Lasersvetsning är en av de viktigaste aspekterna av tillämpningen av laserbearbetningsteknik, men också den mest iögonfallande och lovande svetstekniken under 2000-talet. Jämfört med traditionella svetsmetoder har lasersvetsning många fördelar, högre svetskvalitet och snabbare effektivitet. För närvarande har lasersvetsteknik använts i stor utsträckning inom tillverkning, pulvermetallurgi, bilindustrin, elektronikindustrin, biomedicin och andra områden.
Enligt svetsbassängens bildningsmekanism har lasersvetsning två grundläggande svetsmekanismer: värmeledningssvetsning och djupsvetsning (småhålssvetsning). Värmen som genereras vid värmeledningssvetsning diffunderas till arbetsstycket genom värmeöverföring, så att svetsytan smälter, i princip utan förångningsfenomen, vilket ofta används vid svetsning av tunnväggiga komponenter med låg hastighet. Djupsvetsning förångar materialet och bildar en stor mängd plasma. På grund av den stora värmen kommer det att finnas hål i den främre änden av smältbassängen. Djupsvetsning kan svetsa arbetsstycket noggrant, och ingångsenergin är stor, svetshastigheten är snabb, vilket är det mest använda lasersvetsningssättet.
Det finns många processparametrar som påverkar lasersvetsningskvaliteten, såsom effekttäthet, laserpulsvågform, defokusering, svetshastighet och hjälpgas.
1. Laserns effekttäthet Effekttätheten är en av de mest kritiska parametrarna vid laserbearbetning. Med en högre effekttäthet kan ytskiktet värmas upp till kokpunkten inom ett tidsintervall på mikrosekunder, vilket genererar en stor mängd förångning. Därför är den höga effekttätheten mycket fördelaktig för materialavverkningsprocesser, såsom stansning, skärning och gravering. Vid låg effekttäthet tar det flera millisekunder för yttemperaturen att nå kokpunkten, och innan ytskiktet förångas når det undre skiktet smältpunkten, vilket gör det lätt att bilda en bra smältsvetsning. Därför är effekttäthetsintervallet 104-106 W/cm2 vid värmeledningslasersvetsning.
2. Laserpulsvågform
Laserpulsvågformen är inte bara en viktig parameter för att skilja materialborttagning från smältning, utan också en nyckelparameter för att bestämma volymen och kostnaden för bearbetningsutrustning. När en högintensiv laserstråle träffar materialets yta kommer 60 ~ 90% av laserenergin att reflekteras och förloras på materialytan. Speciellt guld, silver, koppar, aluminium, titan och andra material reflekteras starkt och värmen överförs snabbt. Metallens reflektans varierar med tiden under en laserpulssignal. När materialets yttemperatur höjs till smältpunkten minskar reflektionsförmågan snabbt, och när ytan är i smälttillstånd stabiliseras reflektionen vid ett visst värde.
3. Pulsbredd Pulsbredden är en viktig parameter vid pulsad lasersvetsning. Pulsbredden bestämdes av penetrationsdjupet och den värmepåverkade zonen. Ju längre pulsbredden är, desto större är den värmepåverkade zonen, och penetrationsdjupet ökar med halva pulsbreddens effekt. Ökningen av pulsbredden minskar dock toppeffekten, så ökningen av pulsbredden används generellt för värmeledningssvetsning, vilket resulterar i en bred och grund svetsstorlek, särskilt lämplig för överlappsvetsning av tunna och tjocka plåtar. Lägre toppeffekt resulterar dock i överskottsvärmetillförsel, och varje material har en optimal pulsbredd som maximerar penetrationen.
4. Defokuserad lasersvetsning kräver vanligtvis en viss mängd defokusering, eftersom laserfokus i mitten av punktens effekttäthet är för hög och lätt förångas in i hålen. Effekttäthetsfördelningen är relativt jämn i varje plan bort från laserfokus. Det finns två defokuseringsmetoder: positiv defokusering och negativ defokusering. Om fokusplanet är beläget ovanför arbetsstycket är det positiv defokusering; annars är det negativ defokusering. Enligt den geometriska optiska teorin är effekttätheten på motsvarande plan ungefär densamma när avståndet mellan de positiva och negativa defokuseringsplanen och svetsplanet är lika, men den faktiska erhållna smältbadsformen är annorlunda. Vid negativ defokusering kan större penetration erhållas, vilket är relaterat till smältbadsbildningsprocessen.
5, svetshastighet Svetshastigheten avgör svetsytans kvalitet, penetration, värmepåverkad zon etc. Svetshastigheten påverkar värmetillförseln per tidsenhet. Om svetshastigheten är för låg är värmetillförseln för stor, vilket resulterar i att arbetsstycket brinner igenom. Om svetshastigheten är för hög är värmetillförseln för liten, vilket resulterar i att arbetsstycket svetsas ogenomskinligt. Att minska svetshastigheten används vanligtvis för att förbättra penetrationen.
6, Hjälpblåsande skyddsgas Hjälpblåsande skyddsgas är en viktig process vid högeffektslasersvetsning. Å ena sidan är det för att förhindra att metallmaterial sputterar och förorenar fokuseringsspegeln; å andra sidan är det för att förhindra att plasman som genereras i svetsprocessen fokuserar för mycket och förhindra att lasern når materialytan. Vid lasersvetsning används ofta helium, argon, kväve och andra gaser för att skydda smältbadet, så att arbetsstycket skyddas från oxidation i svetstekniken. Faktorer som typ av skyddsgas, luftflödets storlek och blåsvinkel har stor inverkan på svetsresultatet. Olika blåsmetoder har också en viss inverkan på svetskvaliteten.
Helium joniserar inte lätt (det har hög joniserande energi), vilket gör att lasern kan passera smidigt och strålenergin når arbetsstyckets yta obehindrat. Detta är den mest effektiva skyddsgasen som används vid lasersvetsning, men priset är relativt högt. Argon är billigare och tätare, så den har bättre skydd. Den joniseras dock lätt av högtemperaturmetallplasma, vilket skyddar en del av strålen från arbetsstycket, vilket minskar den effektiva lasereffekten vid svetsning, men skadar också svetshastigheten och penetrationen. Ytorna på svetsar som skyddas av argon är jämnare än de som skyddas av helium. Kväve är den billigaste som skyddsgas, men den är inte lämplig för vissa typer av svetsning av rostfritt stål, främst på grund av metallurgiska problem, såsom absorption, vilket ibland skapar porer i överlappningszonen.
Som en ny svetsteknik har lasersvetsning egenskaper som hög energitäthet, hög hastighet, hög precision, djup penetration och stark anpassningsförmåga. Dess tillämpning blir alltmer omfattande, vilket inte bara kan förbättra produktionseffektiviteten utan även förbättra svetskvaliteten. Lasersvetstekniken kommer säkerligen att spela en allt viktigare roll inom materialbearbetning.
Publiceringstid: 28 mars 2023
