Zjistěte pravdu o laserovém svařování

Odhadovaná doba čtení: 31 minut

Zařízení pro laserové svařování a technické parametry

Složení zařízení pro laserové svařování

Zařízení pro laserové svařování zahrnuje především laser, přenos paprsku, zaostřovací systém, zdroj plynu (ochranný plyn), trysku, svařovací stroj, pracovní stůl, operační panel, napájecí zdroj, řídicí systém atd. Jádrem zařízení je laser složený z optického oscilátoru a médium umístěné mezi zrcadly na obou koncích dutiny oscilátoru. Když je médium vybuzeno do vysokoenergetického stavu, svařovací stroj produkuje světelné vlny stejné fáze a odráží se tam a zpět mezi zrcadly na obou koncích, čímž se vytváří efekt fotoelektrického spojení strun, zesiluje světelné vlny a získává dostatečnou energii pro spuštění. vyzařující laserové světlo.

Podle různých laserových pracovních materiálů se zařízení dělí na pevné zařízení YAG a CO₂ plynová zařízení; podle různých pracovních metod laseru se dělí na zařízení pro kontinuální laserové svařování a zařízení pro pulzní laserové svařování. Bez ohledu na druh vybavení je základní složení přibližně podobné. Složení zařízení a svařovací hořák je znázorněn na obrázcích 1.1 a 1.2.

Laser

Laser je základní součástí laserového zařízení. Charakteristiky svařovacího laseru jsou uvedeny v tabulce 3.1. Podle způsobu chlazení vzduchem je CO₂ plynový laser se dělí na typ s příčným tokem, typ s axiálním tokem (vysoká rychlost a nízká rychlost) a typ difúzního chlazení. Výkonové charakteristiky různých CO₂ lasery jsou uvedeny v tabulce 3.2.          

Ve srovnání s CO₂ lasery, YAG lasery mají kratší vlnové délky laseru a mohou být přenášeny přes optická vlákna, což značně zjednodušuje systém světlovodu a je vhodné pro trojrozměrné svařování; je prospěšný pro absorpci kovových povrchů a je vhodnější pro materiály s vysokou odrazivostí (jako jsou hliníkové slitiny atd.) Svařování.

Laser	Vlnová délka/чm	Pracovní režim	Frekvence opakování /Hz	Výstupní výkon nebo energetický rozsah	Hlavní účel
Rubínový laser	0.69	Puls	0-1	1-100 J	Bodové svařování, vrtání
Laser na neodymové sklo	1.06	Puls	0-0.1	1-100 J	Bodové svařování, vrtání
YAG laser	1.06	Pulzní kontinuální	0-400	1-100J 0-2KW	Bodové svařování, vrtání Svařování, řezání, povrchové úpravy
Uzavřený CO2 laser	10.6	Kontinuální	–	0-1 kW	Svařování, řezání, povrchové úpravy
Křížový laser	10.6	Kontinuální	–	0-25 kW	Svařování, povrchová úprava
Vysokorychlostní axiální proudění CO2 laser	10.6	Nepřetržitý puls	0-5000	0-6 kW	Svařování, řezání

Položka	Typ křížového toku	Axiální typ proudění	Typ difúzního chlazení
Úroveň výstupního výkonu	3-45 kW	1,5-20 kW	0,2-3,5 kW
Pulzní kapacita	DC	DC-1kHz	DC-5 kHz
Režim paprsku	Nad TEM02	TEM00, TEM01	TEM00, TEM01
Koeficient šíření paprsku	≥0,18	≥0,4	≥0,8
Spotřeba plynu	Malý	Velký	Velmi malé
Elektricko-optická účinnost konverze	≤15%	≤15%	≤30%
Svařovací efekt	Dobrý	Dobrý	Lepší
Řezný efekt	Chudý	Dobrý	Lepší
Transformační kalení	Dobrý	Není tak špatné	Není tak špatné
Povrchová úprava	Dobrý	Není tak špatné	Není tak špatné
Povrchové opláštění	Dobrý	Není tak špatné	Není tak špatné

Ve srovnání s tradičními plynovými a pevnolátkovými lasery mají vláknové lasery vyvinuté v posledních letech následující vlastnosti.

