معرفی تکنولوژی لیزری ولدینگ

1.پرويزآبکشیof laser welding

با استفاده از پرتوهای لیزری پیوسته یا پالسی می توان به این کار دست یافت. اصل ولدینگ لیزری را می توان به قالب های هدایت حرارتی و لیزری که در عمق نفوذی انجام می شود تقسیم کرد. هنگامی که چگالی قدرت کمتر از 104 ~ 105W / cm2 است ، آن را هدایت حرارتی است. در این زمان عمق وزش کم عمق بوده و سرعت این کار کند است. هنگامی که چگالی قدرت بیش از 105 ~ 107W / cm2 است، سطح فلز به یک "حفره" تحت عمل گرما، تشکیل یک welding همجوشی عمیق است. نسبت جنبه ای سریع و گسترده.

اصل لیزر هدایت حرارتی این است: تابش لیزر سطح را گرم می کند تا فرآوری شود، و گرمای سطح توسط هدایت حرارتی به داخل منتشر می شود. با کنترل پارامترهای لیزری مانند عرض پالس لیزر، انرژی، قدرت اوج، و فرکانس تکرار، قطعه کار ذوب می شود تا یک استخر مذاب خاص تشکیل شود.

دستگاه های لیزریبرای چرخ دنده و ورق متالورژی به طور عمده شامل لیزر نفوذ عمیق ولدینگ. در زیر بر اصل لیزر نفوذ عمیق ولدینگ تمرکز دارد.

لیزر نفوذ عمیق به طور کلی از یک پرتو لیزر پیوسته برای تکمیل اتصال مواد استفاده می کند. فرایند فیزیکی متالورژی بسیار شبیه به قالب ریزی پرتو الکترونی است، به این صورت که مکانیزم تبدیل انرژی از طریق یک ساختار «کلید-سوراخ» تکمیل می شود. در زیر تابش لیزر با چگالی با قدرت کافی بالا، مواد تبخیر می شوند و سوراخ های کوچکی را تشکیل می دهند. این سوراخ پر از بخار مانند یک بدنه سیاه است که تقریباً تمام انرژی پرتو حادثه را جذب می کند. دمای تعادل در حفره به حدود ۲۵۰۰ درجه سانتی گراد می رسد گرما از دیواره بیرونی حفره با دمای بالا منتقل می شود که فلز اطراف حفره را ذوب می کند. سوراخ کوچک با بخار با دمای بالا تولید شده توسط تبخیر مداوم مواد دیواره در زیر پرتو پر شده است. چهار دیوار سوراخ کوچک فلز مذاب را احاطه کرده اند و فلز مایع ماده جامد را احاطه کرده است. (در بیشتر فرایندهای معمول و هدایت لیزر، انرژی ابتدا (بر روی سطح قطعه کار رسوب داده می شود، و سپس با انتقال به فضای داخلی منتقل می شود). جریان مایع و کشش سطح دیواره در خارج از دیواره منفذ با فشار بخار به طور مداوم تولید شده در حفره منفذ سازگار است و تعادل پویا را حفظ می کند. پرتو نور به طور مداوم وارد سوراخ کوچک می شود، و ماده خارج از سوراخ کوچک به طور مداوم جریان دارد. با حرکت پرتو نور، سوراخ کوچک همیشه در حالت ثابت جریان قرار دارد. این است که سوراخ کوچک و فلز مذاب اطراف دیوار سوراخ با سرعت رو به جلو پرتو پیشرو به جلو حرکت می کنند. فلز مذاب شکاف سمت چپ را پس از برداشتن سوراخ کوچک پر می کند و با آن متراکم می شود و یک قالب تشکیل می شود. همه این ها آنقدر سریع اتفاق می افتد که سرعت ولدینگ به راحتی می تواند به چند متر در دقیقه برسد.

