7 Reliable Sources for Laser Welding Technology

Laser welding technology is an efficient and precise welding method that uses a high-energy-density laser beam as a heat source. Laser welding technology is one of the important aspects of the application of laser material processing technology. In the 1970s, it was mainly used for welding thin-walled materials and low-speed welding. The welding process is of thermal conductivity type, that is, the surface of the workpiece is heated by laser radiation, and the surface heat is diffused to the inside through thermal conduction. By controlling the width, energy, peak power, and repetition frequency of the laser pulse With other parameters, the workpiece is melted to form a specific molten pool. Because of its unique advantages, it has been successfully applied to the precision welding of micro and small parts.

Čínské laserové svařování je na světové pokročilé úrovni. Má technologii a schopnost používat laser k vytváření složitých součástí z titanové slitiny o ploše více než 12 metrů čtverečních a investovala do výroby prototypů a produktů mnoha domácích projektů vědeckého výzkumu v oblasti letectví. V říjnu 2013 získali čínští odborníci na svařování Brooke Prize, nejvyšší akademické ocenění v oboru svařování, a čínská úroveň laserového svařování byla uznána světem.

Technický princip

Laserové svařování může být realizováno kontinuálním nebo pulzním laserovým paprskem. Princip laserového svařování lze rozdělit na svařování tepelným vedením a laserové svařování hlubokou penetrací. Hustota výkonu je menší než 10⁴~10⁵ W/cm² pro svařování vedením tepla. V tomto okamžiku je hloubka průniku malá a rychlost svařování je pomalá; když je hustota výkonu větší než 10⁵~10⁷ W/cm², kovový povrch je zapuštěn do „otvorů“ působením tepla, aby se vytvořil hluboký průvar. Rychlá rychlost svařování a velký poměr stran.

Princip tepelně vodivého laserového svařování je: laserové záření ohřívá zpracovávaný povrch a povrchové teplo difunduje do interiéru vedením tepla. Řízením šířky laserového pulsu, energie, špičkového výkonu a opakovací frekvence a dalších parametrů laseru se obrobek roztaví a vytvoří specifickou roztavenou lázeň.

Laserový svařovací stroj používaný pro svařování ozubení a svařování metalurgických plechů zahrnuje především laserové svařování hlubokou penetrací.

Laserové svařování s hlubokým průvarem obecně používá k dokončení spojení materiálů kontinuální laserové paprsky. Metalurgický fyzikální proces je velmi podobný svařování elektronovým paprskem, to znamená, že mechanismus přeměny energie je dokončen prostřednictvím struktury „klíčové dírky“. Při ozařování laserem s dostatečně vysokou hustotou výkonu se materiál odpařuje a tvoří malé otvory. Tato díra naplněná párou je jako černé těleso, které pohlcuje téměř veškerou energii dopadajícího paprsku.

Rovnovážná teplota v dutině dosahuje cca 2500°C. Teplo se přenáší z vnější stěny vysokoteplotní dutiny k roztavení kovu obklopujícího dutinu. Malý otvor je vyplněn vysokoteplotní párou generovanou kontinuálním odpařováním materiálu stěny pod ozařováním paprsku. Čtyři stěny malého otvoru jsou obklopeny roztaveným kovem a tekutý kov je obklopen pevnými materiály (a u většiny konvenčních svařovacích procesů a laserového kondukčního svařování je energie nejprve uložena na povrch obrobku a poté transportována do uvnitř převodem).

Proudění kapaliny vně stěny póru a povrchové napětí vrstvy stěny jsou udržovány v dynamické rovnováze s kontinuálně vytvářeným tlakem páry v dutině. Světelný paprsek nepřetržitě vstupuje do malého otvoru a materiál mimo malý otvor nepřetržitě proudí. Jak se paprsek pohybuje, malý otvor je vždy ve stabilním stavu toku. Jinými slovy, malý otvor a roztavený kov obklopující stěnu otvoru se pohybují vpřed s dopřednou rychlostí vedoucího světelného paprsku a roztavený kov vyplní mezeru po odsunutí malého otvoru a kondenzuje a vytvoří se svar. . Všechny výše uvedené procesy probíhají tak rychle, že rychlost svařování může snadno dosáhnout několika metrů za minutu.

