Механизм лазерной сварки
Существуют различные типы лазерных сварных соединений, как показано на рисунке 0.4. Стыковые и нахлестные соединения обычно свариваются лазерами PW или CW. Виды швов выбирают в зависимости от способа сварки и толщины листа. Идеальный шов обеспечивает необходимую прочность и структурное качество без излишне большого объема шва. Стоимость пайки увеличивается с размером соединения, а более высокое тепловложение приводит к проблемам с ударопрочностью и деформацией. Совместная подготовка также может быть дорогостоящей; поэтому предпочтительнее использовать типы соединений, грани которых являются частью детали. В данной работе использовались соединения встык и внахлест. Рисунок 0.4Примеры типов соединений лазерной сварки.
В зависимости от времени лазерного воздействия и плотности мощности формируется точечный или валиковый шов по морфологии типа теплопроводности или типа замочной скважины. Когда лазерный луч проецируется на металлическую пластину линзой или зеркалом в точке диаметром всего несколько десятых миллиметра для обеспечения высокой плотности энергии, поглощение лазерной энергии вызывается взаимодействием со свободными электронами в металле. перенос электронов внутри зоны и взаимодействие движущихся электронов с металлической решеткой, дефектами, несовершенствами и потенциальными возмущениями. Температура поверхности пластины увеличивается за счет перехода лазерной энергии в тепловую. 11 Поглощение лазера незначительно увеличивается с повышением температуры в твердом теле и значительно выше температуры плавления, а температура зоны, облучаемой лазером, возрастает вплоть до температуры кипения. Полость или замочная скважина образуется за счет давления отдачи из-за испарения. Рисунок 0.5 Механизм лазерной сварки. Она увеличивается с температурой и состоянием поверхности. Поскольку поглощение лазера чрезвычайно велико из-за многократных отражений в направлении внутри в случае формирования замочной скважины, сварка глубокого проплавления типа замочной скважины считается эффективным процессом соединения. Яркий шлейф атомов и паров испаренного металла выбрасывается из облучаемой лазером детали, а именно из замочной скважины. Выброс капель расплавленного металла, вызванный сильным током выбрасываемого факела, иногда происходит у входа в замочную скважину.
Как и на третьем этапе, для предотвращения реакции воздуха с материалом и защиты линзы от брызг и паров использовался защитный газ на основе аргона. Как только балка сдвинулась и подача тепла прервалась, металл быстро затвердевает, потому что нагреваемая площадь мала. Поэтому размер зоны термического влияния также невелик, а деформация незначительна. Проплавление сварного шва зависит от выходной мощности лазера. Присадочный материал не используется, за исключением гибридной сварки. Скорость сварки зависит от мощности лазера и может быть высокой при сварке тонких материалов: до 10-50 м/мин, а при сварке листов даже 100 м/мин. Другими словами, лазерная сварка выполняется быстро; примерно вдвое быстрее, чем плазменная сварка, и в восемь раз быстрее, чем сварка TIG. Высокопрочные беспористые сварные швы, превосходные допуски на размеры и высокая производительность делают этот метод превосходящим большинство других во многих областях применения. Кроме того, лазерная сварка является чистой и бесшумной. Как и электронно-лучевая сварка (ЭЛС), лазерная сварка имеет высокую удельную мощность (порядка 1 МВт/см2), что приводит к небольшим зонам термического влияния и быстрому нагреву и охлаждению. Размер пятна лазера может варьироваться от 0,2 мм до 13 мм, хотя для сварки используются только меньшие размеры. Глубина проникновения пропорциональна количеству подаваемой энергии, но также зависит от местоположения фокуса.