2.پارامترهای فرایند اصلی از لیزر نفوذ عمیق ولدینگ

(1)قدرت ليزر . آستانه چگالی انرژی لیزر در لیزر ولدینگ وجود دارد. در زیر این مقدار عمق نفوذ بسیار کم عمق است. هنگامی که به این مقدار برسد یا از آن تجاوز کند، عمق نفوذ تا حد زیادی افزایش خواهد یافت. پلاسما تنها زمانی تولید می شود که چگالی قدرت لیزر بر روی قطعه کار بیش از یک آستانه (وابسته به مواد) باشد که نشان دهنده welding نفوذ عمیق پایدار است. اگر قدرت لیزر پایین تر از این آستانه باشد، تنها ذوب سطحی قطعه کار رخ می دهد، عبارت است از این که، در یک نوع هدایت حرارت پایدار، انجام می شود. با این حال، هنگامی که چگالی قدرت لیزر در نزدیکی وضعیت بحرانی برای تشکیل سوراخ های کوچک است، قالب گیری نفوذ عمیق، و welding هادی به تناوب انجام می شود، که تبدیل به یک فرایند ناپایدار و در نتیجه نوسانات زیادی در عمق نفوذ می شود. در لیزر اعماق ولدینگ، قدرت لیزر هم عمق نفوذ و هم سرعت قالب گیری را کنترل می کند. عمق نفوذی ولد ارتباط مستقیمی با چگالی توان پرتو دارد و تابعی از قدرت پرتو حادثه و کانون پرتو است. به طور کلی، برای یک پرتو لیزر با قطر خاص، عمق نفوذ با افزایش قدرت پرتو افزایش می یابد.

(2)نقطه کانونی پرتو. اندازه لکه پرتو یکی از مهم ترین متغیرها برای لیزر ولدینگ است زیرا چگالی توان را تعیین می کند. اما برای لیزرهای با قدرت بالا، اندازه گیری آن یک مشکل دشوار است، اگرچه در حال حاضر تکنیک های اندازه گیری غیر مستقیم زیادی وجود دارد.

اندازه نقطه حد پراش نقطه پرتو را می توان با توجه به نظریه پراش نور محاسبه کرد، اما به دلیل بی رویه بودن لنز فوکوس کننده، اندازه نقطه واقعی بزرگتر از مقدار محاسبه شده است. ساده ترین روش اندازه گیری پروفایل ایزوترمال است که پس از سوختن و نفوذ به یک تخته پلی پروپیلن با کاغذ ضخیم، قطر کانونی و سوراخ سازی را اندازه گیری می کند. این روش اندازه گیری توان لیزر و زمان پرتو از طریق تمرین اندازه گیری است.

(3)مقدار جذب مواد . جذب یک لیزر توسط یک ماده به برخی خواص مهم ماده بستگی دارد، مانند جذب، بازتاب پذیری، هدایت حرارتی، دمای ذوب، دمای تبخیر و غیره. مهم ترین آن ها پوچی است.

عواملی که بر میزان جذب یک پرتو لیزر توسط ماده تأثیر می گذارد شامل دو جنبه است: اول مقاومت ماده. پس از اندازه گیری جذب سطح صیقلی ماده، مشخص می شود که جذب ماده با ریشه مربع مقاومت متناسب است، و مقاومت با دما و تغییرات متفاوت است؛ دوم اینکه حالت سطحی (یا همواری) ماده تأثیر مهم تری بر میزان جذب پرتو دارد که تأثیر قابل توجهی بر اثر welding دارد.

طول موج خروجی یک لیزر CO2 معمولاً ۱۰٫۶ میکرومتر است. غیر فلزاتی مانند سرامیک، شیشه، لاستیک، و پلاستیک در دمای اتاق سرعت جذب بالایی دارند و مواد فلزی جذب ضعیفی در دمای اتاق دارند تا زمانی که ماده ذوب شود و حتی گاز جذب آن به شدت افزایش یافته است.

بهبود جذب پرتو نور به روش پوشش سطحی یا تشکیل یک فیلم اکسیدی بر روی سطح بسیار مؤثر است.

(4)سرعت ولد کردن . سرعت ولدینگ تأثیر بیشتری بر عمق نفوذ دارد. افزایش سرعت عمق نفوذ را کندتر خواهد کرد، اما سرعت بیش از حد پایین باعث ذوب بیش از حد مواد و welding قطعه کار خواهد شد. بنابراین محدوده سرعت مناسب برای یک ماده خاص با توان لیزری معین و ضخامت خاصی وجود دارد و حداکثر عمق نفوذ را می توان در مقدار سرعت مربوطه به دست داد.

(5)گاز محافظ . فرایند ویلدینگ لیزر اغلب از گاز بی اثر برای محافظت از استخر مذاب استفاده می کند. هنگامی که برخی از مواد را به کار می گیرند، اکسیداسیون سطح را می توان نادیده گرفت، اما حفاظت در نظر گرفته نمی شود، اما برای اکثر کاربردها، هلیوم، آرگون، نیتروژن، و گازهای دیگر اغلب برای محافظت از قطعه کار استفاده می شود. محافظت شده از اکسیداسیون در طول قالب ریزی.

هلیوم به راحتی ایونیزه نمی شود (انرژی ایونیزاسیون بالاتر)، که به لیزر اجازه عبور هموار را می دهد و انرژی پرتو بدون مانع به سطح قطعه کار می رسد. این موثرترین گاز محافظ مورد استفاده در لیزر ولدینگ است، اما گران تر است.

