Prinzip des Laserschweißens
Laserschweißen kann durch kontinuierliche oder gepulste Laserstrahlen erreicht werden. Das Prinzip des Laserschweißens lässt sich in Wärmeleitungsschweißen und Lasertiefschweißen unterteilen. Wenn die Leistungsdichte weniger als 104~105 W/cm2 beträgt, handelt es sich um Wärmeleitungsschweißen. Zu diesem Zeitpunkt ist die Eindringtiefe gering und die Schweißgeschwindigkeit langsam; Wenn die Leistungsdichte größer als 105 ~ 107 W/cm2 ist, wird die Metalloberfläche durch Erhitzen in „Hohlräume“ eingesunken, wodurch ein tiefes Durchdringungsschweißen entsteht, das die Eigenschaften einer schnellen Schweißgeschwindigkeit und eines großen Seitenverhältnisses aufweist.
Das Prinzip des Wärmeleitungs-Laserschweißens ist: Laserstrahlung erwärmt die zu bearbeitende Oberfläche, und die Oberflächenwärme diffundiert durch Wärmeleitung nach innen. Durch Steuerung der Laserpulsbreite, Energie, Spitzenleistung und Wiederholfrequenz und anderer Laserparameter wird das Werkstück geschmolzen, um ein spezifisches Schmelzbad zu bilden. .
Die für das Zahnradschweißen und das metallurgische Dünnblechschweißen verwendete Laserschweißmaschine beinhaltet hauptsächlich das Lasertiefschweißen. Im Folgenden wird auf das Prinzip des Laser-Tiefschweißens eingegangen.
Beim Lasertiefschweißen werden im Allgemeinen kontinuierliche Laserstrahlen verwendet, um die Verbindung von Materialien zu vervollständigen, und sein metallurgisch-physikalischer Prozess ist dem Elektronenstrahlschweißen sehr ähnlich, dh der Energieumwandlungsmechanismus wird durch die "Schlüsselloch" -Struktur abgeschlossen. Bei ausreichend hoher Laserleistungsdichte verdampft das Material und bildet kleine Poren. Dieses kleine Loch voller Dampf ist wie ein schwarzer Körper, der fast die gesamte Energie des einfallenden Strahls absorbiert, und die Gleichgewichtstemperatur im Hohlraum erreicht etwa 2500 0 C. Die Wärme wird von der Außenwand des Hochtemperaturhohlraums übertragen, um das den Hohlraum umgebende Metall zu schmelzen. Das kleine Loch ist mit Hochtemperaturdampf gefüllt, der durch die kontinuierliche Verdampfung des Wandmaterials unter der Bestrahlung des Strahls erzeugt wird, die Wände des kleinen Lochs sind von geschmolzenem Metall umgeben und das flüssige Metall ist von festen Materialien umgeben (während es in Bei den meisten herkömmlichen Schweißverfahren und beim Laserleitungsschweißen wird die Energie zunächst auf der Oberfläche des Werkstücks deponiert und dann per Transmission ins Innere transportiert). Die Flüssigkeitsströmung außerhalb der Porenwand und die Oberflächenspannung der Wandschicht halten ein dynamisches Gleichgewicht mit dem kontinuierlich erzeugten Dampfdruck im Porenhohlraum. Der Strahl tritt kontinuierlich in das kleine Loch ein und das Material außerhalb des kleinen Lochs fließt kontinuierlich. Während sich der Strahl bewegt, befindet sich das kleine Loch immer in einem stabilen Strömungszustand. Das heißt, das kleine Loch und das geschmolzene Metall, das die Lochwand umgibt, bewegen sich vorwärts mit der Vorwärtsgeschwindigkeit des Führungsstrahls, und das geschmolzene Metall füllt den durch das kleine Loch hinterlassenen Spalt und kondensiert dann, so dass die Schweißnaht gebildet wird. All dies geschieht so schnell, dass die Schweißgeschwindigkeit leicht mehrere Meter pro Minute erreichen kann.