Práce Evybavení

Skládá se z optického oscilátoru a média umístěného mezi zrcadly na obou koncích dutiny oscilátoru. Když je médium vybuzeno do vysokoenergetického stavu, začne generovat světelné vlny ve stejné fázi a odrážet se tam a zpět mezi zrcadly na obou koncích, čímž se vytvoří efekt fotoelektrického spojení strun, zesílí světelné vlny a získá se dostatečná energie. aby začalo vyzařovat laserové světlo.

Laser lze také interpretovat jako zařízení, které přeměňuje surovou energii, jako je elektrická energie, chemická energie, tepelná energie, světelná energie nebo jaderná energie, na paprsek elektromagnetického záření určitých specifických světelných frekvencí (ultrafialové světlo, viditelné světlo nebo infračervené světlo). světlo). Konverzní forma se snadno provádí v některých pevných, kapalných nebo plynných médiích. Když jsou tato média excitována ve formě atomů nebo molekul, vytvářejí světelné paprsky-lasery s téměř stejnou fází a téměř jedinou vlnovou délkou. Díky stejné fázi a jediné vlnové délce je rozdílový úhel velmi malý a vzdálenost, kterou lze přenášet, je poměrně dlouhá, než je vysoce koncentrovaná, aby poskytovala funkce, jako je svařování, řezání a tepelné zpracování.

Welding Method

Metody svařování těsněním senzoru jsou odporové svařování, argonové obloukové svařování, svařování elektronovým paprskem, plazmové svařování a tak dále.

Odporové svařování

Používá se ke svařování tenkých kovových dílů. Obrobek je upnut mezi dvě elektrody a povrch elektrody kontaktovaný velkým proudem je roztaven velkým proudem, to znamená, že svařování se provádí odporovým ohřevem obrobku. Obrobek se snadno deformuje. Odporové svařování se svařuje na obou stranách spoje, zatímco laserové svařování se provádí pouze na jedné straně. Elektrody používané při odporovém svařování je třeba často udržovat, aby se odstranily oxidy a kov ulpívající na obrobku. Laserové svařování tenkých kovových přeplátovaných spojů není V kontaktu s obrobkem může paprsek vstoupit také do oblasti, která se konvenčním svařováním obtížně svařuje, a rychlost svařování je vysoká.

Argonové obloukové svařování: pomocí netavitelných elektrod a ochranného plynu se často používá ke svařování tenkých obrobků, ale rychlost svařování je nižší a tepelný příkon je mnohem větší než laserové svařování, které je náchylné k deformaci.

Argonový svařovací stroj

Plazmové obloukové svařování: podobné argonovému oblouku, ale jeho svařovací hořák vytvoří stlačený oblouk pro zvýšení teploty oblouku a hustoty energie. Je rychlejší než svařování argonovým obloukem a má větší hloubku průniku, ale je horší než laserové svařování.

Svařování elektronovým paprskem: Spoléhá na paprsek urychlených elektronů s vysokou energetickou hustotou, který dopadá na obrobek a generuje obrovské teplo v malé husté oblasti na povrchu obrobku, vytváří efekt „malé díry“, čímž dochází k hlubokému pronikání. svařování. Hlavní nevýhodou svařování elektronovým paprskem je, že vyžaduje prostředí s vysokým vakuem, aby se zabránilo rozptylu elektronů. Vybavení je složité. Velikost a tvar svařence jsou omezeny vakuovou komorou. Kvalita montáže svařence je přísně vyžadována.

Lze také realizovat svařování elektronovým paprskem bez vakua. Rozptyl a špatné zaostření ovlivní efekt. Svařování elektronovým paprskem má také problémy s magnetickým offsetem a rentgenovým zářením. Protože jsou elektrony nabité, bude na ně mít vliv vychylování magnetického pole. Proto je nutné, aby byly obrobky pro svařování elektronovým paprskem před svařováním demagnetizovány. Rentgenové záření je zvláště silné pod vysokým tlakem a operátory je třeba chránit. Laserové svařování nevyžaduje vakuovou komoru a demagnetizační ošetření před svařováním obrobku. Lze jej provádět v atmosféře a není problém s rentgenovou ochranou, lze jej tedy provozovat online ve výrobní lince a lze s ním svařovat i magnetické materiály.

