Lazerli payvandlash printsipi
Lazerli payvandlash uzluksiz yoki impulsli lazer nurlari bilan amalga oshirilishi mumkin. Lazerli payvandlash printsipi issiqlik o'tkazuvchanligi payvandlash va lazer chuqur penetratsion payvandlashga bo'linishi mumkin. Quvvat zichligi 104 ~ 105 Vt / sm2 dan kam bo'lsa, bu issiqlik o'tkazuvchanligi payvandlash. Bu vaqtda penetratsiya chuqurligi sayoz va payvandlash tezligi sekin; quvvat zichligi 105 ~ 107 Vt / sm2 dan katta bo'lsa, metall yuzasi isitish orqali "bo'shliqlar" ga botib, chuqur penetratsion payvandlashni hosil qiladi, bu tez payvandlash tezligi va katta tomonlar nisbati xususiyatlariga ega.
Issiqlik o'tkazuvchanligi lazerli payvandlash printsipi: lazer nurlanishi ishlov beriladigan sirtni isitadi va sirt issiqligi issiqlik o'tkazuvchanligi orqali ichkariga tarqaladi. Lazer zarbasining kengligi, energiyasi, tepalik quvvati va takrorlanish chastotasi va boshqa lazer parametrlarini nazorat qilish orqali ishlov beriladigan qism ma'lum bir eritilgan hovuzni hosil qilish uchun eritiladi. .
Tishli payvandlash va metallurgiya yupqa plastinka payvandlash uchun ishlatiladigan lazerli payvandlash mashinasi asosan lazerli chuqur penetratsion payvandlashni o'z ichiga oladi. Quyida lazer chuqur penetratsion payvandlash printsipiga e'tibor qaratiladi.
Lazerli chuqur penetratsion payvandlash odatda materiallarni ulashni yakunlash uchun uzluksiz lazer nurlaridan foydalanadi va uning metallurgiya fizik jarayoni elektron nurli payvandlashga juda o'xshaydi, ya'ni energiyani aylantirish mexanizmi "kalit-teshik" strukturasi orqali yakunlanadi. Etarlicha yuqori quvvatli zichlikdagi lazer nurlanishida material bug'lanadi va kichik teshiklarni hosil qiladi. Bug 'to'la kichik teshik qora jismga o'xshaydi, u tushayotgan nurning deyarli barcha energiyasini o'zlashtiradi va bo'shliqdagi muvozanat harorati taxminan 2500 0C ga etadi. Issiqlik yuqori haroratli bo'shliqning tashqi devoridan bo'shliqni o'rab turgan metallni eritish uchun uzatiladi. Kichkina teshik devor materialining nurlanish nurlanishida uzluksiz bug'lanishi natijasida hosil bo'lgan yuqori haroratli bug 'bilan to'ldiriladi, kichik teshikning devorlari erigan metall bilan o'ralgan, suyuq metall esa qattiq materiallar bilan o'ralgan. Ko'pgina an'anaviy payvandlash jarayonlari va lazer o'tkazuvchanligi bilan payvandlashda energiya birinchi navbatda ishlov beriladigan qismning yuzasiga to'planadi va keyin uzatish orqali ichki qismga etkaziladi). Teshik devoridan tashqaridagi suyuqlik oqimi va devor qatlamining sirt tarangligi g'ovak bo'shlig'ida doimiy ravishda hosil bo'ladigan bug 'bosimi bilan dinamik muvozanatni saqlaydi. Nur doimiy ravishda kichik teshikka kiradi va kichik teshikdan tashqaridagi material doimiy ravishda oqadi. Nur harakatlanayotganda, kichik teshik doimo barqaror oqim holatida bo'ladi. Ya'ni, kichik teshik va teshik devorini o'rab turgan eritilgan metall etakchi nurning oldinga siljishi bilan oldinga siljiydi va eritilgan metall kichik teshikdan qolgan bo'shliqni to'ldiradi va keyin kondensatsiyalanadi, shuning uchun payvand choki hosil bo'ladi. Yuqoridagi jarayonning barchasi shu qadar tez sodir bo'ladiki, payvandlash tezligi daqiqada bir necha metrga osonlik bilan yetishi mumkin.