Проникновение максимальное, когда фокус находится немного ниже поверхности детали. Сварные швы с глубоким проплавлением эффективно производятся с помощью лазерной сварки CW высокой мощности. Глубина проплавления сварных швов из нержавеющей стали, выполненных волоконными лазерами с разным диаметром луча при мощности 6 и 10 кВт в защитном газе Ar. При сварке высокомощным волоконным лазером глубокое проплавление может быть достигнуто даже при использовании защитного газа Ar, хотя проплавление уменьшается из-за поглощения обратного тормозного излучения за счет образования плазмы газа Ar в случае защиты Ar при сварке CO2-лазером. Провар снижается с увеличением скорости сварки, а на высоких скоростях он глубже при более высокой плотности мощности для меньшего диаметра луча. Понятно, что влияние мощности лазера преобладает на низких скоростях. Проникновение глубже при 10 кВт, чем при 6 кВт при скоростях ниже 3 м/мин (50 мм/с). При низкой скорости сварки легко образуется пористость, а при высокой скорости пористость избегается, но возникают неровности или брызги, приводящие к недоливу, в зависимости от меньшего или большего диаметра пучка соответственно. При определенных условиях дефекты сварки, такие как пористость, трещины, вмятины, недоливы и т. легко образуются. Недостатком лазерной сварки является то, что низкое отношение ширины к глубине геометрии сварного шва может привести к термическим трещинам, особенно при сварке высокоуглеродистых сталей. Кроме того, закаленные стали могут быть локально упрочнены за счет быстрой скорости охлаждения. Поскольку лазерный луч имеет диаметр всего несколько десятых миллиметра, этот метод чувствителен к допускам и поэтому требует очень точных приспособлений и приспособлений. Однако более тонкие материалы часто можно сваривать внахлестку, что снижает требования к точности. Инвестиционные затраты высоки, но цены падают, и можно ожидать, что в будущем лазерная сварка будет использоваться намного шире. Лазерная сварка часто используется для сварки материалов, которые могут выдерживать только небольшое подвод тепла, например, некоторых нержавеющих сталей и закаленных материалов, или для сварки компонентов в электронной промышленности. Этот метод также используется, когда сложные детали требуют высокой точности, например, в автомобильной, общей машиностроительной и аэрокосмической промышленности.
Как в условиях низкого, так и в условиях высокого вакуума можно производить сварные швы с чрезвычайно глубоким проплавлением, как показано на рисунке 0.8. Глубина проплавления лазерных сварных швов, полученных на низкой скорости в вакууме (даже в условиях низкого вакуума), сравнима с таковой для электронно-лучевых швов. Лазерная сварка также применима для соединения одинаковых или разнородных пластмасс, разнородных металлов, таких как чугуны и стали, стали и алюминиевых сплавов или металлов и пластмасс. Мониторинг в процессе, датчики на линии или адаптивная система управления во время лазерной сварки необходимы для получения надежного высококачественного лазерного шва. Отражение лазерный луч и тепловое излучение от облученной лазером детали и расплавленной ванны являются важными кандидатами для контроля сигналов. Последние также используются для обратной связи или адаптивного управления. Непосредственное наблюдение явлений при лазерной сварке также важно для понимания механизмов образования сварочных дефектов. В последнее время в этих исследованиях был достигнут большой прогресс, и системы стали использоваться в практических приложениях.
Характеристики лазерной сварки
Лазерная сварка представляет собой метод с высокой плотностью энергии, который обеспечивает следующие характеристики: сварные швы обычно выполняются встык; швы узкие, с высоким отношением проплавления к глубине; подготовка стыка должна производиться тщательно, обеспечивая точное позиционирование; необходим тщательный контроль траектории луча вдоль стыка; производительность может быть высокой по сравнению с обычными методами; низкое в абсолютном выражении тепловложение, что приводит к низким остаточным напряжениям и малой деформации детали; воспроизводимость и допуски также хорошие, так как метод механизирован; можно сваривать многие сложные материалы и комбинации материалов; Этот метод идеально подходит для герметизации вакуумных камер.Практически одновременно с внедрением лазерной техники в практику сварки, ученые стремились расширить применение методов сварки, таких как импульсные лазерные системы, лазерно-лучевая многократная техника и многочисленные варианты гибридной лазерной сварки. В дополнение к этим проверенным процедурам исследования сосредоточены на технологических манипуляциях, в которых используются системы оптического сканирования. Одной из характеристик этой технологии является периодическое колебание луча с помощью движущихся зеркал, интегрированных на пути луча между лазером и деталью. Тем самым, могут генерироваться различные модели колебаний, что позволяет напрямую влиять на выделение энергии.
