Lazer kaynak prensibi
Lazer kaynağı, sürekli veya darbeli lazer ışınlarıyla gerçekleştirilebilir. Lazer kaynağı prensibi, ısı iletimli kaynak ve lazer derin penetrasyonlu kaynak olarak ayrılabilir. Güç yoğunluğu 104~105 W/cm2'den az olduğunda, ısı iletim kaynağıdır. Bu sırada, penetrasyon derinliği sığdır ve kaynak hızı yavaştır; güç yoğunluğu 105~107 W/cm2'den büyük olduğunda, metal yüzey ısıtılarak "boşluklara" gömülür ve hızlı kaynak hızı ve geniş en-boy oranı özelliklerine sahip olan derin nüfuziyetli kaynak oluşturur.
Isı iletimli lazer kaynağının prensibi şudur: lazer radyasyonu işlenecek yüzeyi ısıtır ve yüzey ısısı, ısı iletimi yoluyla içeriye yayılır. Lazer darbe genişliği, enerji, tepe gücü ve tekrarlama frekansı ve diğer lazer parametrelerini kontrol ederek, iş parçası belirli bir eriyik havuzu oluşturmak üzere eritilir. .
Dişli kaynağı ve metalürjik ince levha kaynağı için kullanılan lazer kaynak makinesi, esas olarak lazer derin penetrasyonlu kaynak içerir. Aşağıda, lazer derin nüfuziyetli kaynak prensibine odaklanılmaktadır.
Lazer derin penetrasyon kaynağı genellikle malzemelerin bağlantısını tamamlamak için sürekli lazer ışınları kullanır ve metalurjik fiziksel işlemi elektron ışını kaynağına çok benzer, yani enerji dönüştürme mekanizması "anahtar deliği" yapısı aracılığıyla tamamlanır. Yeterince yüksek güç yoğunluklu lazer ışınımı altında, malzeme buharlaşır ve küçük gözenekler oluşturur. Buharla dolu bu küçük delik, gelen ışının neredeyse tüm enerjisini emen siyah bir cisim gibidir ve boşluktaki denge sıcaklığı yaklaşık 2500 0C'ye ulaşır. Isı, boşluğu çevreleyen metali eritmek için yüksek sıcaklık boşluğunun dış duvarından iletilir. Küçük delik, kirişin ışınlaması altında duvar malzemesinin sürekli buharlaşmasıyla üretilen yüksek sıcaklıktaki buharla doldurulur, küçük deliğin duvarları erimiş metalle çevrilidir ve sıvı metal katı malzemelerle çevrilidir (o sırada çoğu geleneksel kaynak işlemi ve lazer iletim kaynağı, enerji önce iş parçasının yüzeyinde biriktirilir ve ardından iletim yoluyla içeriye taşınır). Gözenek duvarının dışındaki sıvı akışı ve duvar tabakasının yüzey gerilimi, gözenek boşluğunda sürekli olarak üretilen buhar basıncı ile dinamik bir denge sağlar. Işın sürekli olarak küçük deliğe girer ve küçük deliğin dışındaki malzeme sürekli olarak akar. Kiriş hareket ettikçe, küçük delik her zaman kararlı bir akış halindedir. Yani küçük delik ve delik duvarını çevreleyen ergimiş metal öndeki kirişin ileri hızı ile ileri doğru hareket eder ve ergimiş metal küçük deliğin bıraktığı boşluğu doldurur ve sonra yoğunlaşarak kaynağın oluşmasını sağlar. Yukarıdaki işlemlerin tümü o kadar hızlı gerçekleşir ki, kaynak hızları kolayca dakikada birkaç metreye ulaşabilir.
02
Lazer derin penetrasyon kaynağının ana işlem parametreleri
1) Lazer gücü. Lazer kaynağında lazer enerji yoğunluğunun bir eşik değeri vardır. Bu değerin altında penetrasyon derinliği çok sığdır. Bu değere ulaşıldığında veya aşıldığında, penetrasyon derinliği büyük ölçüde artacaktır. Plazma, yalnızca iş parçası üzerindeki lazer güç yoğunluğu bir eşik değeri aştığında üretilir (malzemeye bağlı olarak), bu da kararlı derin nüfuz kaynağının ilerleyişini gösterir. Lazer gücü bu eşiğin altındaysa, iş parçasının sadece yüzeysel erimesi gerçekleşir, yani stabil ısı iletimi ile kaynak gerçekleşir. Lazer güç yoğunluğu, küçük deliklerin oluşumu için kritik koşula yakın olduğunda, derin penetrasyon kaynağı ve iletim kaynağı dönüşümlü olarak gerçekleştirilir, bu da kararsız bir kaynak işlemi haline gelir ve penetrasyon derinliğinde büyük dalgalanmalara neden olur. Lazer derin penetrasyon kaynağı sırasında, lazer gücü aynı anda penetrasyon derinliğini ve kaynak hızını kontrol eder. Kaynak penetrasyonu ışın gücü yoğunluğu ile doğrudan ilişkilidir ve gelen ışın gücü ile ışın odak noktasının bir fonksiyonudur. Genel olarak, belirli bir çapa sahip bir lazer ışını için, ışın gücü arttıkça penetrasyon derinliği artar.