02
Lazerli chuqur penetratsion payvandlashning asosiy jarayon parametrlari
1) Lazer kuchi. Lazerli payvandlashda lazer energiyasi zichligining chegara qiymati mavjud. Ushbu qiymatdan pastroq, penetratsion chuqurlik juda sayoz. Ushbu qiymatga erishilgandan yoki oshib ketgandan so'ng, penetratsiya chuqurligi sezilarli darajada oshadi. Plazma faqat ishlov beriladigan qismdagi lazer quvvati zichligi chegara qiymatidan oshib ketganda hosil bo'ladi (materialga qarab), bu barqaror chuqur penetratsion payvandlash jarayonini belgilaydi. Agar lazer quvvati bu chegaradan past bo'lsa, ishlov beriladigan qismning faqat sirt erishi sodir bo'ladi, ya'ni barqaror issiqlik o'tkazuvchanligi bilan payvandlash amalga oshiriladi. Lazer quvvati zichligi kichik teshiklarning shakllanishi uchun kritik shartga yaqin bo'lganda, chuqur penetratsion payvandlash va o'tkazuvchan payvandlash navbatma-navbat amalga oshiriladi, bu esa beqaror payvandlash jarayoniga aylanadi, natijada penetratsiya chuqurligida katta dalgalanmalar paydo bo'ladi. Lazerli chuqur penetratsion payvandlash paytida lazer kuchi bir vaqtning o'zida penetratsiya chuqurligini va payvandlash tezligini nazorat qiladi. Payvandlashning kirib borishi to'g'ridan-to'g'ri nur quvvati zichligiga bog'liq bo'lib, yorug'lik nurining kuchi va nurning fokus nuqtasi funktsiyasidir. Umuman olganda, ma'lum bir diametrli lazer nurlari uchun nurning kuchi ortishi bilan penetratsiya chuqurligi ortadi.
2) Nurning fokusli nuqtasi. Nur nuqta o'lchami lazerli payvandlashda eng muhim o'zgaruvchilardan biri hisoblanadi, chunki u quvvat zichligini aniqlaydi. Ammo yuqori quvvatli lazerlar uchun uni o'lchash qiyin muammodir, garchi ko'plab bilvosita o'lchash usullari mavjud.
Nur fokusining diffraktsiya bilan cheklangan nuqta o'lchami yorug'lik difraksiyasi nazariyasiga ko'ra hisoblanishi mumkin, ammo fokuslash linzalari aberatsiyasi mavjudligi sababli, haqiqiy nuqta o'lchami hisoblangan qiymatdan kattaroqdir. Eng oddiy amaliy usul - bu izotermik profillash usuli bo'lib, u qalin qog'oz bilan polipropilen plitani yondirib, kirib borganidan keyin fokusli nuqta va teshilish diametrini o'lchaydi. Bu usul lazer kuchini va o'lchov amaliyoti orqali nurning ta'sir qilish vaqtini o'zlashtirishi kerak.
3) Materialni yutish qiymati. Lazer nurlarining materiallar tomonidan yutilishi materiallarning ba'zi muhim xususiyatlariga, masalan, yutilish, aks ettirish, issiqlik o'tkazuvchanligi, erish harorati, bug'lanish harorati va boshqalarga bog'liq bo'lib, ulardan eng muhimi yutilishdir.
Materialning lazer nuriga singish tezligiga ta'sir qiluvchi omillar ikkita jihatni o'z ichiga oladi: birinchisi, materialning qarshiligi. Materialning sayqallangan yuzasining assimilyatsiya tezligini o'lchagandan so'ng, materialning yutilish tezligi qarshilikning kvadrat ildiziga mutanosib ekanligi va qarshilik haroratga qarab o'zgarib turadi. Ikkinchidan, materialning sirt holati (yoki silliqligi) payvandlash effektiga sezilarli ta'sir ko'rsatadigan nurning assimilyatsiya tezligiga muhimroq ta'sir qiladi.
CO2 lazerining chiqish to'lqin uzunligi odatda 10,6 mkm. Keramika, shisha, kauchuk, plastmassa va boshqa metall bo'lmaganlarning assimilyatsiya tezligi xona haroratida juda yuqori bo'lsa, metall materiallarning assimilyatsiya darajasi xona haroratida, material erimaguncha yoki hatto gaz bo'lgunga qadar juda yomon bo'ladi. Sirt qoplamasi yoki sirt oksidi plyonkasi shakllanishi yordamida materialning yorug'lik nurlarini singdirishini yaxshilash juda samarali.