Внутренняя структура системы сканера состоит из колеблющегося зеркала с водяным охлаждением, приводимого в движение двигателем постоянного тока. Амплитуды колебаний регулируются в зависимости от конкретного применения сварки. Ток возбуждения может иметь прямоугольную или треугольную форму с частотой от 150 Гц до 450 Гц и колеблется поперек направления сварки. Частота сигнала напрямую влияет на колебание зеркала. Лазерный луч, переданный по волокну, поступает в гальванометр в виде параллельного света после расширения и коллимации. Гальванометр контролирует направление движения луча через два вращающихся зеркала. Затем лазерный луч фокусируется на поверхности детали через линзу ????-θ. Наконец, сфокусированный лазерный луч с высокой плотностью энергии расплавляет материал. Путем колебания лазерного луча на высокой частоте с заданной амплитудой увеличивается область высокой интенсивности энергии. Это приводит к расширению замочной скважины во время лазерной сварки, поэтому в сварной шов вплавляется больше материала. Процесс становится менее критичным для воздушных зазоров и для позиционирования лазерного луча. Это колебание лазерного луча практически не требует снижения скорости сварки по сравнению с неколебательным процессом для достижения тех же проваров. Это можно объяснить тем, что при колебаниях доступная энергия используется более эффективно. При сварке без биения для комбинаций тонких листов встык всегда происходит потеря энергии через листы в случае полного провара. При осцилляции потери энергии меньше, а эффективность процесса выше. Путем колебания лазерного луча легче комбинировать листы с большим отношением толщины, даже до соотношения 3. Это означает, что, например, сочетание 0,8 и 2,4 мм можно сваривать вместе с плавным переходом. Сварка без переплетения фокальной точки также возможна, но этот процесс будет очень критичен для положения лазерного луча, и результирующий переход между двумя пластинами будет не очень плавным. Для образцов, нанесенных сканером (толщиной 2 мм), амплитуда была фиксированной (1 мм). Кроме того, управляющий ток был изменен с треугольника на квадрат, чтобы изучить влияние типа сигнала. Фокусное расстояние лазерного луча составляло 250 мм. В этой работе, особенно на втором этапе, траектории осциллирующего сканирующего лазера представляют собой квадратные и треугольные траектории, формируемые лазерным гальванометром. Кроме того, для третьего шага формировалась прямоугольная траектория движения лазерного луча.
Влияние защитных газов на процесс сварки
Защитные газы играют важную роль в защите металла шва от атмосферных загрязнений в процессе сварки. Эти газы играют важную роль в ряде аспектов сварки, включая характеристики сварного шва и микроструктуру свариваемых деталей. Поэтому важно понимать влияние сварочных защитных газов на различные материалы, и многие исследователи провели обширные исследования и эксперименты. Защитные газы в процессах лазерной сварки оказывают заметное влияние на общую производительность сварочной системы. Основной функцией этих газов является защита сварочной ванны от нежелательных реакций с атмосферными газами. Кислород, азот и водяной пар в окружающем воздухе могут вызвать загрязнение сварного шва. Таким образом, защита сварных швов всегда включает удаление потенциально реактивных газов вблизи сварного шва, что предотвращает неблагоприятное воздействие окружающей атмосферы на расплавленный металл. Защитный газ также взаимодействует с основным металлом и присадочным металлом и, таким образом, может изменить основные механические свойства зоны сварки, такие как прочность, ударная вязкость, твердость и коррозионная стойкость. Защитные газы также оказывают существенное влияние на формирование валика сварного шва и характер провара. Применение различных защитных газов может привести к различным профилям проплавления и сварного шва. Пористость шва является одним из наиболее распространенных дефектов сварки, связанных с защитной атмосферой. Поры могут быть точкой инициации распространения трещин в сварном соединении и могут значительно сократить срок службы соединений, подвергающихся динамическим нагрузкам. На третьем этапе в процессе сварки использовался защитный газ аргон при четырех различных уровнях давления для изучения его воздействия.