Laserové svařování Klasifikace

Pro svařování se používají dva hlavní typy laserů, a to CO₂ lasery a Nd:YAG lasery. Oba CO₂ laser a Nd: YAG laser je infračervené světlo neviditelné pouhým okem. Paprsek produkovaný Nd:YAG laserem je převážně blízké infračervené světlo o vlnové délce 1,06 Lm. Tepelný vodič má vysokou míru absorpce světla této vlnové délky. U většiny kovů je jeho odrazivost 20% ~ 30%. Pokud je použito standardní světelné zrcadlo, lze blízký infračervený paprsek zaostřit na průměr 0,25 mm. Paprsek CO₂ laser je vzdálené infračervené světlo s vlnovou délkou 10,6 lm.

Odrazivost většiny kovů vůči tomuto světlu dosahuje 80% ~ 90% a pro zaostření paprsku do průměru 0,75-0,1 mm je zapotřebí speciální světelné zrcadlo. Výkon Nd:YAG laseru může obecně dosáhnout asi 4000~6000W a maximální výkon nyní dosáhl 10 000W. Společnost CO₂ výkon laseru může snadno dosáhnout 20 000 W nebo více.

Vysoce výkonný CO₂ laser řeší problém vysoké odrazivosti pomocí dírkového efektu. Když se povrch materiálu ozářený světelnou skvrnou roztaví, vznikne dírka. Tato parou naplněná dírka je jako černé těleso, které téměř úplně pohlcuje energii dopadajícího světla. Rovnovážná teplota je asi 25 000 e a odrazivost rychle klesá během několika mikrosekund.

Přestože vývojové zaměření o CO₂ lasery se stále zaměřuje na vývoj zařízení, nejde o zvýšení maximálního výstupního výkonu, ale o to, jak zlepšit kvalitu paprsku a výkon ostření. Navíc při použití vysokovýkonného svařování s CO₂ laser nad 10 kW, je-li použit argonový ochranný plyn, je často indukováno silné plazma a hloubka průniku se stává mělčí. Proto, když CO₂ laserové vysoce výkonné svařování, jako ochranný plyn se často používá helium, které nevytváří plazmu.

Aplikace kombinace diodového laseru pro vzrušující vysoce výkonné Nd:YAG krystaly je důležitým vývojovým tématem, které výrazně zlepší kvalitu laserových paprsků a vytvoří efektivnější laserové zpracování. Použitím přímého diodového pole k buzení laseru, jehož výstupní vlnová délka je v blízké infračervené oblasti, jeho průměrný výkon dosáhl 1 kW a účinnost fotoelektrické konverze se blíží 50%. Dioda má také delší životnost (10 000 h), což pomáhá snižovat náklady na údržbu laserového zařízení. Vývoj diodově čerpaných pevnolátkových laserových zařízení.

Proces Parametry

Napájení Dentita

Hustota výkonu je jedním z nejdůležitějších parametrů laserového zpracování. S vyšší hustotou výkonu může být povrchová vrstva zahřátá na bod varu během mikrosekundového časového rozsahu, což má za následek velké množství odpařování. Proto je vysoká hustota výkonu výhodná pro zpracování úběru materiálu, jako je děrování, řezání a gravírování. U nižších výkonových hustot trvá několik milisekund, než povrchová teplota dosáhne bodu varu. Než se povrchová vrstva odpaří, spodní vrstva dosáhne bodu tání, což usnadňuje vytvoření dobrého tavného svaru.

Laser Pulse Waveform

Tvar vlny laserového pulsu je důležitou otázkou při laserovém svařování, zejména při svařování plechů. Když laserový paprsek vysoké intenzity dopadne na povrch materiálu, 60~98% laserové energie se odrazí a ztratí na kovovém povrchu a odrazivost se mění s teplotou povrchu. Během laserového pulsu se výrazně mění odrazivost kovu.