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Die wichtigsten Prozessparameter des Lasertiefschweißens
1) Laserleistung. Beim Laserschweißen gibt es einen Schwellenwert der Laserenergiedichte. Unterhalb dieses Wertes ist die Eindringtiefe sehr gering. Sobald dieser Wert erreicht oder überschritten wird, wird die Eindringtiefe stark erhöht. Plasma wird erst dann erzeugt, wenn die Laserleistungsdichte am Werkstück einen Schwellenwert überschreitet (materialabhängig), der den Fortschritt eines stabilen Tiefschweißens markiert. Unterschreitet die Laserleistung diese Schwelle, findet nur ein oberflächliches Aufschmelzen des Werkstücks statt, dh es findet eine Schweißung mit stabiler Wärmeleitung statt. Wenn die Laserleistungsdichte nahe der kritischen Bedingung für die Bildung kleiner Löcher ist, werden Tiefschweißen und Leitungsschweißen abwechselnd durchgeführt, was zu einem instabilen Schweißprozess wird, was zu großen Schwankungen in der Eindringtiefe führt. Beim Lasertiefschweißen steuert die Laserleistung gleichzeitig die Einbrandtiefe und die Schweißgeschwindigkeit. Die Schweißdurchdringung steht in direktem Zusammenhang mit der Strahlleistungsdichte und ist eine Funktion der einfallenden Strahlleistung und des Strahlbrennpunkts. Im Allgemeinen nimmt bei einem Laserstrahl mit einem bestimmten Durchmesser die Eindringtiefe mit zunehmender Strahlleistung zu.
2) Strahlbrennpunkt. Die Strahlpunktgröße ist eine der wichtigsten Variablen beim Laserschweißen, da sie die Leistungsdichte bestimmt. Aber für Hochleistungslaser ist seine Messung ein schwieriges Problem, obwohl es viele indirekte Messtechniken gibt.
Die beugungsbegrenzte Fleckgröße des Strahlfokus kann gemäß der Lichtbeugungstheorie berechnet werden, aber aufgrund der Existenz einer Aberration der Fokussierlinse ist die tatsächliche Fleckgröße größer als der berechnete Wert. Das einfachste praktische Verfahren ist das isothermische Profilierungsverfahren, das den Brennpunkt und den Perforationsdurchmesser nach dem Verkohlen und Durchdringen einer Polypropylenplatte mit dickem Papier misst. Dieses Verfahren muss die Laserleistung und die Zeit der Strahlwirkung durch Messpraxis beherrschen.
3) Materialabsorptionswert. Die Absorption von Laserlicht durch Materialien hängt von einigen wichtigen Eigenschaften von Materialien ab, wie Absorptionsvermögen, Reflexionsvermögen, Wärmeleitfähigkeit, Schmelztemperatur, Verdampfungstemperatur usw., von denen das Absorptionsvermögen das wichtigste ist.
Zu den Faktoren, die die Absorptionsrate des Materials für den Laserstrahl beeinflussen, gehören zwei Aspekte: Der erste ist der spezifische Widerstand des Materials. Nach dem Messen der Absorptionsrate der polierten Oberfläche des Materials wird festgestellt, dass die Absorptionsrate des Materials proportional zur Quadratwurzel des spezifischen Widerstands ist und der spezifische Widerstand mit der Temperatur variiert. 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. Die Absorptionsrate von Keramik, Glas, Gummi, Kunststoffen und anderen Nichtmetallen ist bei Raumtemperatur sehr hoch, während die Absorptionsrate von Metallmaterialien bei Raumtemperatur sehr gering ist, bis das Material geschmolzen oder sogar gasförmig wird. Seine Absorption nimmt dramatisch zu. Es ist sehr effektiv, die Absorption von Lichtstrahlen durch das Material zu verbessern, indem eine Oberflächenbeschichtung oder eine Oberflächenoxidfilmbildung verwendet wird.