• Skleněné optické vlákno má nízké výrobní náklady, vyspělou technologii a flexibilita optického vlákna přináší výhody miniaturizace a intenzity.
• Optické vlákno má velmi vysoký poměr povrchu k objemu, rychlý odvod tepla, nízké ztráty, vysokou účinnost konverze a nízký práh laseru.
• V rezonanční dutině vláknového laseru není žádná optická čočka, která má vlastnosti bez úprav, údržby a vysoké stability.
• Díky vysokému výkonu a vysoké fotoelektrické účinnosti dosahuje komplexní fotoelektrická účinnost 10KW vláknového laseru více než 20%.
• Malá velikost, dlouhá životnost, snadná integrace systému, snadné dosažení dálkového laserového přenosu a může normálně fungovat v drsných prostředích s vysokou teplotou, vysokým tlakem, vysokými vibracemi a velkým nárazem.

Právě kvůli výše zmíněným výhodám vysokovýkonných vláknových laserů se jeho uplatnění v oblasti zpracování materiálů neustále rozšiřuje a má extrémně široké vyhlídky.

Přenos paprsku a systém zaostřování

Systém přenosu paprsku a zaostřování se také nazývá externí optický systém. Skládá se z kruhového polarizátoru, expandéru paprsku, zrcadla nebo optického vlákna, zaostřovacího zrcadla atd., sloužícího k přenosu a zaostření laserového paprsku na obrobek, a jeho koncová instalace zajišťuje ochranu nebo asistenci proudění vzduchu hořákem.

Hlavním materiálem ostřící čočky je ZnSe, který má dobrý přenosový a ostřící výkon a je levný. Zaostřovací čočka se však během procesu svařování snadno kontaminuje kouřem a rozstřikem kovu. Když je výkon laseru nízký (<2KW), často se používá zaostřovací čočka a pro svařování s vysokým výkonem (>2KW) by se měla používat reflexní zaostřovací čočka. Reflexní zaostřovací zrcadlo je vyrobeno z kovu s vysokou odrazivostí k laseru. Při laserovém svařování se obvykle používají měděná parabolická zrcadla s různými povlaky. Tento typ zaostřovacího zrcátka je stabilní a lze jej použít ve spojení s vodou chlazenými součástmi. Má malou tepelnou deformaci a není snadné jej znečistit. Zaostřovací výkon však není tak dobrý jako u zaostřovacího zrcátka čočky a relativní pozice dopadajícího laseru. Vyžaduje vysokou přesnost, obtížně se nastavuje a snadno způsobí astigmatismus v zaostřeném bodě a cena je vyšší.

Ohnisková vzdálenost zaostřovací čočky má důležitý vliv na zaostřovací efekt a kvalitu svařování, obecně 127-200 mm. Zmenšením ohniskové vzdálenosti můžete získat malý bod zaostření a vyšší hustotu výkonu, ale pokud je ohnisková vzdálenost příliš malá, zaostřovací čočka je náchylná ke znečištění a poškození. Jakmile je povrch zrcadla kontaminován, výrazně se zvýší absorpce laseru, čímž se sníží hustota výkonu na obrobek a snadno se rozbije čočka.

Zdroj plynu (ochranný plyn)

K tomu je nutný ochranný plyn. Ve většině procesů je ochranný plyn dodáván do oblasti laserového záření speciální tryskou. V současné době většina CO₂ lasery používají He, N₂, CO₂a směsný plyn jako pracovní médium a ochranný plyn. Poměr je 60%: 33%:7%. Ten je drahý, takže vysokorychlostní axiální tok CO₂ laser má vyšší provozní náklady. Mělo by se zvážit jeho cena.