4) Payvandlash tezligi. Payvandlash tezligi penetratsiya chuqurligiga katta ta'sir ko'rsatadi. Tezlikni oshirish penetratsiyani sayoz qiladi, lekin tezlik juda past bo'lsa, material haddan tashqari eriydi va ishlov beriladigan qism payvandlanadi. Shuning uchun, ma'lum bir lazer kuchiga va ma'lum bir qalinlikka ega bo'lgan ma'lum bir material uchun mos keladigan payvandlash tezligi oralig'i mavjud va maksimal penetratsiya chuqurligi mos keladigan tezlik qiymatida olinishi mumkin. 10-2-rasmda payvandlash tezligi va 1018 po'latning kirib borish chuqurligi o'rtasidagi bog'liqlik ko'rsatilgan.
5) Himoya gazi. Lazerli payvandlash jarayonida eritilgan hovuzni himoya qilish uchun ko'pincha inert gaz ishlatiladi. Ba'zi materiallar sirt oksidlanishidan qat'i nazar, payvandlanganda, himoya qilish hisobga olinmasligi mumkin, ammo ko'pchilik ilovalar uchun geliy, argon, azot va boshqa gazlar ko'pincha ishlov beriladigan qismni lehimlash paytida oksidlanishdan himoyalangan qilish uchun himoya sifatida ishlatiladi.
Geliy oson ionlashtirilmaydi (yuqori ionlanish energiyasi), bu lazerning silliq o'tishini ta'minlaydi va nurlanish energiyasi ishlov beriladigan qismning yuzasiga to'siqsiz etib boradi. Bu lazerli payvandlashda ishlatiladigan eng samarali himoya gazdir, ammo u qimmatroq.
Argon gazi arzonroq va zichroq, shuning uchun himoya ta'siri yaxshiroq. Shu bilan birga, u yuqori haroratli metall plazma ionlanishiga moyil bo'lib, nurning bir qismini ishlov beriladigan qismga urishdan himoya qiladi, payvandlash uchun samarali lazer quvvatini kamaytiradi, shuningdek, payvandlash tezligi va penetratsiyasiga zarar etkazadi. Argon bilan himoyalangan payvandning yuzasi geliy bilan himoyalanganidan ko'ra silliqroq bo'ladi.
Azot eng arzon himoya qiluvchi gazdir, lekin u zanglamaydigan po'latning ayrim turlarini payvandlash uchun mos emas, asosan metallurgiya muammolari, masalan, assimilyatsiya qilish, ba'zida bir-birining ustiga chiqadigan joyda porozlik hosil qiladi.
Himoya gazidan foydalanishning ikkinchi vazifasi fokuslovchi linzalarni metall bug'ining ifloslanishidan va suyuqlik tomchilarining sochilishidan himoya qilishdir. Ayniqsa, yuqori quvvatli lazerli payvandlashda, chunki ejeksiyon juda kuchli bo'ladi, bu vaqtda linzalarni himoya qilish ko'proq kerak.
Himoya gazining uchinchi vazifasi shundaki, u yuqori quvvatli lazerli payvandlash natijasida hosil bo'lgan plazma qalqonini tarqatishda juda samarali. Metall bug'i lazer nurini o'ziga singdiradi va plazma bulutiga ionlanadi va metall bug'ining atrofidagi himoya gaz ham issiqlik tufayli ionlanadi. Agar plazma juda ko'p bo'lsa, lazer nurlari plazma tomonidan bir oz iste'mol qilinadi. Plazma ishchi yuzada ikkinchi energiya sifatida mavjud bo'lib, bu penetratsiyani sayoz qiladi va payvand chokining sirtini kengaytiradi. Elektronlarning rekombinatsiya tezligi plazmadagi elektron zichligini kamaytirish uchun elektronlarning ionlar va neytral atomlar bilan uch tanali to'qnashuvini oshirish orqali oshiriladi. Neytral atomlar qanchalik engil bo'lsa, to'qnashuv chastotasi va rekombinatsiya tezligi shunchalik yuqori bo'ladi; boshqa tomondan, faqat yuqori ionlanish energiyasiga ega bo'lgan himoya gaz, gazning o'zi ionlanishi tufayli elektron zichligini oshirmaydi.
