Lazerinis suvirinimas yra vienas iš svarbių lazerinio apdorojimo technologijos taikymo aspektų, tačiau kartu ir patraukliausia bei perspektyviausia XXI amžiaus suvirinimo technologija. Palyginti su tradiciniais suvirinimo metodais, lazerinis suvirinimas turi daug privalumų, aukštesnę suvirinimo kokybę ir greitesnį efektyvumą. Šiuo metu lazerinio suvirinimo technologija plačiai naudojama gamyboje, miltelių metalurgijoje, automobilių pramonėje, elektronikos pramonėje, biomedicinoje ir kitose srityse.
Pagal suvirinimo vonelės susidarymo mechanizmą, lazerinis suvirinimas turi du pagrindinius suvirinimo mechanizmus: šilumos laidumo suvirinimą ir gilaus įsiskverbimo (mažų skylių) suvirinimą. Šilumos laidumo suvirinimo metu susidaranti šiluma perduodama į ruošinį, todėl suvirinimo paviršius išsilydo, iš esmės nėra garavimo reiškinio, kuris dažnai naudojamas suvirinant mažo greičio plonasienius komponentus. Gilusis lydymosi suvirinimas išgarina medžiagą ir sudaro didelį kiekį plazmos. Dėl didelės šilumos išsilydžiusios vonelės priekiniame gale susidaro skylės. Gilaus įsiskverbimo suvirinimas leidžia kruopščiai suvirinti ruošinį, o įvesties energija yra didelė, suvirinimo greitis didelis, todėl tai yra plačiausiai naudojamas lazerinio suvirinimo būdas.
Lazerinio suvirinimo kokybę įtakoja daug proceso parametrų, tokių kaip galios tankis, lazerio impulso bangos forma, defokusavimas, suvirinimo greitis ir pagalbinės pūtimo dujos.
1. Lazerio galios tankis Galios tankis yra vienas iš svarbiausių lazerinio apdirbimo parametrų. Esant didesniam galios tankiui, paviršiaus sluoksnis gali būti įkaitintas iki virimo temperatūros per mikrosekundes, todėl susidaro didelis garų kiekis. Todėl didelis galios tankis yra labai naudingas medžiagų šalinimo apdorojimui, pavyzdžiui, perforavimui, pjovimui ir graviravimui. Esant mažam galios tankiui, paviršiaus temperatūrai pasiekti virimo temperatūrą reikia kelių milisekundžių, o prieš paviršiaus sluoksniui išgaruojant, apatinis sluoksnis pasiekia lydymosi temperatūrą, todėl lengva suformuoti gerą lydomąjį suvirinimą. Todėl šilumos laidumo lazerinio suvirinimo galios tankio diapazonas yra 104–106 W/cm2.
2. Lazerio impulso bangos forma
Lazerio impulso bangos forma yra ne tik svarbus parametras, skiriantis medžiagos pašalinimą nuo lydymosi, bet ir pagrindinis parametras, lemiantis apdorojimo įrangos kiekį ir kainą. Kai didelio intensyvumo lazerio spindulys pasiekia medžiagos paviršių, medžiagos paviršius atspindės ir praras 60–90 % lazerio energijos, ypač auksas, sidabras, varis, aliuminis, titanas ir kitos medžiagos stipriai atspindėtos ir greitai perduodamos šilumos. Metalo atspindys lazerio impulso signalo metu kinta laikui bėgant. Kai medžiagos paviršiaus temperatūra pakyla iki lydymosi temperatūros, atspindys sparčiai mažėja, o kai paviršius yra lydymosi būsenoje, atspindys stabilizuojasi ties tam tikra verte.
3. Impulso plotis Impulso plotis yra svarbus impulsinio lazerinio suvirinimo parametras. Impulso plotį lemia įsiskverbimo gylis ir karščio paveikta zona. Kuo ilgesnis impulso plotis, tuo didesnė karščio paveikta zona, o įsiskverbimo gylis didėja perpus impulso pločio galia. Tačiau padidinus impulso plotį, sumažės maksimali galia, todėl padidinus impulso plotį paprastai atliekamas šilumos laidumo suvirinimas, todėl suvirinimo siūlė yra plati ir negili, ypač tinkama plonų ir storų plokščių suvirinimui per visą ilgį. Tačiau mažesnė maksimali galia lemia perteklinį šilumos tiekimą, o kiekviena medžiaga turi optimalų impulso plotį, kuris maksimaliai padidina įsiskverbimą.
