazione indiretta.
La dimensione del punto limite di diffrazione del fascio può essere calcolata secondo la teoria della diffrazione della luce, ma a causa dell'aberrazione della lente di focalizzazione, la dimensione effettiva del punto è maggiore del valore calcolato. Il metodo di misurazione più semplice è il profilo isotermico, che misura il punto focale e il diametro della perforazione dopo aver bruciato e penetrato un pannello di polipropilene con carta spessa. Questo metodo consiste nel misurare la potenza del laser e il tempo del raggio attraverso la pratica di misurazione.
(3)Valore di assorbimento del materiale. L'assorbimento di un laser da parte di un materiale dipende da alcune proprietà importanti del materiale, come assorbimento, riflettività, conduttività termica, temperatura di fusione, temperatura di evaporazione, ecc. La più importante di queste è l'assorbibilità.
I fattori che influenzano il tasso di assorbimento di un raggio laser per materiale includono due aspetti: primo, la resistività&del materiale. Dopo aver misurato l'assorbanza della superficie levigata del materiale, si trova che l'assorbanza del materiale è proporzionale alla radice quadrata della resistività, e la resistività varia con la temperatura e cambia; in secondo luogo, lo stato superficiale (o levigatezza) del materiale ha un'influenza più importante sulla velocità di assorbimento del raggio, che ha un effetto significativo sull'effetto di saldatura.
La lunghezza d'onda di uscita di un laser CO2 è solitamente di 10,6 μm. I non metalli come ceramica, vetro, gomma e plastica hanno un alto tasso di assorbimento a temperatura ambiente ei materiali metallici hanno uno scarso assorbimento a temperatura ambiente fino a quando il materiale non si scioglie e persino il gas Il suo assorbimento è aumentato notevolmente.
È molto efficace per migliorare l'assorbimento del fascio luminoso mediante il metodo del rivestimento superficiale o la formazione di una pellicola di ossido sulla superficie.
(4)Velocità di saldatura. La velocità di saldatura ha un impatto maggiore sulla profondità di penetrazione. Aumentando la velocità la profondità di penetrazione diminuirà, ma una velocità troppo bassa provocherà una fusione eccessiva del materiale e la saldatura del pezzo. Pertanto, esiste un intervallo di velocità di saldatura adatto per un certo materiale con una certa potenza laser e un certo spessore, e la massima profondità di penetrazione può essere ottenuta al valore di velocità corrispondente.
(5)Gas protettivo. Il processo di saldatura laser utilizza spesso gas inerte per proteggere il bagno di fusione. Quando alcuni materiali vengono saldati, l'ossidazione superficiale può essere ignorata, ma la protezione non viene presa in considerazione, ma per la maggior parte delle applicazioni vengono spesso utilizzati elio, argon, azoto e altri gas per proteggere il pezzo in lavorazione. Protetto dall'ossidazione durante la saldatura.
L'elio non è facilmente ionizzato (maggiore energia di ionizzazione), il che consente al laser di passare agevolmente e l'energia del raggio raggiunge la superficie del pezzo senza ostacoli. Questo è il gas di protezione più efficace utilizzato nella saldatura laser, ma è più costoso.
L'argon è più economico e ha una densità maggiore, quindi l'effetto protettivo è migliore. Tuttavia, è suscettibile alla ionizzazione al plasma metallico ad alta temperatura. Di conseguenza, protegge parte del raggio di luce dall'irradiazione sul pezzo in lavorazione, riducendo l'effettiva potenza del laser per la saldatura e danneggiando la velocità e la penetrazione della saldatura. Le superfici delle saldature protette con argon sono più lisce di quelle protette con elio.
L'azoto è il gas più economico come gas di protezione, ma non è adatto per la saldatura di alcuni tipi di acciaio inossidabile, principalmente a causa di problemi metallurgici, come l'assorbimento, e talvolta si creano pori nell'area di sovrapposizione.
Il secondo ruolo dell'utilizzo di un gas protettivo è proteggere la lente di focalizzazione dalla contaminazione da vapori metallici e dallo sputtering di goccioline di liquido. Soprattutto durante la saldatura laser ad alta potenza, poiché l'espulsione diventa molto potente, è più necessario proteggere l'obiettivo in questo momento.
La terza funzione del gas di protezione è quella di dissipare efficacemente lo schermo al plasma generato dalla saldatura laser ad alta potenza. Il vapore metallico assorbe il raggio laser e ionizza in una nuvola di plasma. Anche il gas protettivo che circonda il vapore metallico viene ionizzato mediante riscaldamento. Se c'è troppo plasma, il raggio laser viene consumato dal plasma in una certa misura. Il plasma esiste sulla superficie di lavoro come seconda energia, il che rende la penetrazione meno profonda e la superficie del bagno di saldatura più ampia. La velocità di ricombinazione elettronica viene aumentata aumentando la collisione degli elettroni con ioni e atomi neutri, in modo da ridurre la densità elettronica nel plasma. Più leggero è l'atomo neutro, maggiore è la frequenza di collisione e maggiore è la velocità di ricombinazione; d'altra parte, solo il gas protettivo con un'elevata energia di ionizzazione non aumenterà la densità di elettroni a causa della ionizzazione del gas stesso.
