Η συγκόλληση με λέιζερ είναι μια από τις σημαντικές πτυχές της εφαρμογής της τεχνολογίας επεξεργασίας λέιζερ, αλλά και η πιο εντυπωσιακή και πολλά υποσχόμενη τεχνολογία συγκόλλησης στον 21ο αιώνα. Σε σύγκριση με τις παραδοσιακές μεθόδους συγκόλλησης, η συγκόλληση με λέιζερ έχει πολλά πλεονεκτήματα, υψηλότερη ποιότητα συγκόλλησης και ταχύτερη απόδοση. Σήμερα, η τεχνολογία συγκόλλησης με λέιζερ έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως στη μεταποίηση, τη μεταλλουργία σκόνης, την αυτοκινητοβιομηχανία, τη βιομηχανία ηλεκτρονικών, τη βιοϊατρική και άλλους τομείς.
Σύμφωνα με τον μηχανισμό σχηματισμού της δεξαμενής συγκόλλησης, η συγκόλληση με λέιζερ έχει δύο βασικούς μηχανισμούς συγκόλλησης: συγκόλληση με θερμική αγωγιμότητα και συγκόλληση βαθιάς διείσδυσης (μικρής οπής). Η θερμότητα που παράγεται από τη συγκόλληση με θερμική αγωγιμότητα διαχέεται στο τεμάχιο εργασίας μέσω μεταφοράς θερμότητας, έτσι ώστε η επιφάνεια της συγκόλλησης να λιώνει, ουσιαστικά χωρίς φαινόμενο εξάτμισης, το οποίο χρησιμοποιείται συχνά στη συγκόλληση εξαρτημάτων λεπτού τοιχώματος χαμηλής ταχύτητας. Η βαθιά συγκόλληση με σύντηξη εξατμίζει το υλικό και σχηματίζει μεγάλη ποσότητα πλάσματος. Λόγω της μεγάλης θερμότητας, θα υπάρχουν οπές στο μπροστινό άκρο της λιωμένης δεξαμενής. Η συγκόλληση βαθιάς διείσδυσης μπορεί να συγκολλήσει το τεμάχιο εργασίας πλήρως, και η ενέργεια εισόδου είναι μεγάλη, η ταχύτητα συγκόλλησης είναι γρήγορη, είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη λειτουργία συγκόλλησης με λέιζερ.
Υπάρχουν πολλές παράμετροι διεργασίας που επηρεάζουν την ποιότητα συγκόλλησης με λέιζερ, όπως η πυκνότητα ισχύος, η κυματομορφή παλμού λέιζερ, η αποεστίαση, η ταχύτητα συγκόλλησης και το βοηθητικό αέριο εμφύσησης.
1. Πυκνότητα ισχύος λέιζερ Η πυκνότητα ισχύος είναι μία από τις πιο κρίσιμες παραμέτρους στην επεξεργασία με λέιζερ. Με υψηλότερη πυκνότητα ισχύος, το επιφανειακό στρώμα μπορεί να θερμανθεί σε σημείο βρασμού μέσα σε χρονικό εύρος μικροδευτερολέπτων, δημιουργώντας μεγάλη ποσότητα εξάτμισης. Επομένως, η υψηλή πυκνότητα ισχύος είναι πολύ πλεονεκτική για την επεξεργασία αφαίρεσης υλικού, όπως διάτρηση, κοπή και χάραξη. Για χαμηλή πυκνότητα ισχύος, χρειάζονται αρκετά χιλιοστά του δευτερολέπτου για να φτάσει η θερμοκρασία της επιφάνειας στο σημείο βρασμού και πριν εξατμιστεί το επιφανειακό στρώμα, το κάτω στρώμα φτάνει στο σημείο τήξης, το οποίο είναι εύκολο να σχηματίσει μια καλή συγκόλληση με σύντηξη. Επομένως, στη συγκόλληση με λέιζερ θερμικής αγωγιμότητας, το εύρος πυκνότητας ισχύος είναι 104-106W/cm2.