4) Schweißgeschwindigkeit. Die Schweißgeschwindigkeit hat einen großen Einfluss auf die Einbrandtiefe. Durch Erhöhen der Geschwindigkeit wird das Eindringen flach, aber wenn die Geschwindigkeit zu niedrig ist, wird das Material überschmolzen und das Werkstück wird durchgeschweißt. Daher gibt es für ein bestimmtes Material mit einer bestimmten Laserleistung und einer bestimmten Dicke einen geeigneten Schweißgeschwindigkeitsbereich, und die maximale Eindringtiefe kann bei dem entsprechenden Geschwindigkeitswert erreicht werden. Abbildung 10-2 zeigt die Beziehung zwischen Schweißgeschwindigkeit und Eindringtiefe von 1018-Stahl.
5) Schutzgas. Inertgas wird häufig zum Schutz des Schmelzbades beim Laserschweißprozess verwendet. Wenn einige Materialien trotz Oberflächenoxidation geschweißt werden, wird der Schutz möglicherweise nicht berücksichtigt, aber für die meisten Anwendungen werden häufig Helium, Argon, Stickstoff und andere Gase als Schutz verwendet, um das Werkstück während des Lötens vor Oxidation zu schützen.
Helium lässt sich nicht leicht ionisieren (höhere Ionisationsenergie), wodurch der Laser problemlos passieren kann und die Strahlenergie ungehindert die Oberfläche des Werkstücks erreicht. Dies ist das effektivste Schutzgas, das beim Laserschweißen verwendet wird, aber es ist teurer.
Argongas ist billiger und dichter, daher ist die Schutzwirkung besser. Es ist jedoch anfällig für Hochtemperatur-Metallplasmaionisation, die einen Teil des Strahls vor dem Auftreffen auf das Werkstück abschirmt, die effektive Laserleistung zum Schweißen verringert und auch die Schweißgeschwindigkeit und -durchdringung beeinträchtigt. Die mit Argon geschützte Oberfläche des Schweißteils ist glatter als die mit Helium geschützte.
Stickstoff ist das billigste Schutzgas, aber für das Schweißen einiger Edelstahlsorten nicht geeignet, hauptsächlich aufgrund metallurgischer Probleme, wie z. B. Absorption, die manchmal zu Porosität im Überlappungsbereich führt.
Die zweite Funktion der Verwendung von Schutzgas besteht darin, die Fokussierlinse vor Metalldampfkontamination und Spritzern von Flüssigkeitströpfchen zu schützen. Besonders beim Hochleistungslaserschweißen ist es, da der Ausstoß sehr stark wird, zu diesem Zeitpunkt notwendiger, die Linse zu schützen.
Die dritte Funktion des Schutzgases besteht darin, dass es den durch das Hochleistungslaserschweißen erzeugten Plasmaschild sehr effektiv zerstreut. Der Metalldampf absorbiert den Laserstrahl und ionisiert zu einer Plasmawolke, und das Schutzgas um den Metalldampf wird ebenfalls durch Hitze ionisiert. Wenn zu viel Plasma vorhanden ist, wird der Laserstrahl etwas durch das Plasma verbraucht. Plasma existiert auf der Arbeitsfläche als zweite Energie, die den Einbrand flach macht und die Oberfläche des Schweißbades erweitert. Die Rekombinationsrate von Elektronen wird erhöht, indem die Dreikörperkollisionen von Elektronen mit Ionen und neutralen Atomen erhöht werden, um die Elektronendichte im Plasma zu verringern. Je leichter die neutralen Atome, desto höher die Stoßfrequenz und desto höher die Rekombinationsrate; Andererseits wird nur das Schutzgas mit hoher Ionisationsenergie die Elektronendichte aufgrund der Ionisation des Gases selbst nicht erhöhen.
