Лазерното заваряване е един от важните аспекти на приложението на лазерната технология за обработка, но също така е и най-атрактивната и обещаваща технология за заваряване през 21-ви век. В сравнение с традиционните методи на заваряване, лазерното заваряване има много предимства, по-високо качество на заваряване и по-бърза ефективност. В момента технологията за лазерно заваряване се използва широко в производството, праховата металургия, автомобилната промишленост, електронната промишленост, биомедицината и други области.
Според механизма на образуване на заваръчната вана, лазерното заваряване има два основни механизма: топлопроводимо заваряване и заваряване с дълбоко проникване (малки отвори). Топлината, генерирана от топлопроводимото заваряване, се разпръсква към детайла чрез топлопренос, така че повърхността на заваръчния шев се разтопява, без изпаряване, което често се използва при заваряване на нискоскоростни тънкостенни компоненти. Дълбокото топене изпарява материала и образува голямо количество плазма. Поради голямото нагряване, в предния край на разтопената вана ще се образуват отвори. Дълбокото проникване може да завари детайла добре, а входната енергия е голяма, скоростта на заваряване е висока и е най-широко използваният метод на лазерно заваряване.
Има много параметри на процеса, които влияят върху качеството на лазерното заваряване, като например плътност на мощността, форма на вълната на лазерния импулс, разфокусиране, скорост на заваряване и спомагателен газ за вдухване.
1. Плътност на мощността на лазера Плътността на мощността е един от най-важните параметри при лазерната обработка. При по-висока плътност на мощността, повърхностният слой може да се нагрее до точка на кипене в рамките на микросекунди, генерирайки голямо количество изпарение. Следователно, високата плътност на мощността е много предимство за обработка на материали, като например щанцоване, рязане и гравиране. При ниска плътност на мощността са необходими няколко милисекунди, за да достигне температурата на повърхността точката на кипене, и преди повърхностният слой да се изпари, долният слой достига точката на топене, което улеснява образуването на добро заваряване чрез сливане. Следователно, при лазерното заваряване с топлопроводимост, диапазонът на плътността на мощността е 104-106 W/cm2.
2. Форма на вълната на лазерния импулс
Формата на вълната на лазерния импулс е не само важен параметър за разграничаване на отстраняването на материал от топенето на материал, но и ключов параметър за определяне на обема и цената на оборудването за обработка. Когато лазерният лъч с висока интензивност достигне повърхността на материала, тя ще има 60 ~ 90% от отражението и загубата на лазерна енергия, особено злато, сребро, мед, алуминий, титан и други материали, които отразяват силно и топлопреминават бързо. Отражателната способност на метала варира с времето по време на лазерния импулсен сигнал. Когато температурата на повърхността на материала се повиши до точката на топене, отражателната способност намалява бързо и когато повърхността е в състояние на топене, отражението се стабилизира на определена стойност.
3. Ширина на импулса Ширината на импулса е важен параметър при импулсно лазерно заваряване. Ширината на импулса се определя от дълбочината на проникване и зоната на топлинно въздействие. Колкото по-дълга е ширината на импулса, толкова по-голяма е зоната на топлинно въздействие, а дълбочината на проникване се увеличава с 1/2 от мощността на ширината на импулса. Увеличаването на ширината на импулса обаче ще намали пиковата мощност, така че увеличаването на ширината на импулса обикновено се използва за топлопроводимо заваряване, което води до широк и плитък размер на заварката, особено подходящ за заваряване на тънки и дебели плочи с припокриване. По-ниската пикова мощност обаче води до излишно влагане на топлина, а всеки материал има оптимална ширина на импулса, която максимизира проникването.
4, дефокусиращото лазерно заваряване обикновено изисква определено количество дефокус, тъй като плътността на мощността на лазерния фокус в центъра на точката е твърде висока и лесно се изпарява в дупки. Разпределението на плътността на мощността е относително равномерно във всяка равнина, далеч от лазерния фокус. Има два метода за дефокусиране: положително дефокусиране и отрицателно дефокусиране. Ако фокалната равнина е разположена над детайла, това е положително дефокусиране; в противен случай, това е отрицателно дефокусиране. Според теорията на геометричната оптика, когато разстоянието между положителната и отрицателната равнина на дефокусиране и равнината на заваряване е равно, плътността на мощността в съответната равнина е приблизително еднаква, но действителната форма на получената заваръчна вана е различна. В случай на отрицателно дефокусиране може да се получи по-голямо проникване, което е свързано с процеса на образуване на разтопена вана.
5, скорост на заваряване Скоростта на заваряване определя качеството на заваръчната повърхност, проникването, зоната, засегната от топлината, и др. Скоростта на заваряване ще повлияе на вложената топлина за единица време. Ако скоростта на заваряване е твърде бавна, вложената топлина е твърде голяма, което води до изгаряне на детайла. Ако скоростта на заваряване е твърде висока, вложената топлина е твърде малка, което води до непрозрачно заваряване на детайла. Намаляването на скоростта на заваряване обикновено се използва за подобряване на проникването.
6, спомагателно обдухване със защитен газ. Спомагателното обдухване със защитен газ е съществен процес при лазерно заваряване с висока мощност. От една страна, то предотвратява разпрашването на метални материали и замърсяването на фокусиращото огледало; от друга страна, то предотвратява прекаленото фокусиране на генерираната по време на заваряването плазма и предотвратява достигането на лазера до повърхността на материала. В процеса на лазерно заваряване често се използват хелий, аргон, азот и други газове за защита на разтопената вана, така че детайлът да бъде защитен от окисляване в заваръчната техника. Фактори като вида на защитния газ, размерът на въздушния поток и ъгълът на обдухване оказват голямо влияние върху резултата от заваряването. Различните методи на обдухване също оказват известно влияние върху качеството на заваряването.
Хелият не се йонизира лесно (има висока йонизираща енергия), което позволява на лазера да преминава гладко и енергията на лъча да достига безпрепятствено повърхността на детайла. Това е най-ефективният защитен газ, използван при лазерно заваряване, но цената му е сравнително висока. Аргонът е по-евтин и по-плътен, така че има по-добра защита. Той обаче лесно се йонизира от високотемпературна метална плазма, като по този начин екранира част от лъча от детайла, намалявайки ефективната лазерна мощност на заваряването, но също така уврежда скоростта на заваряване и проникването. Повърхностите на заварките, защитени с аргон, са по-гладки от тези, защитени с хелий. Азотът е най-евтиният защитен газ, но не е подходящ за някои видове заваряване на неръждаема стомана, главно поради металургични проблеми, като например абсорбция, която понякога създава пори в зоната на припокриване.
Като нова технология за заваряване, лазерното заваряване се характеризира с висока енергийна плътност, висока скорост, висока прецизност, дълбоко проникване и силна адаптивност. Приложението му е все по-широко, което може не само да подобри ефективността на производството, но и да подобри качеството на заваряване. Технологията за лазерно заваряване със сигурност ще играе все по-важна роля в областта на обработката на материали.
Време на публикуване: 28 март 2023 г.