2) Işın odak noktası. Işın nokta boyutu, güç yoğunluğunu belirlediği için lazer kaynağındaki en önemli değişkenlerden biridir. Ancak yüksek güçlü lazerler için birçok dolaylı ölçüm tekniği olmasına rağmen ölçümü zor bir problemdir.
Işın odağının kırınımla sınırlı nokta boyutu, ışık kırınım teorisine göre hesaplanabilir, ancak odaklama merceği sapmasının varlığı nedeniyle, gerçek nokta boyutu hesaplanan değerden daha büyüktür. En basit pratik yöntem, bir polipropilen levhayı kalın kağıtla kömürleştirip delip geçirdikten sonra odak noktasını ve delik çapını ölçen izotermal profil çıkarma yöntemidir. Bu yöntemin, ölçüm uygulaması yoluyla lazer gücüne ve ışın hareketinin süresine hakim olması gerekir.
3) Malzeme emme değeri. Lazer ışığının malzemeler tarafından soğurulması, malzemelerin soğurma, yansıtma, termal iletkenlik, erime sıcaklığı, buharlaşma sıcaklığı vb. gibi en önemlisi soğurma özelliği olan bazı önemli özelliklerine bağlıdır.
Malzemenin lazer ışınını emme oranını etkileyen faktörler iki yönü içerir: Birincisi, malzemenin özdirencidir. Malzemenin parlatılmış yüzeyinin emme oranı ölçüldüğünde, malzemenin emme oranının özdirencin karekökü ile orantılı olduğu ve özdirencin sıcaklığa göre değiştiği bulunmuştur. İkincisi, malzemenin yüzey durumu (veya pürüzsüzlüğü), kaynak etkisi üzerinde önemli bir etkiye sahip olan ışın emme oranı üzerinde daha önemli bir etkiye sahiptir.
Bir CO2 lazerin çıkış dalga boyu genellikle 10,6 μm'dir. Seramik, cam, kauçuk, plastik ve diğer metal olmayan maddelerin emme oranı oda sıcaklığında çok yüksekken, metal malzemelerin emme oranı oda sıcaklığında malzeme eriyene ve hatta gaz haline gelene kadar çok düşüktür. Yüzey kaplama veya yüzey oksit film oluşumu kullanılarak malzemenin ışık demetlerini emmesini iyileştirmek çok etkilidir.
4) Kaynak hızı. Kaynak hızının penetrasyon derinliği üzerinde büyük etkisi vardır. Hızı artırmak penetrasyonu sığ hale getirecektir, ancak hız çok düşükse malzeme aşırı eriyecek ve iş parçası kaynaklanacaktır. Bu nedenle belirli bir lazer gücü ve belirli bir kalınlığa sahip belirli bir malzeme için uygun bir kaynak hız aralığı vardır ve karşılık gelen hız değerinde maksimum penetrasyon derinliği elde edilebilir. Şekil 10-2, 1018 çeliğin kaynak hızı ile penetrasyon derinliği arasındaki ilişkiyi göstermektedir.
5) Koruyucu gaz. İnert gaz genellikle lazer kaynak işleminde erimiş havuzu korumak için kullanılır. Bazı malzemeler yüzey oksidasyonundan bağımsız olarak kaynaklandığında, koruma dikkate alınmayabilir, ancak çoğu uygulamada, iş parçasını lehimleme sırasında oksidasyondan korumak için genellikle helyum, argon, nitrojen ve diğer gazlar koruma olarak kullanılır.
Helyum kolayca iyonlaşmaz (daha yüksek iyonlaşma enerjisi), bu da lazerin sorunsuz bir şekilde geçmesine ve ışın enerjisinin iş parçasının yüzeyine herhangi bir engel olmadan ulaşmasına izin verir. Bu, lazer kaynağında kullanılan en etkili koruyucu gazdır, ancak daha pahalıdır.