Die Größe der Plasmawolke variiert mit dem verwendeten Schutzgas, wobei Helium das kleinste, Stickstoff das zweitgrößte und Argon das größte ist. Je größer die Plasmagröße, desto flacher die Penetration. Der Grund für diesen Unterschied liegt zum einen im unterschiedlichen Ionisationsgrad der Gasmoleküle, zum anderen in der durch die unterschiedliche Dichte des Schutzgases bedingten unterschiedlichen Diffusion von Metalldampf.
Helium ist das am wenigsten ionisierte und am wenigsten dichte Gas, und es vertreibt schnell aufsteigende Metalldämpfe, die aus dem geschmolzenen Metallbad erzeugt werden. Daher kann die Verwendung von Helium als Schutzgas das Plasma weitestgehend unterdrücken, wodurch die Eindringtiefe erhöht und die Schweißgeschwindigkeit erhöht wird; Aufgrund seines geringen Gewichts kann es austreten und verursacht keine Poren. Natürlich ist die Wirkung des Argonschutzes aufgrund unseres tatsächlichen Schweißeffekts nicht schlecht.
Die Auswirkung der Plasmawolke auf das Eindringen ist im Bereich niedriger Schweißgeschwindigkeit am deutlichsten. Seine Wirkung lässt mit zunehmender Schweißgeschwindigkeit nach.
Das Schutzgas wird mit einem bestimmten Druck durch die Düse eingeblasen, um die Oberfläche des Werkstücks zu erreichen. Die hydrodynamische Form der Düse und der Durchmesser des Auslasses sind sehr wichtig. Sie muss groß genug sein, um das gesprühte Schutzgas auf die Schweißfläche zu treiben, aber um die Linse effektiv zu schützen und zu verhindern, dass Metalldampf die Linse verunreinigt oder Metallspritzer die Linse beschädigen, sollte die Größe der Düse ebenfalls begrenzt sein. Auch die Strömungsgeschwindigkeit sollte kontrolliert werden, da sonst die laminare Strömung des Schutzgases turbulent wird und die Atmosphäre in das Schmelzbad eindringt und schließlich Poren bildet.
Zur Verbesserung der Schutzwirkung kann auch ein zusätzliches Seitenblasverfahren eingesetzt werden, d.h. durch eine Düse mit kleinerem Durchmesser wird das Schutzgas in einem bestimmten Winkel direkt in das kleine Loch der Tiefschweißung eingeblasen. Das Schutzgas unterdrückt nicht nur die Plasmawolke auf der Oberfläche des Werkstücks, sondern nimmt auch Einfluss auf die Bildung des Plasmas und kleiner Löcher im Loch, erhöht die Eindringtiefe weiter und erzielt eine Schweißnaht mit einem idealen Tiefen-Breiten-Verhältnis . Dieses Verfahren erfordert jedoch eine genaue Steuerung der Größe und Richtung des Luftstroms, da sonst wahrscheinlich eine turbulente Strömung auftritt und das Schmelzbad zerstört, wodurch es schwierig wird, den Schweißprozess zu stabilisieren.
6) Brennweite des Objektivs. Die Fokussierungsmethode wird normalerweise verwendet, um den Laser während des Schweißens zu kondensieren, und im Allgemeinen wird eine Linse mit einer Brennweite von 63 bis 254 mm (2,5 bis 10 Zoll) verwendet. Die Fokuspunktgröße ist proportional zur Brennweite, je kürzer die Brennweite, desto kleiner der Punkt. Aber auch die Brennweite beeinflusst die Schärfentiefe, d.h. die Schärfentiefe nimmt synchron mit der Brennweite zu, eine kurze Brennweite kann also die Leistungsdichte erhöhen, aber wegen der geringen Schärfentiefe den Abstand zwischen Objektiv und Werkstück genau eingehalten werden müssen und die Eindringtiefe nicht groß ist. Aufgrund des Einflusses von Spritzern und Lasermodus, die im Schweißprozess erzeugt werden, ist die kürzeste Brennweite, die beim tatsächlichen Schweißen verwendet wird, meistens die Brennweite von 126 mm (5"). Wenn die Verbindung groß ist oder die Schweißnaht durch Vergrößern vergrößert werden muss Bei der Spotgröße können Sie ein Objektiv mit einer Brennweite von 254 mm (10") wählen. In diesem Fall ist eine höhere Laserausgangsleistung (Leistungsdichte) erforderlich, um den Pinhole-Effekt mit tiefem Eindringen zu erzielen.