Plazma bulutining kattaligi ishlatiladigan himoya gazga qarab o'zgaradi, geliy eng kichik, azot ikkinchi va argon eng katta. Plazma hajmi qanchalik katta bo'lsa, penetratsiya shunchalik sayoz bo'ladi. Bu farqning sababi, birinchi navbatda, gaz molekulalarining ionlanish darajasining har xilligi, shuningdek, himoya qiluvchi gazning turli zichligi tufayli yuzaga keladigan metall bug'ining tarqalishidagi farq bilan bog'liq.
Geliy eng kam ionlangan va eng kam zich gaz bo'lib, erigan metall hammomidan hosil bo'lgan ko'tarilgan metall bug'larini tezda haydab chiqaradi. Shuning uchun geliyni himoya gaz sifatida ishlatish plazmani eng katta darajada bostirishi mumkin, shu bilan penetratsiya chuqurligini oshiradi va payvandlash tezligini oshiradi; engil vazni tufayli u qochib ketishi mumkin va teshiklarni keltirib chiqarish oson emas. Albatta, bizning haqiqiy payvandlash effektimizdan argonni himoya qilish ta'siri yomon emas.
Plazma bulutining penetratsiyaga ta'siri past payvandlash tezligi sohasida eng aniq. Payvandlash tezligi oshishi bilan uning ta'siri kamayadi.
Himoya gazi ishlov beriladigan qismning yuzasiga etib borish uchun ko'krak orqali ma'lum bir bosim ostida AOK qilinadi. Ko'krakning gidrodinamik shakli va chiqish diametri juda muhimdir. Püskürtülmüş himoya gazni payvandlash yuzasini qoplash uchun haydash uchun etarlicha katta bo'lishi kerak, lekin linzalarni samarali himoya qilish va metall bug'ining ifloslanishini yoki metallning sachramasligini oldini olish uchun linzaning o'lchami ham cheklangan bo'lishi kerak. Oqim tezligini ham nazorat qilish kerak, aks holda himoya gazining laminar oqimi turbulent bo'lib qoladi va atmosfera erigan hovuzga aralashib, oxir-oqibat teshiklarni hosil qiladi.
Himoya ta'sirini yaxshilash uchun qo'shimcha yon puflash usuli ham qo'llanilishi mumkin, ya'ni kichikroq diametrli ko'krak orqali himoya gaz to'g'ridan-to'g'ri ma'lum burchak ostida chuqur penetratsion payvandlashning kichik teshigiga AOK qilinadi. Himoya gazi nafaqat ishlov beriladigan qismning yuzasida plazma bulutini bostiradi, balki plazma va teshikdagi kichik teshiklarning shakllanishiga ta'sir qiladi, penetratsiya chuqurligini yanada oshiradi va ideal chuqurlik-kenglik nisbati bo'lgan payvandni oladi. . Biroq, bu usul havo oqimining o'lchami va yo'nalishini aniq nazorat qilishni talab qiladi, aks holda turbulent oqim paydo bo'lishi va eritilgan hovuzni yo'q qilish ehtimoli bor, bu esa payvandlash jarayonini barqarorlashtirishni qiyinlashtiradi.
6) Ob'ektivning fokus uzunligi. Fokuslash usuli odatda payvandlash paytida lazerni zichlashtirish uchun ishlatiladi va odatda fokus uzunligi 63 ~ 254 mm (2,5 "~ 10") bo'lgan linzalardan foydalaniladi. Fokus nuqtasi o'lchami fokus uzunligiga mutanosib, fokus uzunligi qanchalik qisqa bo'lsa, nuqta kichikroq. Ammo fokus uzunligi fokus chuqurligiga ham ta'sir qiladi, ya'ni fokus chuqurligi fokus uzunligi bilan sinxron ravishda ortadi, shuning uchun qisqa fokus uzunligi quvvat zichligini oshirishi mumkin, lekin kichik fokus chuqurligi tufayli linzalar va ish qismi orasidagi masofa. aniq saqlanishi kerak va penetratsiya chuqurligi katta emas. Payvandlash jarayonida hosil bo'lgan chayqalish va lazer rejimining ta'siri tufayli, haqiqiy payvandlashda ishlatiladigan eng qisqa fokus chuqurligi, asosan, 126 mm (5") fokus uzunligidir. Bo'g'in katta bo'lganda yoki payvand chokini oshirish orqali oshirish kerak bo'lganda. nuqta o'lchami uchun siz fokus uzunligi 254 mm (10") bo'lgan linzalarni tanlashingiz mumkin. Bunday holda, chuqur penetratsion teshik effektiga erishish uchun yuqori lazer chiqish quvvati (kuch zichligi) talab qilinadi.