Laser Pulse Width

Šířka pulzu je jedním z důležitých parametrů svařování pulzním laserem. Není to jen důležitý parametr odlišný od úběru materiálu a tavení materiálu, ale také klíčový parametr, který určuje cenu a objem zpracovatelského zařízení.

Vliv množství rozostření na kvalitu svařovacího stroje

Laserové svařování obvykle vyžaduje určité rozostření, protože hustota výkonu ve středu bodu v ohnisku laseru je příliš vysoká a snadno se odpaří do otvoru. V každé rovině vzdálené od laserového ohniska je rozložení hustoty výkonu relativně jednotné. Existují dvě metody rozostření: pozitivní rozostření a negativní rozostření. Pokud je ohnisková rovina nad obrobkem, jedná se o kladné rozostření, v opačném případě o záporné rozostření. Podle teorie geometrické optiky, když je vzdálenost mezi pozitivní a negativní rovinou rozostření a svařovací rovinou stejná, je hustota výkonu v odpovídající rovině přibližně stejná, ale tvar získané roztavené lázně je ve skutečnosti jiný. Když je rozostření záporné, lze získat větší hloubku průniku, což souvisí s procesem tvorby roztavené lázně.

Experimenty ukázaly, že laserový ohřev 50~200us materiálu se začíná tavit, tvoří se tekutý kov a částečně se odpařuje, tvoří se vysokotlaká pára a rozstřikuje se velmi vysokou rychlostí, přičemž vyzařuje oslnivé bílé světlo. Současně vysoká koncentrace páry způsobí, že se tekutý kov přesune k okraji roztavené lázně a vytvoří prohlubeň ve středu roztavené lázně. Když je rozostření záporné, je vnitřní hustota energie materiálu vyšší než hustota povrchu a je snadné vytvořit silnější tavení a odpařování, takže světelná energie může být přenesena do hlubší části materiálu. Proto se v praktických aplikacích, kdy je požadována velká hloubka průniku, používá negativní rozostření; když se svařuje tenký materiál, mělo by se použít pozitivní rozostření.

Svařování Sčůrat

Rychlost svařování ovlivní tepelný příkon za jednotku času. Pokud je rychlost svařování příliš pomalá, vnesené teplo bude příliš velké, což způsobí propálení obrobku. Pokud je rychlost svařování příliš vysoká, tepelný příkon bude příliš malý a obrobek nebude provařen.

Vlastnosti laserového svařování

Patří k tavnému svařování, které využívá jako zdroj energie laserový paprsek k dopadu na svařovaný spoj.

Laserový paprsek může být veden plochým optickým prvkem (jako je zrcadlo) a poté je použit reflexní zaostřovací prvek nebo čočka k promítání paprsku na svar.

Laserové svařování je bezkontaktní svařování. Během provozu není vyžadován žádný tlak, ale je vyžadován inertní plyn, aby se zabránilo oxidaci roztavené lázně. Občas se používá přídavný kov.

Laserové svařování může být kombinováno se svařováním MIG za účelem vytvoření hybridního laserového svařování MIG, aby se dosáhlo svařování s velkým průvarem, a zároveň je tepelný příkon značně snížen ve srovnání se svařováním MIG.