L'elio ha la ionizzazione più bassa e la densità più bassa e può rimuovere rapidamente il vapore metallico in aumento generato dalla piscina di metallo fuso. Pertanto, l'utilizzo dell'elio come gas protettivo può sopprimere il plasma al massimo, aumentando così la profondità di penetrazione e la velocità di saldatura; può fuoriuscire a causa della sua leggerezza e non è facile causare pori. Ovviamente, dall'effetto della nostra attuale saldatura, l'effetto della protezione con argon non è male.
L'effetto della nuvola di plasma sulla penetrazione è più evidente nella regione a bassa velocità di saldatura. All'aumentare della velocità di saldatura, i suoi effetti diminuiscono.
Il gas protettivo viene espulso sulla superficie del pezzo attraverso l'ugello con una certa pressione. La forma idrodinamica dell'ugello e il diametro dell'uscita sono molto importanti. Deve essere abbastanza grande da guidare il gas protettivo spruzzato per coprire la superficie di saldatura, ma per proteggere efficacemente la lente ed evitare che l'inquinamento da vapori metallici o spruzzi di metallo danneggino la lente, anche la dimensione dell'ugello deve essere limitata. Anche la portata deve essere controllata, altrimenti il flusso laminare del gas protettivo diventa turbolento, l'atmosfera viene aspirata nella vasca di fusione e alla fine si formano dei pori.
Al fine di migliorare l'effetto di protezione, è possibile utilizzare anche un metodo di soffiaggio laterale aggiuntivo, ovvero un gas protettivo viene iniettato direttamente nel piccolo foro di saldatura a penetrazione profonda attraverso un ugello di piccolo diametro con una certa angolazione. Il gas di protezione non solo sopprime la nuvola di plasma sulla superficie del pezzo, ma esercita anche un'influenza sul plasma all'interno dei fori e la formazione di piccoli fori, e la profondità di penetrazione viene ulteriormente aumentata per ottenere una saldatura ideale con una profondità- confronto alla larghezza. Tuttavia, questo metodo richiede un controllo preciso dell'ampiezza e della direzione del flusso di gas, altrimenti è probabile che si verifichi turbolenza e danneggi il bagno di fusione, il che rende difficile stabilizzare il processo di saldatura.
(6)Lunghezza focale dell'obiettivo. Durante la saldatura, la messa a fuoco viene solitamente utilizzata per far convergere il laser. Generalmente, viene utilizzato un obiettivo con una lunghezza focale di 63 ~ 254 mm (2,5" ~ 10"). La dimensione della macchia focale è direttamente proporzionale alla lunghezza focale. Minore è la lunghezza focale, minore è la macchia focale. Tuttavia, la lunghezza focale influisce anche sulla profondità focale, ovvero la profondità focale aumenta in modo sincrono con la lunghezza focale, quindi una lunghezza focale corta può aumentare la densità di potenza, ma poiché la profondità focale è piccola, la distanza tra l'obiettivo e il il pezzo deve essere mantenuto con precisione e la profondità di penetrazione non è grande. A causa degli effetti degli schizzi e delle modalità laser generate durante la saldatura, la profondità focale più corta utilizzata nella saldatura effettiva è principalmente una lunghezza focale di 126 mm (5 pollici). Quando la cucitura è grande o è necessario aumentare la saldatura aumentando la dimensione del punto, scegliere una lente con una lunghezza focale di 254 mm (10 "). In questo caso, per ottenere l'effetto pinhole di fusione profonda, è necessaria una maggiore potenza di uscita del laser (densità di potenza).
Quando la potenza del laser supera i 2kW, specialmente per il raggio laser CO2 di 10,6μm, a causa dell'uso di speciali materiali ottici per formare il sistema ottico, al fine di evitare il rischio di danni ottici alla lente di focalizzazione, il metodo di focalizzazione a riflessione è spesso usati, e gli specchi in rame lucido sono generalmente usati come specchi. A causa del suo efficace raffreddamento, è spesso consigliato per la focalizzazione del raggio laser ad alta potenza.
(7)Posizione di messa a fuoco. Per mantenere una densità di potenza sufficiente durante la saldatura, la posizione di messa a fuoco è fondamentale. Il cambiamento della posizione relativa del fuoco e della superficie del pezzo influisce direttamente sulla larghezza e profondità della saldatura.
Nella maggior parte delle applicazioni di saldatura laser, la posizione del punto focale è solitamente impostata a circa 1/4 della profondità di penetrazione richiesta sotto la superficie del pezzo.