آرگون ارزان تر است و تراکم بالاتری دارد، بنابراین اثر حفاظتی بهتر است. با این حال مستعد ابتلا به ایونیزاسیون پلاسمای فلزی با دمای بالا است. در نتیجه بخشی از پرتو نور را از تابش به قطعه کار، کاهش قدرت لیزر مؤثر برای قالب گیری، و آسیب رساندن به سرعت و نفوذ قالب محافظت می کند. سطوح از weldments محافظت شده با آرگون صاف تر از کسانی که با هلیوم محافظت می شود.

نیتروژن ارزان ترین گاز به عنوان یک گاز محافظ است، اما برای welding انواع خاصی از فولاد ضد زنگ مناسب نیست، عمدتاً به دلیل مسائل متالورژی، مانند جذب، و گاهی اوقات منفذ در منطقه همپوشانی ایجاد می شود.

نقش دوم استفاده از یک گاز محافظ محافظت از لنز فوکوس کننده از آلودگی بخار فلزی و کندوپاش قطره های مایع است. به خصوص در هنگام استفاده از لیزر با قدرت بالا، با قدرتمند شدن خارج شدن، محافظت از لنز در این زمان بیشتر ضروری است.

عملکرد سوم گاز محافظ این است که به طور موثر دفع سپر پلاسما تولید شده توسط لیزر با قدرت بالا welding. بخار فلزی پرتو لیزر را جذب می کند و به یک ابر پلاسمایی ایونیزه می شود. گاز محافظ اطراف بخار فلزی نیز با حرارت دادن به هم می ریزیم. اگر پلاسمای بیش از حد وجود داشته باشد، پرتو لیزر تا حدودی توسط پلاسما مصرف می شود. پلاسما در سطح کار به عنوان انرژی دوم وجود دارد که باعث می شود نفوذ کندتر و سطح استخر welding گسترده تر شود. سرعت ترکیب مجدد الکترون با افزایش برخورد الکترون ها با آیون ها و اتم های خنثی افزایش می یابد، به طوری که چگالی الکترون در پلاسما کاهش می یابد. هر چه اتم خنثی سبک تر باشد، فرکانس برخورد بیشتر و میزان ترکیب مجدد بیشتر است؛ از سوی دیگر، تنها گاز محافظ با انرژی ایونیزاسیون بالا، چگالی الکترون را به دلیل ایونیزاسیون خود گاز افزایش نخواهد داد.

هلیوم کمترین ایونیزاسیون و کمترین چگالی را دارد و می تواند به سرعت بخار فلزی رو به افزایش تولید شده از استخر فلزی مذاب را حذف کند. بنابراین استفاده از هلیوم به عنوان یک گاز محافظ می تواند پلاسما را تا حد حداکثر سرکوب کند و در نتیجه عمق نفوذ و سرعت ویلدینگ را افزایش دهد؛ آن را می تواند به دلیل سبک وزن خود را فرار و آسان نیست به علت منذذ. البته از اثر welding واقعی ما، اثر محافظت با آرگون بد نیست.

اثر ابر پلاسما بر نفوذ بیشتر در منطقه سرعت کم ولد آشکار است. با افزایش سرعت welding، اثرات آن کاهش می یابد.

گاز محافظ از طریق پازل با فشار خاصی به سطح قطعه کار خارج می شود. شکل هیدرودینامیکی پازل و قطر خروجی بسیار مهم است. باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا گاز محافظ پاشیده شده را برای پوشاندن سطح welding رانندگی کند، اما برای اینکه به طور مؤثری از لنز محافظت کند و از آلودگی بخار فلزی یا اسپتر فلزی از آسیب رساندن به لنز جلوگیری کند، اندازه پازل نیز باید محدود شود. سرعت جریان نیز باید کنترل شود، در غیر این صورت، جریان لمینار گاز محافظ آشفته می شود، جو به داخل استخر مذاب کشیده می شود و در نهایت منفرش هایی تشکیل می شود.

به منظور بهبود اثر حفاظت، یک روش دمیدن جانبی اضافی نیز می تواند مورد استفاده قرار گیرد، به این ترتیب، یک گاز محافظ به طور مستقیم به سوراخ کوچک از نفوذ عمیق و از طریق یک پازل قطر کوچک در یک زاویه خاص تزریق می شود. گاز محافظ نه تنها ابر پلاسما را بر روی سطح قطعه کار سرکوب می کند، بلکه تأثیری بر پلاسمای داخل سوراخ ها و تشکیل سوراخ های کوچک اعمال می کند و عمق نفوذ برای به دست آوردن یک قالب ایده آل با مقایسه عمق به عرض بیشتر می شود. با این حال، این روش نیاز به کنترل دقیق بزرگی و جهت جریان گاز دارد، در غیر این صورت، اغتشاش به احتمال زیاد رخ می دهد و به استخر مذاب آسیب می رسد که باعث می شود فرایند گند زدن تثبیت مشکل شود.