Wenn die Laserleistung 2 kW überschreitet, insbesondere für den 10,6-μm-CO2-Laserstrahl, wird aufgrund der Verwendung spezieller optischer Materialien zur Bildung des optischen Systems häufig die reflektierende Fokussierungsmethode verwendet, um das Risiko einer optischen Beschädigung der Fokussierlinse zu vermeiden verwendet, und ein polierter Kupferspiegel wird im Allgemeinen als Reflektor verwendet. Aufgrund der effektiven Kühlung wird es häufig zum Fokussieren von Laserstrahlen mit hoher Leistung empfohlen.
7) Fokusposition. Beim Schweißen ist die Fokuslage entscheidend, um eine ausreichende Leistungsdichte zu erhalten. Änderungen in der relativen Position des Brennpunkts und der Werkstückoberfläche wirken sich direkt auf die Breite und Tiefe der Schweißnaht aus. Abbildung 2-6 zeigt die Auswirkung der Fokusposition auf die Eindringtiefe und Nahtbreite von 1018-Stahl.
Bei den meisten Laserschweißanwendungen befindet sich der Brennpunkt typischerweise etwa 1/4 der gewünschten Eindringtiefe unterhalb der Oberfläche des Werkstücks.
8) Laserstrahlposition. Beim Laserschweißen unterschiedlicher Materialien steuert die Position des Laserstrahls die endgültige Qualität der Schweißnaht, insbesondere bei Stumpfnähten und nicht bei Überlappungsnähten. Wenn beispielsweise ein Zahnrad aus gehärtetem Stahl an eine Trommel aus Weichstahl geschweißt wird, hilft die richtige Kontrolle der Laserstrahlposition dabei, eine Schweißnaht mit einer überwiegend kohlenstoffarmen Komponente zu erzeugen, die relativ widerstandsfähig gegen Rissbildung ist. Bei manchen Anwendungen erfordert die Geometrie des zu schweißenden Werkstücks eine Winkelablenkung des Laserstrahls. Wenn der Ablenkwinkel zwischen der Strahlachse und der Verbindungsebene innerhalb von 100 Grad liegt, wird die Absorption der Laserenergie durch das Werkstück nicht beeinträchtigt.
9) Stufenweise Anstiegs- und Abfallsteuerung der Laserleistung an den Start- und Endpunkten des Schweißens. Beim Lasertiefschweißen entstehen immer kleine Löcher, unabhängig von der Tiefe der Schweißnaht. Wenn der Schweißvorgang beendet und der Netzschalter ausgeschaltet wird, erscheint am Ende der Schweißnaht eine Vertiefung. Außerdem tritt, wenn die Laserschweißschicht die ursprüngliche Schweißnaht bedeckt, eine übermäßige Absorption des Laserstrahls auf, was zu einer Überhitzung der Schweißverbindung oder zur Erzeugung von Poren führt.
Um zu verhindern, dass das obige Phänomen auftritt, können die Start- und Stopppunkte der Leistung so programmiert werden, dass die Start- und Endzeit der Leistung einstellbar ist, dh die Anfangsleistung wird in kurzer Zeit elektronisch von Null auf den eingestellten Leistungswert erhöht. und das Schweißen kann eingestellt werden. Zeit, und schließlich wird die Leistung allmählich von der eingestellten Leistung auf Null reduziert, wenn das Schweißen beendet ist.