Lazer kuchi 2 kVt dan oshganda, ayniqsa 10,6 mkm CO2 lazer nurlari uchun, optik tizimni shakllantirish uchun maxsus optik materiallardan foydalanish tufayli, fokuslash linzalariga optik shikastlanish xavfini oldini olish uchun, aks ettiruvchi fokuslash usuli ko'pincha ishlatiladi. ishlatiladi va odatda reflektor sifatida sayqallangan mis oyna ishlatiladi. Samarali sovutish tufayli ko'pincha yuqori quvvatli lazer nurlarini fokuslash uchun tavsiya etiladi.
7) Fokus holati. Payvandlashda etarli quvvat zichligini ta'minlash uchun fokus holati juda muhimdir. Fokus nuqtasi va ishlov beriladigan qism yuzasining nisbiy holatidagi o'zgarishlar payvand chokining kengligi va chuqurligiga bevosita ta'sir qiladi. Shakl 2-6 fokus holatining 1018 po'latning kirish chuqurligi va tikuv kengligiga ta'sirini ko'rsatadi.
Ko'pgina lazerli payvandlash ilovalarida, fokus nuqtasi odatda ishlov beriladigan qismning yuzasi ostida kerakli chuqurlikning taxminan 1/4 qismida joylashgan.
8) Lazer nurlarining joylashishi. Bir-biriga o'xshamaydigan materiallarni lazer bilan payvandlashda, lazer nurlarining holati payvandning yakuniy sifatini nazorat qiladi, ayniqsa dumaloq bo'g'inlarga qaraganda. Misol uchun, qotib qolgan po'latdan yasalgan tishli yumshoq po'lat barabanga payvandlanganda, lazer nurlarining holatini to'g'ri nazorat qilish, asosan, past uglerodli komponentga ega bo'lgan, yorilishga nisbatan chidamli bo'lgan payvand hosil qilishga yordam beradi. Ba'zi ilovalarda payvandlanadigan ishlov beriladigan qismning geometriyasi lazer nurining burchak bilan burilishini talab qiladi. Nur o'qi va qo'shma tekislik o'rtasidagi burilish burchagi 100 daraja ichida bo'lsa, lazer energiyasini ishlov beriladigan qism tomonidan yutilishi ta'sir qilmaydi.
9) Payvandlashning boshlang'ich va oxirgi nuqtalarida lazer quvvatining bosqichma-bosqich ko'tarilishi va tushishini nazorat qilish. Lazerli chuqur penetratsion payvandlashda payvand chuqurligidan qat'iy nazar har doim kichik teshiklar mavjud. Payvandlash jarayoni tugatilganda va quvvat tugmasi o'chirilganda, payvandning oxirida chuqur paydo bo'ladi. Bunga qo'shimcha ravishda, lazerli payvandlash qatlami dastlabki payvand chokini qoplaganida, lazer nurlarining haddan tashqari emilimi sodir bo'ladi, natijada payvandning haddan tashqari qizishi yoki teshiklarning paydo bo'lishiga olib keladi.
Yuqoridagi hodisaning oldini olish uchun quvvatni boshlash va to'xtatish nuqtalari quvvatni ishga tushirish va tugatish vaqtini sozlash uchun dasturlashtirilishi mumkin, ya'ni dastlabki quvvat qisqa vaqt ichida noldan belgilangan quvvat qiymatiga elektron tarzda oshiriladi, va payvandlashni sozlash mumkin. Vaqt, va nihoyat, payvandlash tugagach, quvvat asta-sekin o'rnatilgan quvvatdan nolga kamayadi.