Argon gazı daha ucuz ve daha yoğun olduğundan koruma etkisi daha iyidir. Bununla birlikte, ışının bir kısmını iş parçasına çarpmaktan koruyan, kaynak için etkili lazer gücünü azaltan ve ayrıca kaynak hızına ve penetrasyona zarar veren yüksek sıcaklıkta metal plazma iyonlaşmasına karşı hassastır. Argon tarafından korunan kaynak dikişinin yüzeyi, helyum ile korunduğu zamana göre daha pürüzsüzdür.
Nitrojen en ucuz koruyucu gazdır, ancak bazı paslanmaz çelik türlerinin kaynağı için uygun değildir, bunun başlıca nedeni, örneğin üst üste binen alanda bazen gözenekliliğe neden olan absorpsiyon gibi metalurjik problemlerdir.
Koruyucu gaz kullanmanın ikinci işlevi, odaklama merceğini metal buharı kontaminasyonundan ve sıvı damlacıkların sıçramasından korumaktır. Özellikle yüksek güçlü lazer kaynağında, fırlatma çok güçlü hale geldiğinden, bu sırada lensi korumak daha gereklidir.
Koruyucu gazın üçüncü işlevi, yüksek güçlü lazer kaynağıyla üretilen plazma kalkanını dağıtmada çok etkili olmasıdır. Metal buharı lazer ışınını emer ve bir plazma bulutu halinde iyonlaşır ve metal buharının etrafındaki koruyucu gaz da ısı nedeniyle iyonlaşır. Çok fazla plazma varsa, lazer ışını bir şekilde plazma tarafından tüketilir. Plazma, çalışma yüzeyinde ikinci bir enerji olarak bulunur, bu da penetrasyonu sığlaştırır ve kaynak havuzunun yüzeyini genişletir. Plazmadaki elektron yoğunluğunu azaltmak için elektronların iyonlar ve nötr atomlarla üç cisim çarpışmasını artırarak elektronların rekombinasyon hızı artar. Nötr atomlar ne kadar hafif olursa, çarpışma frekansı o kadar yüksek ve rekombinasyon oranı o kadar yüksek olur; Öte yandan, yalnızca iyonlaşma enerjisi yüksek olan koruyucu gaz, gazın kendisinin iyonlaşması nedeniyle elektron yoğunluğunu artırmaz.
Plazma bulutunun boyutu, kullanılan koruyucu gaza göre değişir; en küçüğü helyum, ikincisi nitrojen ve en büyüğü argondur. Plazma boyutu ne kadar büyük olursa, penetrasyon o kadar sığ olur. Bu farkın nedeni, öncelikle gaz moleküllerinin farklı iyonlaşma derecelerinden ve ayrıca koruyucu gazın farklı yoğunluklarının neden olduğu metal buharının difüzyonundaki farklılıktan kaynaklanmaktadır.
Helyum en az iyonize ve en az yoğun gazdır ve erimiş metal banyosundan üretilen yükselen metal buharlarını hızla uzaklaştırır. Bu nedenle, koruyucu gaz olarak helyum kullanmak, plazmayı büyük ölçüde bastırabilir, böylece penetrasyon derinliğini artırabilir ve kaynak hızını artırabilir; hafif olması nedeniyle kaçabilir ve kolay kolay gözenek oluşturmaz. Tabii ki, gerçek kaynak etkimizden, argon korumasının etkisi kötü değil.
Plazma bulutunun penetrasyon üzerindeki etkisi en çok düşük kaynak hızı alanında belirgindir. Kaynak hızı arttıkça etkisi azalır.
Koruyucu gaz, iş parçasının yüzeyine ulaşmak için nozuldan belirli bir basınçta enjekte edilir. Memenin hidrodinamik şekli ve çıkışın çapı çok önemlidir. Püskürtülen koruyucu gazı kaynak yüzeyini kaplayacak kadar büyük olmalıdır, ancak merceği etkili bir şekilde korumak ve metal buharının merceği kirletmesini veya metal sıçramasının merceğe zarar vermesini önlemek için memenin boyutu da sınırlandırılmalıdır. Akış hızı da kontrol edilmelidir, aksi takdirde koruyucu gazın laminer akışı türbülanslı hale gelir ve atmosfer erimiş havuza karışarak sonunda gözenekler oluşturur.