(6)لنز کانونی. در هنگام انجام این کار معمولاً از فوکوس برای همگرا کردن لیزر استفاده می شود. به طور کلی از لنزی با طول کانونی ۶۳ ~ ۲۵۴ میلی متر (۲٫۵ "~ ۱۰") استفاده می شود. اندازه نقطه کانونی به طور مستقیم متناسب با طول کانونی است. هر چه طول کانونی کوتاه تر باشد، کانون کوچکتر می شود. با این حال، فاصله کانونی بر عمق کانونی نیز تأثیر می گذارد، به این دلیل که عمق کانونی به طور همزمان با فاصله کانونی افزایش می یابد، بنابراین یک فاصله کانونی کوتاه می تواند چگالی توان را افزایش دهد، اما چون عمق کانونی کوچک است، فاصله بین لنز و قطعه کار باید به دقت حفظ شود، و عمق نفوذ بزرگ نیست. با توجه به اثرات اسپترها و حالت های لیزری تولید شده در طول قالب دهی، کوتاه ترین عمق کانونی مورد استفاده در قالب واقعی، بیشتر طول کانونی ۱۲۶ میلی متر (۵ ") است. هنگامی که درز بزرگ است و یا لازم است برای افزایش قالب با افزایش اندازه نقطه, انتخاب لنز با طول کانونی 254mm (10 "). در این حالت برای دستیابی به اثر سوراخ سوراخ عمیق مذاب به یک قدرت خروجی لیزری بالاتر (چگالی قدرت) نیاز است.

هنگامی که قدرت لیزر بیش از 2kW، به خصوص برای پرتو لیزر CO2 10.6μm، به دلیل استفاده از مواد نوری خاص برای تشکیل سیستم نوری، به منظور جلوگیری از خطر آسیب نوری به لنز فوکوس، روش تمرکز بازتاب اغلب استفاده می شود، و آینه های مس جلا به طور کلی به عنوان آینه استفاده می شود. با توجه به خنک کننده موثر آن، اغلب برای تمرکز پرتو لیزر با قدرت بالا توصیه می شود.

(7)موقعيت تمرکز . به منظور حفظ چگالی قدرت کافی در حین انجام کار، موقعیت فوکوس بحرانی است. تغییر موقعیت نسبی فوکوس و سطح قطعه کار به طور مستقیم بر عرض و عمق قالب اثر می گذارد.

در بیشتر کاربردهای لیزری، موقعیت نقطه کانونی معمولاً در حدود ۱/۴ عمق نفوذ مورد نیاز زیر سطح قطعه کار تنظیم می شود.

(8)موقعيت پرتو ليزر . زمانی که لیزر مواد مختلف را به صورت لیزری ولد می کند، موقعیت پرتو لیزر کیفیت نهایی این قالب را به ویژه در مورد مفاصل لب به لب کنترل می کند که نسبت به مورد مفاصل دامان حساس تر است. به عنوان مثال، هنگامی که چرخ دنده های فولادی سخت شده به طبل های فولادی کم کربن زده می شوند، کنترل صحیح موقعیت پرتو لیزر برای تولید قالب هایی که عمدتاً از اجزای کم کربن تشکیل شده اند، مفید خواهد بود که مقاومت ترک بهتری دارند. در برخی کاربردها هندسه قطعه کار ولد شده مستلزم آن است که پرتو لیزر توسط یک زاویه منحرف شود. هنگامی که زاویه انحراف بین محور پرتو و هواپیمای مشترک در عرض ۱۰۰ درجه باشد، جذب قطعه کار از انرژی لیزر تحت تأثیر قرار نخواهد گرفت.

(9)توان لیزر در شروع و انتهای این کار به تدریج کنترل می شود. در لیزر عمیق-welding، pinholes همیشه بدون در نظر گرفتن عمق قالب وجود دارد. هنگامی که فرایند ویلدینگ خاتمه می یافت و سوئیچ قدرت خاموش می شد، دیمپل ها در انتهای قالب ظاهر می شوند. علاوه بر این، هنگامی که لایه لیزری ولدینگ درز اصلی را پوشش می دهد، جذب بیش از حد پرتو لیزر ممکن است رخ دهد که در نتیجه بیش از حد گرم شدن قالب یا تولید تعدخل صورت می گیرد.