2. Κυματομορφή παλμού λέιζερ
Η κυματομορφή παλμού λέιζερ δεν είναι μόνο μια σημαντική παράμετρος για τη διάκριση της αφαίρεσης υλικού από την τήξη υλικού, αλλά και μια βασική παράμετρος για τον προσδιορισμό του όγκου και του κόστους του εξοπλισμού επεξεργασίας. Όταν η δέσμη λέιζερ υψηλής έντασης φτάνει στην επιφάνεια του υλικού, η επιφάνεια του υλικού θα έχει 60 ~ 90% της ενέργειας ανάκλασης και απώλειας λέιζερ, ειδικά ο χρυσός, το ασήμι, ο χαλκός, το αλουμίνιο, το τιτάνιο και άλλα υλικά θα έχουν ισχυρή ανάκλαση και γρήγορη μεταφορά θερμότητας. Η ανακλαστικότητα ενός μετάλλου ποικίλλει με την πάροδο του χρόνου κατά τη διάρκεια ενός σήματος παλμού λέιζερ. Όταν η θερμοκρασία της επιφάνειας του υλικού αυξηθεί στο σημείο τήξης, η ανακλαστικότητα μειώνεται γρήγορα και όταν η επιφάνεια βρίσκεται σε κατάσταση τήξης, η ανάκλαση σταθεροποιείται σε μια ορισμένη τιμή.
3. Πλάτος παλμού Το πλάτος παλμού είναι μια σημαντική παράμετρος της συγκόλλησης με παλμικό λέιζερ. Το πλάτος παλμού καθορίστηκε από το βάθος διείσδυσης και τη ζώνη που επηρεάζεται από τη θερμότητα. Όσο μεγαλύτερο είναι το πλάτος παλμού, τόσο μεγαλύτερη είναι η ζώνη που επηρεάζεται από τη θερμότητα και το βάθος διείσδυσης αυξήθηκε με το 1/2 της ισχύος του πλάτους παλμού. Ωστόσο, η αύξηση του πλάτους παλμού θα μειώσει τη μέγιστη ισχύ, επομένως η αύξηση του πλάτους παλμού χρησιμοποιείται γενικά για συγκόλληση με θερμική αγωγιμότητα, με αποτέλεσμα ένα ευρύ και ρηχό μέγεθος συγκόλλησης, ιδιαίτερα κατάλληλο για συγκόλληση με επικάλυψη λεπτών και παχιών πλακών. Ωστόσο, η χαμηλότερη μέγιστη ισχύς έχει ως αποτέλεσμα υπερβολική είσοδο θερμότητας και κάθε υλικό έχει ένα βέλτιστο πλάτος παλμού που μεγιστοποιεί τη διείσδυση.
4, η συγκόλληση με λέιζερ αποεστίασης συνήθως απαιτεί μια ορισμένη ποσότητα αποεστίασης, επειδή η πυκνότητα ισχύος της εστίασης λέιζερ στο κέντρο του σημείου είναι πολύ υψηλή, με αποτέλεσμα να εξατμίζεται εύκολα στις οπές. Η κατανομή της πυκνότητας ισχύος είναι σχετικά ομοιόμορφη σε κάθε επίπεδο μακριά από την εστίαση λέιζερ. Υπάρχουν δύο μέθοδοι αποεστίασης: θετική αποεστίαση και αρνητική αποεστίαση. Εάν το εστιακό επίπεδο βρίσκεται πάνω από το τεμάχιο εργασίας, πρόκειται για θετική αποεστίαση. Διαφορετικά, πρόκειται για αρνητική αποεστίαση. Σύμφωνα με τη θεωρία της γεωμετρικής οπτικής, όταν η απόσταση μεταξύ των θετικών και αρνητικών επιπέδων αποεστίασης και του επιπέδου συγκόλλησης είναι ίση, η πυκνότητα ισχύος στο αντίστοιχο επίπεδο είναι περίπου η ίδια, αλλά το πραγματικό σχήμα της λίμνης συγκόλλησης που προκύπτει είναι διαφορετικό. Στην περίπτωση της αρνητικής αποεστίασης, μπορεί να επιτευχθεί μεγαλύτερη διείσδυση, η οποία σχετίζεται με τη διαδικασία σχηματισμού της λιωμένης λίμνης.