Koruyucu etkiyi iyileştirmek için, ek bir yandan üfleme yöntemi de kullanılabilir, yani daha küçük çaplı bir meme aracılığıyla, koruyucu gaz doğrudan derin nüfuz kaynağının küçük deliğine belirli bir açıyla enjekte edilir. Koruyucu gaz sadece iş parçasının yüzeyindeki plazma bulutunu bastırmakla kalmaz, aynı zamanda delikteki plazma ve küçük deliklerin oluşumunu da etkiler, penetrasyon derinliğini daha da artırır ve ideal bir derinlik-genişlik oranına sahip bir kaynak elde eder. . Ancak bu yöntem, hava akışının boyutunun ve yönünün hassas bir şekilde kontrol edilmesini gerektirir, aksi takdirde türbülanslı akışın meydana gelmesi ve eriyik havuzunu yok etmesi muhtemeldir, bu da kaynak işleminin stabilize edilmesini zorlaştırır.
6) Objektif odak uzaklığı. Kaynak sırasında lazeri yoğunlaştırmak için genellikle odaklama yöntemi kullanılır ve genellikle odak uzaklığı 63~254 mm (2,5"~10") olan bir lens kullanılır. Odak noktası boyutu, odak uzaklığı ile orantılıdır, odak uzaklığı ne kadar kısaysa, nokta o kadar küçüktür. Ancak odak uzaklığı aynı zamanda odak derinliğini de etkiler, yani odak derinliği odak uzaklığı ile eşzamanlı olarak artar, bu nedenle kısa bir odak uzaklığı güç yoğunluğunu artırabilir, ancak küçük odak derinliği nedeniyle lens ile iş parçası arasındaki mesafe hassas bir şekilde muhafaza edilmelidir ve penetrasyon derinliği büyük değildir. Kaynak işleminde oluşan sıçrama ve lazer modunun etkisi nedeniyle, gerçek kaynakta kullanılan en kısa odak derinliği çoğunlukla 126 mm'lik (5") odak uzaklığıdır. Bağlantı büyük olduğunda veya kaynak dikişinin artırılarak artırılması gerektiğinde 254 mm (10") odak uzaklığına sahip bir lens seçebilirsiniz. Bu durumda, derin penetrasyon iğne deliği etkisini elde etmek için daha yüksek bir lazer çıkış gücü (güç yoğunluğu) gereklidir.
Optik sistemi oluşturmak için özel optik malzemelerin kullanılması nedeniyle, özellikle 10.6μm CO2 lazer ışını için lazer gücü 2kW'ı aştığında, odaklama merceğinde optik hasar riskini önlemek için, yansıtıcı odaklama yöntemi genellikle kullanılır ve reflektör olarak genellikle cilalı bir bakır ayna kullanılır. Etkili soğutma nedeniyle yüksek güçlü lazer ışınlarını odaklamak için genellikle önerilir.
7) Odak konumu. Kaynak yaparken, yeterli güç yoğunluğunu korumak için odak konumu kritiktir. Odak noktasının ve iş parçası yüzeyinin göreceli konumundaki değişiklikler, kaynağın genişliğini ve derinliğini doğrudan etkiler. Şekil 2-6, odak konumunun 1018 çeliğin penetrasyon derinliği ve dikiş genişliği üzerindeki etkisini göstermektedir.
Çoğu lazer kaynak uygulamasında, odak noktası tipik olarak iş parçası yüzeyinin altında istenen penetrasyon derinliğinin yaklaşık 1/4'ü kadar yer alır.
8) Lazer ışını konumu. Benzer olmayan malzemeleri lazer kaynağı yaparken, lazer ışını konumu, özellikle bindirme bağlantılarından ziyade alın bağlantılarında kaynağın nihai kalitesini kontrol eder. Örneğin, sertleştirilmiş bir çelik dişli bir yumuşak çelik tambura kaynaklandığında, lazer ışını konumunun uygun şekilde kontrol edilmesi, çatlamaya nispeten dirençli, ağırlıklı olarak düşük karbonlu bir bileşenle bir kaynak üretilmesine yardımcı olacaktır. Bazı uygulamalarda, kaynak yapılacak iş parçasının geometrisi, lazer ışınının bir açıyla saptırılmasını gerektirir. Işın ekseni ile eklem düzlemi arasındaki sapma açısı 100 derece içinde olduğunda, lazer enerjisinin iş parçası tarafından emilmesi etkilenmeyecektir.
9) Kaynağın başlangıç ve bitiş noktalarında lazer gücünün kademeli olarak yükselmesi ve düşmesi kontrolü. Lazer derin nüfuziyetli kaynak sırasında, kaynağın derinliğinden bağımsız olarak her zaman küçük delikler bulunur. Kaynak işlemi sonlandırıldığında ve güç anahtarı kapatıldığında, kaynağın sonunda bir çukur görünecektir. Ek olarak, lazer kaynak katmanı orijinal kaynak dikişini kapladığında, lazer ışınının aşırı soğurulması meydana gelir ve bu da kaynağın aşırı ısınmasına veya gözeneklerin oluşmasına neden olur.