طاهرهo از وقوع پدیده فوق جلوگیری می کند، برنامه ای می تواند برای نقاط شروع و پایان قدرت ساخته شود، به طوری که زمان شروع و پایان توان قابل تنظیم باشد، به این صورت که توان شروع از صفر به مقدار توان مجموعه در مدت کوتاهی با روش های الکترونیکی افزایش می یابد، و زمان تنظیم شده با زمان تنظیم شده است. ، و در نهایت قدرت به تدریج از توان مجموعه به صفر کاهش می یابد زمانی که welding خاتمه می یابد.

3.لیزر عمیق همجوشی ویژگی های welding ، مزایا ، و معایب

(1)ویژگی های لیزری نفوذ عمیق

①نسبت جنبه بالا. از آنجا که فلز مذاب در اطراف حفره بخار با دمای بالا استوانه ای تشکیل شده و به سمت قطعه کار گسترش می یابد، درز قالب عمیق و باریک می شود.

②حداقل ورودی گرما. به دلیل اینکه دما در سوراخ های کوچک بسیار زیاد است، فرایند ذوب خیلی سریع رخ می دهد، ورودی گرما به قطعه کار بسیار کم است، و تحریف گرما و منطقه آسیب دیده از گرما کوچک است.

③تراکم بالا . زیرا سوراخ های کوچک پر از بخار با دمای بالا برای هم زدن استخر welding و فرار گاز مساعد است و در نتیجه به وجود می آیند که بدون منفذ و بدون نفوذ می شوند. سرعت خنک کننده بالا پس از انجام این کار، کوچک سازی ساختار قالب را آسان می کند.

④ولد قوي . به دلیل منبع گرمای گرم و جذب کافی اجزای غیر فلزی، محتوای نشات کاهش می یابد، اندازه شمول ها و توزیع آن ها در استخر مذاب تغییر می کند. فرایند ذوب نیاز به الکترود یا سیم پرکننده ندارد و منطقه ذوب کمتر آلوده است و قدرت و چقرمگی قالب را حداقل معادل یا حتی بیشتر از فلز والد می کند.

⑤کنترل دقيق . از آنجا که نقطه کانونی کوچک است، می توان قالب را با دقت بالا قرار داد. خروجی لیزر هیچ "سستی" ندارد و می تواند در سرعت های بالا متوقف و دوباره راه اندازی شود. تکنولوژی متحرک پرتو CNC می تواند تکه های کاری پیچیده ای را جوش دهد.

⑥فرایند عدم تماس جو ولدینگ. چون انرژی از پرتوی فتون می آید و هیچ تماس فیزیکی با قطعه کار وجود ندارد، هیچ نیروی خارجی روی قطعه کار اعمال نمی شود. علاوه بر این، هم مغناطیسی و هم هوا تأثیری بر لیزر ندارد.

(2)عليdvantages از لیزر عمیق ولدینگ

①لیزرهای متمرکز چگالی قدرت بسیار بالاتری نسبت به روش های معمولی دارند که در نتیجه سرعت های سریع تر welding، مناطق کمتر تحت تأثیر گرما و تغییر شکل، و welding مواد دشوار به قالب مانند تیتانیوم است.

②از آنجا که انتقال و کنترل پرتو آسان است، نیازی به تغییر مکرر مشعل و خیره کننده در این کار نیست و هیچ خلاء مورد نیاز برای ذوب پرتو الکترون وجود ندارد که به طور قابل توجهی زمان کمکی برای خاموش شدن را کاهش می دهد، بنابراین عامل بار و کارایی تولید بالا است.

③با توجه به اثر تصفیه و سرعت خنک کننده بالا، قالب دارای استحکام بالا، سختی، و عملکرد جامع است.

④با توجه به ورودی حرارت متوسط پایین و دقت ماشینکاری بالا، هزینه های پردازش مجدد را می توان کاهش داد؛ علاوه بر این، هزینه های عملیات لیزری نیز کمتر است، که می تواند هزینه های پردازش قطعه کار را کاهش دهد.

⑤این می تواند به طور موثر کنترل شدت پرتو و موقعیت یابی خوب, و آن را آسان برای تحقق بخشیدن به عمل خودکار.

(3)معایب لیزر در عمق ولدینگ

①دبلیوعمق الدینگ استمحدود.

②الزامات مونتاژ قطعه کار بالا است.

③اميدسرمایه گذاری ne-time در سیستم های لیزری بالا است.