(8)Posizione del raggio laser. Durante la saldatura laser di materiali diversi, la posizione del raggio laser controlla la qualità finale della saldatura, soprattutto nel caso di giunti di testa, che sono più sensibili rispetto al caso di giunti a sovrapposizione. Ad esempio, quando gli ingranaggi in acciaio temprato vengono saldati a tamburi in acciaio a basso tenore di carbonio, il corretto controllo della posizione del raggio laser sarà vantaggioso per la produzione di saldature composte principalmente da componenti a basso tenore di carbonio, che hanno una migliore resistenza alle cricche. In alcune applicazioni, la geometria del pezzo saldato richiede che il raggio laser venga deviato di un angolo. Quando l'angolo di deflessione tra l'asse del raggio e il piano del giunto è entro 100 gradi, l'assorbimento di energia laser del pezzo&non sarà influenzato.
(9)La potenza del laser all'inizio e alla fine della saldatura viene controllata gradualmente. Nella saldatura profonda laser, i fori di spillo esistono sempre indipendentemente dalla profondità della saldatura. Quando il processo di saldatura è terminato e l'interruttore di alimentazione è spento, appariranno delle fossette alla fine della saldatura. Inoltre, quando lo strato di saldatura laser copre il cordone di saldatura originale, può verificarsi un assorbimento eccessivo del raggio laser, con conseguente surriscaldamento della saldatura o generazione di porosità.
To per evitare che si verifichi il fenomeno sopra menzionato, si può fare un programma per i punti di inizio e fine della potenza, in modo da poter regolare l'ora di inizio e fine della potenza, cioè la potenza di partenza viene aumentata da zero a il valore di potenza impostato in breve tempo con metodi elettronici, e la saldatura viene regolata nel tempo, e infine la potenza viene gradualmente ridotta dalla potenza impostata a zero quando la saldatura è terminata.
3.Caratteristiche, vantaggi e svantaggi della saldatura a fusione profonda laser
(1)Caratteristiche della saldatura laser a penetrazione profonda
①Rapporto d'aspetto elevato. Poiché il metallo fuso è formato attorno alla cavità cilindrica del vapore ad alta temperatura e si estende verso il pezzo in lavorazione, il cordone di saldatura diventa profondo e stretto.
②Portata termica minima. Poiché la temperatura nei piccoli fori è molto alta, il processo di fusione avviene molto rapidamente, l'apporto di calore al pezzo è molto basso e la distorsione termica e la zona interessata dal calore sono piccole.
③Alta densità. Perché i piccoli fori riempiti con vapore ad alta temperatura favoriscono l'agitazione del bagno di saldatura e la fuoriuscita di gas, con conseguente formazione di saldature di penetrazione prive di pori. L'elevata velocità di raffreddamento dopo la saldatura facilita la miniaturizzazione della struttura della saldatura.
④Saldature forti. A causa della fonte di calore calda e del sufficiente assorbimento dei componenti non metallici, il contenuto di impurità viene ridotto, la dimensione delle inclusioni e la loro distribuzione nel bagno fuso vengono modificate. Il processo di saldatura non richiede elettrodi o fili di apporto e la zona di fusione è meno inquinata, rendendo la resistenza e la tenacità della saldatura almeno equivalente o addirittura superiore al metallo di base.
⑤Controllo preciso. Poiché il punto focale è piccolo, la saldatura può essere posizionata con elevata precisione. L'uscita del laser non ha" inerzia" e può essere arrestato e riavviato ad alta velocità. La tecnologia di spostamento del raggio CNC può saldare pezzi complessi.
⑥Processo di saldatura in atmosfera senza contatto. Poiché l'energia proviene dal fascio di fotoni e non vi è alcun contatto fisico con il pezzo in lavorazione, al pezzo in lavorazione non viene applicata alcuna forza esterna. Inoltre, sia il magnetico che l'aria non hanno alcun effetto sul laser.
(2)Avantaggi della saldatura laser profonda
①I laser focalizzati hanno una densità di potenza molto più elevata rispetto ai metodi convenzionali, con conseguenti velocità di saldatura più elevate, meno zone termicamente alterate e deformazioni e saldatura di materiali difficili da saldare come il titanio.
②Poiché il raggio è facile da trasmettere e controllare, non è necessario cambiare frequentemente la torcia di saldatura e l'ugello e non è richiesto il vuoto per la saldatura a fascio di elettroni, il che riduce significativamente il tempo ausiliario per lo spegnimento, quindi il fattore di carico e l'efficienza della produzione sono alti.
③A causa dell'effetto di purificazione e dell'elevata velocità di raffreddamento, la saldatura ha un'elevata resistenza, tenacità e prestazioni complete.
④Grazie al basso apporto di calore medio e all'elevata precisione di lavorazione, i costi di ritrattamento possono essere ridotti; inoltre, anche i costi delle operazioni di saldatura laser sono inferiori, il che può ridurre i costi di lavorazione del pezzo.
⑤Può controllare efficacemente l'intensità del raggio e il posizionamento preciso ed è facile realizzare il funzionamento automatico.
(3)Svantaggi della saldatura laser profonda
①Wprofondità di campoèLimitato.
②I requisiti di assemblaggio del pezzo sono elevati.
③Oinvestimento in tempo reale in sistemi laserè alto.