Yukarıdaki olayın olmasını önlemek için, gücün başlama ve bitiş zamanını ayarlanabilir hale getirmek için güç başlama ve durma noktaları programlanabilir, yani başlangıç gücü elektronik olarak sıfırdan ayarlanan güç değerine kısa sürede yükseltilir, ve kaynak ayarlanabilir. Zaman ve son olarak güç, kaynak sonlandırıldığında ayarlanan güçten kademeli olarak sıfıra düşürülür.
03
Lazer derin penetrasyon kaynağının özellikleri, avantajları ve dezavantajları
Lazer derin penetrasyon kaynağının özellikleri
1) Yüksek en boy oranı. Erimiş metal, sıcak buharın silindirik boşluğu etrafında şekillenip iş parçasına doğru genişledikçe, kaynak derinleşir ve daralır.
2) Minimum ısı girişi. Küçük delikteki sıcaklık çok yüksek olduğundan, eritme işlemi son derece hızlı gerçekleşir, iş parçasına ısı girişi çok düşüktür ve termal deformasyon ve ısıdan etkilenen bölge küçüktür.
3) Yüksek yoğunluk. Çünkü yüksek sıcaklıktaki buharla dolu küçük gözenekler, kaynak havuzunun çalkalanmasına ve gazın kaçmasına elverişli olduğundan, gözeneksiz bir penetrasyon kaynağına neden olur. Kaynak sonrası yüksek soğuma hızı, kaynak yapısını kolayca daha ince hale getirebilir.
4) Güçlü kaynaklar. Yanan ısı kaynağı ve metalik olmayan bileşenlerin yeterli absorpsiyonu nedeniyle safsızlık içeriği azalır ve inklüzyonların boyutu ve eriyik havuzundaki dağılımları değişir. Kaynak işlemi elektrotlar veya dolgu telleri gerektirmez ve ergime bölgesi daha az kirlenir, böylece kaynağın mukavemeti ve tokluğu en azından ana metalinkine eşit veya hatta ondan daha yüksektir.
5) Hassas kontrol. Odaklanan ışık noktası küçük olduğu için kaynak dikişi yüksek hassasiyetle konumlandırılabilir. Lazer çıkışının "ataleti" yoktur, yüksek hızda durdurulabilir ve yeniden başlatılabilir ve karmaşık iş parçası, sayısal kontrol ışını hareket teknolojisi ile kaynaklanabilir.
6) Temassız atmosferik kaynak işlemi. Enerji foton ışınından geldiği için iş parçası ile fiziksel temas yoktur, dolayısıyla iş parçasına herhangi bir dış kuvvet uygulanmaz. Ayrıca manyetizma ve havanın lazer ışığı üzerinde hiçbir etkisi yoktur.
Lazer derin penetrasyon kaynağının avantajları
1) Odaklanmış lazer, geleneksel yöntemlere göre çok daha yüksek güç yoğunluğuna sahip olduğundan, kaynak hızı hızlıdır, ısıdan etkilenen bölge ve deformasyon küçüktür ve titanyum gibi kaynaklanması zor malzemeler de kaynaklanabilir.
2) Kirişin iletilmesi ve kontrolü kolay olduğundan ve torcu ve memeyi sık sık değiştirmeye gerek olmadığından ve elektron ışını kaynağı için gerekli vakum olmadığından, yardımcı arıza süresini önemli ölçüde azaltır, bu nedenle yük faktörü ve üretim verimliliği yüksektir.
3) Arındırma etkisi ve yüksek soğuma hızı nedeniyle kaynak mukavemeti, tokluk ve kapsamlı performans yüksektir.
4) Düşük ortalama ısı girişi ve yüksek işleme hassasiyeti nedeniyle yeniden işleme maliyetleri azaltılabilir; ayrıca lazer kaynağının işletme maliyeti de düşüktür, bu da iş parçası işleme maliyetlerini azaltabilir.
5) Işın yoğunluğunu ve hassas konumlandırmayı etkili bir şekilde kontrol edebilir ve otomatik işlemi gerçekleştirmek kolaydır.
Lazer derin penetrasyon kaynağının dezavantajları
1) Kaynak derinliği sınırlıdır.
2) İş parçasının montaj gereksinimleri yüksektir.
3) Lazer sisteminin tek seferlik yatırımı nispeten yüksektir