4. Defokusuotas lazerinis suvirinimas paprastai reikalauja tam tikro defokusavimo, nes lazerio židinio taško centre esantis galios tankis yra per didelis ir lengvai išgaruoja į skyles. Galios tankio pasiskirstymas kiekvienoje plokštumoje, tolyn nuo lazerio židinio, yra gana tolygus. Yra du defokusavimo būdai: teigiamas defokusavimas ir neigiamas defokusavimas. Jei židinio plokštuma yra virš ruošinio, tai yra teigiamas defokusavimas; priešingu atveju tai yra neigiamas defokusavimas. Pagal geometrinės optikos teoriją, kai atstumas tarp teigiamos ir neigiamos defokusavimo plokštumų ir suvirinimo plokštumos yra vienodas, galios tankis atitinkamoje plokštumoje yra maždaug toks pat, tačiau faktinė gauta suvirinimo vonios forma yra kitokia. Neigiamo defokusavimo atveju galima gauti didesnį įsiskverbimą, o tai susiję su išlydytos vonios susidarymo procesu.
5, suvirinimo greitis Suvirinimo greitis lemia suvirinimo paviršiaus kokybę, įsiskverbimą, karščio paveiktą zoną ir kt. Suvirinimo greitis turės įtakos šilumos tiekimui per laiko vienetą. Jei suvirinimo greitis per mažas, šilumos tiekimas per didelis, todėl ruošinys perdega. Jei suvirinimo greitis per didelis, šilumos tiekimas per mažas, todėl ruošinys suvirinamas neskaidrus. Suvirinimo greičio mažinimas paprastai naudojamas įsiskverbimui pagerinti.
6. Pagalbinis apsauginių dujų pūtimas. Pagalbinis apsauginių dujų pūtimas yra esminis procesas atliekant didelio galingumo lazerinį suvirinimą. Viena vertus, jis skirtas apsaugoti metalines medžiagas nuo dulkėjimo ir fokusavimo veidrodžio užteršimo; kita vertus, jis skirtas užkirsti kelią per dideliam suvirinimo procese susidarančios plazmos fokusavimui ir lazerio pasiekimui medžiagos paviršiaus. Lazerinio suvirinimo procese dažnai naudojamos helio, argono, azoto ir kitos dujos, siekiant apsaugoti išlydytą vandeną, kad ruošinys būtų apsaugotas nuo oksidacijos suvirinimo inžinerijoje. Tokie veiksniai kaip apsauginių dujų tipas, oro srauto dydis ir pūtimo kampas turi didelę įtaką suvirinimo rezultatui. Įvairūs pūtimo metodai taip pat turi tam tikrą įtaką suvirinimo kokybei.
Helis lengvai nejonizuojasi (jis turi didelę jonizuojančiąją energiją), todėl lazeris gali sklandžiai praeiti, o spindulio energija netrukdomai pasiekti ruošinio paviršių. Tai efektyviausios apsauginės dujos, naudojamos lazeriniam suvirinimui, tačiau jų kaina yra gana didelė. Argonas yra pigesnis ir tankesnis, todėl jis geriau apsaugo. Tačiau jį lengvai jonizuoja aukštos temperatūros metalo plazma, todėl dalis spindulio yra apsaugoma nuo ruošinio, sumažinant efektyvią suvirinimo lazerio galią, taip pat pažeidžiant suvirinimo greitį ir skvarbą. Argonu apsaugoti suvirinimo siūlių paviršiai yra lygesni nei heliu apsaugoti. Azotas yra pigiausios apsauginės dujos, tačiau jis netinka kai kuriems nerūdijančio plieno suvirinimo tipams, daugiausia dėl metalurginių problemų, tokių kaip absorbcija, kuri kartais sukuria poras persidengimo zonoje.
Kaip nauja suvirinimo technologija, lazerinis suvirinimas pasižymi dideliu energijos tankiu, dideliu greičiu, dideliu tikslumu, giliu įsiskverbimu ir dideliu prisitaikymu. Jo taikymas vis platesnis, o tai gali ne tik pagerinti gamybos efektyvumą, bet ir pagerinti suvirinimo kokybę. Lazerinio suvirinimo technologija neabejotinai atliks svarbesnį vaidmenį medžiagų apdirbimo srityje.
Įrašo laikas: 2023 m. kovo 28 d.