5, ταχύτητα συγκόλλησης Η ταχύτητα συγκόλλησης καθορίζει την ποιότητα της επιφάνειας συγκόλλησης, τη διείσδυση, τη θερμικά επηρεαζόμενη ζώνη κ.λπ. Η ταχύτητα συγκόλλησης θα επηρεάσει την εισερχόμενη θερμότητα ανά μονάδα χρόνου. Εάν η ταχύτητα συγκόλλησης είναι πολύ αργή, η εισερχόμενη θερμότητα είναι πολύ μεγάλη, με αποτέλεσμα το κάψιμο του τεμαχίου εργασίας. Εάν η ταχύτητα συγκόλλησης είναι πολύ γρήγορη, η εισερχόμενη θερμότητα είναι πολύ μικρή, με αποτέλεσμα η συγκόλληση του τεμαχίου εργασίας να γίνεται αδιαφανής. Η μείωση της ταχύτητας συγκόλλησης χρησιμοποιείται συνήθως για τη βελτίωση της διείσδυσης.
6, βοηθητικό αέριο εμφύσησης προστατευτικού αερίου Το βοηθητικό αέριο εμφύσησης προστατευτικού αερίου είναι μια απαραίτητη διαδικασία στη συγκόλληση με λέιζερ υψηλής ισχύος. Αφενός, για την αποτροπή ψεκασμού και ρύπανσης του καθρέφτη εστίασης από μεταλλικά υλικά. Αφετέρου, για την αποτροπή υπερβολικής εστίασης του πλάσματος που παράγεται κατά τη διαδικασία συγκόλλησης και την αποτροπή της εμβέλειας του λέιζερ στην επιφάνεια του υλικού. Κατά τη διαδικασία συγκόλλησης με λέιζερ, συχνά χρησιμοποιούνται ήλιο, αργό, άζωτο και άλλα αέρια για την προστασία της λιωμένης δεξαμενής, έτσι ώστε το τεμάχιο εργασίας να προστατεύεται από την οξείδωση κατά τη μηχανική συγκόλλησης. Παράγοντες όπως ο τύπος του προστατευτικού αερίου, το μέγεθος της ροής αέρα και η γωνία εμφύσησης έχουν μεγάλη επίδραση στο αποτέλεσμα της συγκόλλησης. Διαφορετικές μέθοδοι εμφύσησης έχουν επίσης κάποια επίδραση στην ποιότητα της συγκόλλησης.
Το ήλιο δεν ιονίζεται εύκολα (έχει υψηλή ιονίζουσα ενέργεια), επιτρέποντας στο λέιζερ να διέρχεται ομαλά και στην ενέργεια της δέσμης να φτάνει στην επιφάνεια του τεμαχίου εργασίας ανεμπόδιστα. Αυτό είναι το πιο αποτελεσματικό προστατευτικό αέριο που χρησιμοποιείται στη συγκόλληση με λέιζερ, αλλά η τιμή του είναι σχετικά ακριβή. Το αργό είναι φθηνότερο και πυκνότερο, επομένως έχει καλύτερη προστασία. Ωστόσο, ιονίζεται εύκολα από πλάσμα μετάλλου υψηλής θερμοκρασίας, προστατεύοντας έτσι μέρος της δέσμης από το τεμάχιο εργασίας, μειώνοντας την αποτελεσματική ισχύ της συγκόλλησης με λέιζερ, αλλά και καταστρέφοντας την ταχύτητα και τη διείσδυση της συγκόλλησης. Οι επιφάνειες των συγκολλήσεων που προστατεύονται από αργό είναι πιο λείες από αυτές που προστατεύονται από ήλιο. Το άζωτο είναι το φθηνότερο ως προστατευτικό αέριο, αλλά δεν είναι κατάλληλο για ορισμένους τύπους συγκόλλησης ανοξείδωτου χάλυβα, κυρίως λόγω μεταλλουργικών προβλημάτων, όπως η απορρόφηση, η οποία μερικές φορές δημιουργεί πόρους στη ζώνη επικάλυψης.
Ως νέα τεχνολογία συγκόλλησης, η συγκόλληση με λέιζερ έχει τα χαρακτηριστικά υψηλής ενεργειακής πυκνότητας, υψηλής ταχύτητας, υψηλής ακρίβειας, βαθιάς διείσδυσης και ισχυρής προσαρμοστικότητας. Η εφαρμογή της είναι ολοένα και πιο εκτεταμένη, γεγονός που μπορεί όχι μόνο να βελτιώσει την αποδοτικότητα της παραγωγής αλλά και να βελτιώσει την ποιότητα της συγκόλλησης. Η τεχνολογία συγκόλλησης με λέιζερ σίγουρα θα διαδραματίσει σημαντικότερο ρόλο στον τομέα της επεξεργασίας υλικών.
Ώρα δημοσίευσης: 28 Μαρτίου 2023