03
Lazerli chuqur penetratsion payvandlashning xususiyatlari va afzalliklari va kamchiliklari
Lazerli chuqur penetratsion payvandlashning xususiyatlari
1) Yuqori tomonlar nisbati. Eritilgan metall issiq bug'ning silindrsimon bo'shlig'i atrofida hosil bo'lganda va ishlov beriladigan qismga qarab cho'ziladi, chok chuqur va tor bo'ladi.
2) Minimal issiqlik kiritish. Kichkina teshikdagi harorat juda yuqori bo'lgani uchun, eritish jarayoni juda tez sodir bo'ladi, ishlov beriladigan qismga issiqlik kiritish juda past va termal deformatsiya va issiqlik ta'sir zonasi kichikdir.
3) Yuqori zichlik. Chunki yuqori haroratli bug 'bilan to'ldirilgan kichik teshiklar payvand chokining qo'zg'alishiga va gazning chiqishiga yordam beradi, natijada teshiksiz penetratsion chok hosil bo'ladi. Payvandlashdan keyin yuqori sovutish tezligi payvand tuzilishini osonlikcha nozik holga keltirishi mumkin.
4) Kuchli payvand choklari. Yonuvchan issiqlik manbai va metall bo'lmagan tarkibiy qismlarning etarli darajada so'rilishi tufayli nopoklik miqdori kamayadi va qo'shimchalarning hajmi va erigan hovuzdagi tarqalishi o'zgaradi. Payvandlash jarayoni elektrodlar yoki plomba simlarini talab qilmaydi va erish zonasi kamroq ifloslangan, shuning uchun payvandning mustahkamligi va qattiqligi hech bo'lmaganda asosiy metallga teng yoki undan yuqori bo'ladi.
5) Aniq nazorat. Fokuslangan yorug'lik nuqtasi kichik bo'lgani uchun, payvand choki yuqori aniqlik bilan joylashtirilishi mumkin. Lazer chiqishida "inertsiya" yo'q, uni yuqori tezlikda to'xtatish va qayta ishga tushirish mumkin, va murakkab ish qismini raqamli boshqaruv nurlari harakati texnologiyasi bilan payvandlash mumkin.
6) Kontaktsiz atmosfera payvandlash jarayoni. Energiya foton nuridan kelganligi sababli, ishlov beriladigan qism bilan jismoniy aloqa yo'q, shuning uchun ishlov beriladigan qismga tashqi kuch qo'llanilmaydi. Bundan tashqari, magnitlanish va havo lazer nuriga ta'sir qilmaydi.
Lazerli chuqur penetratsion payvandlashning afzalliklari
1) Fokuslangan lazer an'anaviy usullarga qaraganda ancha yuqori quvvat zichligiga ega bo'lganligi sababli, payvandlash tezligi tez, issiqlik ta'sir qiladigan zona va deformatsiya kichik va titanium kabi payvandlash qiyin bo'lgan materiallar ham payvandlanishi mumkin.
2) Nurni uzatish va boshqarish oson bo'lgani uchun va mash'al va ko'krakni tez-tez almashtirishga hojat yo'q va elektron nurli payvandlash uchun vakuum talab qilinmaydi, bu esa ishlamay qolishning yordamchi vaqtini sezilarli darajada kamaytiradi, shuning uchun yuk omili va ishlab chiqarish samaradorligi yuqori.
3) Tozalash effekti va yuqori sovutish tezligi tufayli payvand choki kuchi, qattiqligi va keng qamrovli ishlashi yuqori.
4) Past o'rtacha issiqlik kiritish va yuqori ishlov berish aniqligi tufayli qayta ishlash xarajatlarini kamaytirish mumkin; Bundan tashqari, lazerli payvandlashning operatsion qiymati ham past bo'lib, bu ish qismini qayta ishlash xarajatlarini kamaytirishi mumkin.
5) Nurning intensivligini va nozik joylashishni samarali boshqarishi mumkin va avtomatik ishlashni amalga oshirish oson.
Lazerli chuqur penetratsion payvandlashning kamchiliklari
1) Payvandlash chuqurligi cheklangan.
2) Ish qismini yig'ish talablari yuqori.
3) Lazer tizimining bir martalik sarmoyasi nisbatan yuqori