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Eigenschaften sowie Vor- und Nachteile des Laser-Tiefschweißens
Merkmale des Laser-Tiefschweißens
1) Hohes Seitenverhältnis. Wenn sich das geschmolzene Metall um den zylindrischen Hohlraum aus heißem Dampf bildet und sich in Richtung des Werkstücks erstreckt, wird die Schweißnaht tief und schmal.
2) Minimaler Wärmeeintrag. Da die Temperatur im kleinen Loch sehr hoch ist, erfolgt der Schmelzvorgang extrem schnell, der Wärmeeintrag in das Werkstück ist sehr gering und die thermische Verformung und Wärmeeinflusszone sind klein.
3) Hohe Dichte. Denn die mit Hochtemperaturdampf gefüllten kleinen Poren begünstigen die Bewegung des Schmelzbades und das Entweichen von Gasen, was zu einer porenfreien Durchschweißung führt. Die hohe Abkühlgeschwindigkeit nach dem Schweißen kann die Schweißstruktur leicht feiner machen.
4) Starke Schweißnähte. Durch die lodernde Wärmequelle und ausreichende Aufnahme von nichtmetallischen Bestandteilen wird der Verunreinigungsgehalt reduziert und die Größe der Einschlüsse sowie deren Verteilung im Schmelzbad verändert. Der Schweißprozess kommt ohne Elektroden und Zusatzdrähte aus und die Schmelzzone wird weniger belastet, so dass die Festigkeit und Zähigkeit der Schweißnaht mindestens gleich oder sogar höher ist als die des Grundwerkstoffs.
5) Präzise Steuerung. Da der fokussierte Lichtfleck klein ist, kann die Schweißnaht hochpräzise positioniert werden. Der Laserausgang hat keine „Trägheit“, er kann mit hoher Geschwindigkeit gestoppt und wieder gestartet werden, und das komplexe Werkstück kann mit der numerisch gesteuerten Strahlbewegungstechnologie geschweißt werden.
6) Berührungsloses atmosphärisches Schweißverfahren. Da die Energie aus dem Photonenstrahl stammt, besteht kein physischer Kontakt mit dem Werkstück, sodass keine äußere Kraft auf das Werkstück ausgeübt wird. Außerdem haben Magnetismus und Luft keinen Einfluss auf das Laserlicht.
Vorteile des Laser-Tiefschweißens
1) Da der fokussierte Laser eine viel höhere Leistungsdichte als herkömmliche Verfahren hat, ist die Schweißgeschwindigkeit hoch, die Wärmeeinflusszone und Verformung sind klein und es können auch schwer schweißbare Materialien wie Titan geschweißt werden.
2) Da der Strahl einfach zu übertragen und zu steuern ist und der Brenner und die Düse nicht häufig ausgetauscht werden müssen und für das Elektronenstrahlschweißen kein Vakuum erforderlich ist, werden die Nebenzeiten der Stillstandszeit, also der Belastungsfaktor und erheblich reduziert Produktionseffizienz sind hoch.
3) Aufgrund des Reinigungseffekts und der hohen Abkühlrate sind die Schweißfestigkeit, Zähigkeit und umfassende Leistung hoch.
4) Aufgrund des geringen mittleren Wärmeeintrags und der hohen Bearbeitungspräzision können die Wiederaufbereitungskosten reduziert werden; Darüber hinaus sind die Betriebskosten des Laserschweißens ebenfalls niedrig, was die Werkstückbearbeitungskosten reduzieren kann.
5) Es kann die Strahlintensität und die Feinpositionierung effektiv steuern, und es ist einfach, einen automatischen Betrieb zu realisieren.
Nachteile des Lasertiefschweißens
1) Einschweißtiefe ist begrenzt.
2) Die Montageanforderungen an das Werkstück sind hoch.
3) Die einmalige Investition des Lasersystems ist relativ hoch