Výhoda A Nedostatek

Avýhoda

• Množství vneseného tepla lze snížit na potřebné minimum, rozsah metalografických změn tepelně ovlivněné zóny je malý a také deformace způsobená vedením tepla je nejnižší;
• Parametry svařovacího procesu jednoprůchodového svařování o tloušťce 32 mm byly ověřeny a kvalifikovány, což může zkrátit čas potřebný pro svařování tlustých plechů a dokonce ušetřit použití přídavného kovu;
• Není potřeba používat elektrody a není zde žádná obava z kontaminace nebo poškození elektrody. A protože se nejedná o proces kontaktního svařování, lze opotřebení a deformaci zařízení minimalizovat;
• Laserový paprsek lze snadno zaostřit, zarovnat a navést pomocí optických přístrojů. Může být umístěn ve vhodné vzdálenosti od obrobku a může být znovu naváděn mezi nástroji nebo překážkami kolem obrobku. Ostatní pravidla svařování podléhají výše uvedeným prostorovým omezením. Nelze hrát
• Obrobek lze umístit do uzavřeného prostoru (po vysátí nebo je vnitřní plynové prostředí pod kontrolou);
• Laserový paprsek může být zaostřen na malou plochu a může svařovat malé a těsně umístěné díly;
• Široká škála materiálů, které lze svařovat, a různé heterogenní materiály lze také vzájemně spojovat;
• Je snadné automatizovat vysokorychlostní svařování a lze jej také ovládat digitálně nebo počítačem;
• Při svařování tenkých materiálů nebo drátů o tenkém průměru nebude tak snadné dělat potíže jako obloukové svařování;
• Není ovlivněn magnetickým polem (obloukové svařování a svařování elektronovým paprskem je snadné) a dokáže přesně vyrovnat svařenec;
• Lze svařovat dva kovy s různými fyzikálními vlastnostmi (jako jsou různé odpory);
• Není vyžadována vakuová nebo rentgenová ochrana;
• Pokud je použito svařování průchozím otvorem, poměr hloubky k šířce svarové housenky může dosáhnout 10:1;
• Zařízení lze přepnout na přenos laserového paprsku na více pracovních stanic.

Shortcoming

• Poloha svařence musí být velmi přesná a musí být v rozsahu ohniska laserového paprsku;
• Když svařenec potřebuje použít přípravek, musí být zajištěno, že konečná poloha svařence je zarovnána s bodem svařování dopadaným laserovým paprskem;
• Maximální svařitelná tloušťka je omezena a tloušťka průniku obrobku je mnohem větší než 19 mm a laserové svařování není vhodné pro výrobní linku;
• U materiálů s vysokou odrazivostí a vysokou tepelnou vodivostí, jako je hliník, měď a jejich slitiny, bude svařitelnost změněna laserem;
• Při svařování laserovým paprskem se střední až vysokou energií je třeba použít plazmový ovladač k vytlačení ionizovaného plynu kolem roztavené lázně, aby se zajistilo, že se svarová housenka znovu objeví;
• Účinnost přeměny energie je příliš nízká, obvykle nižší než 10%;
• Svarová housenka rychle tuhne a mohou existovat obavy z poréznosti a křehnutí;
• Zařízení je drahé.

Pro odstranění nebo omezení vad laserového svařování a lepší využití této vynikající svařovací metody byly navrženy některé další tepelné zdroje a laserové hybridní svařovací procesy, především laserové a obloukové, laserové a plazmové obloukové, laserové a indukční tepelné zdroje kompozitní svařování, svařování duálním laserovým paprskem a vícepaprskové laserové svařování atd. Kromě toho byla navržena různá pomocná procesní opatření, jako je svařování laserovým přídavným drátem (které lze dále rozdělit na svařování studeným drátem a svařování horkým drátem), pomocí externího magnetického pole vylepšené laserové svařování, laserové svařování v hloubce roztavené lázně řízené ochranným plynem a laserem podporované třecí svařování s mícháním.

Laser Welding TechnologyLaser Welding TechnologyLaser Welding TechnologyLaser Welding TechnologyLaser Welding TechnologyLaser Welding TechnologyLaser Welding TechnologyLaser Welding TechnologyLaser Welding TechnologyLaser Welding TechnologyLaser Welding TechnologyLaser Welding TechnologyLaser Welding TechnologyLaser Welding TechnologyLaser Welding TechnologyLaser Welding TechnologyLaser Welding TechnologyLaser Welding TechnologyLaser Welding TechnologyLaser Welding TechnologyLaser Welding TechnologyLaser Welding TechnologyLaser Welding TechnologyLaser Welding TechnologyLaser Welding TechnologyLaser Welding TechnologyLaser Welding TechnologyLaser Welding Technology