Tryska

Tryska je obecně navržena tak, aby byla umístěna koaxiálně s laserovým paprskem. Běžně se používá k přívodu ochranného plynu ze strany laserového paprsku do trysky. Typický vyfukovací otvor je 4-8 mm a vzdálenost od trysky k obrobku je 3-10 mm. Obecně je tlak ochranného plynu nižší. Průtok plynu je 8~30L/min, Obrázek 1.3 a 1.4 ukazuje strukturu trysky, která je široce používána pro CO₂ laser a YAG laser.

Pro ochranu optických součástí laserového svařování před svařovacími výpary a rozstřiky lze použít několik provedení horizontálních trysek. Základní myšlenkou je zvážit umožnění proudění vzduchu procházet laserovým paprskem vertikálně, podle různých technických požadavků, nebo pro ofukování výparů ze svařování nebo použití vysoké kinetické energie k odvedení kovových částic.

Laserový svařovací stroj

The laserový svařovací stroj obsahuje pracovní stůl a řídicí systém. Používá se hlavně k realizaci relativního pohybu mezi laserovým paprskem a obrobkem a dokončení svařování. Dělí se na dva typy: speciální svařovací stroj a obecný svařovací stroj. Posledně jmenované běžně používané systémy číslicového řízení, existují pravoúhlé dvourozměrné, trojrozměrné svařovací stroje nebo kloubové svařovací roboty, servomotorem poháněné pracovní stoly lze použít k umístění obrobků k dosažení svařování. Řídicí systém většinou využívá numerický řídicí systém.

Zdroj napájení

Pro zajištění stabilního provozu laseru jsou použity polovodičové elektronické řídicí napájecí zdroje s rychlou odezvou a vysokou stabilitou.

Hlavní technické parametry laserového svařovacího stroje

Tabulka 3.3 uvádí hlavní technické parametry některých domácích laserových svařovacích zařízení. Při nákupu zařízení je třeba komplexně zvážit velikost, tvar, materiál a vlastnosti zařízení, technické ukazatele, rozsah použití a ekonomické výhody.

Nízkovýkonový laserový svařovací stroj lze použít pro svařování mikrodílů a přesných dílů a stroj s vyšším výkonem by měl být použit pro svářečku a tlusté díly. Bodové svařování si může vybrat pulzní laserový svařovací stroj, pro získání kontinuálního svaru byste si měli vybrat kontinuální stroj nebo vysokofrekvenční pulzní kontinuální laserový svařovací stroj. Kromě toho je třeba věnovat pozornost tomu, zda má stroj funkce, jako je monitorování a ochrana.

Modelka	NJH-30	JKG	DH-WM01	GD-10-1
název	Pulzní laserový svařovací stroj na neodymové sklo	Neodymové sklo CNC pulzní laserový svařovací stroj	Automatický laserový svařovací stroj YAG na pouzdro baterie	Rubínový laserový bodový svařovací stroj
Vlnová délka laseru /чm	1.06	1.06	1.06	0.69
Maximální výstupní energie /J	130	97	40	13
Rychlost opakování	1-5Hz	30x/min (při jmenovitém výkonu)	1-100Hz (sedm převodů)	16x/min
Šířka pulzu /ms	0,5 (při maximálním výkonu) 6 (při jmenovitém výkonu)	2-8	0,3-10（sedm rychlostních stupňů）	6 (maximálně)
Velikost laserového pracovního materiálu	–	Φ12×350	–	Φ10×165
Uses	Electric welding and perforation	It is used for butt welding, lap welding and overlap welding of thin wires, thin plates, and the welding penetration depth can reach 1mTable 3.2 Main technical parameters of some domestic laser welding equipment.	Welding battery shells. Double workbench, the welding process is fully automated	Electric welding and drilling. Suitable for plate thickness less than 0.4mm, wire diameter less than 0.6mm

The low-power pulse laser welding machine is suitable for spot welding between metal wire and wire, wire and plate (or film) with a diameter of less than 0.5mm, especially for spot welding connection of micron-level filament and foil film. Continuous laser welding machines, especially high-power continuous, are mostly CO₂ laser welding machines, which can be used to form continuous welds and deep penetration welding of thick plates.

Characteristics and parameters of pulse laser welding process

Process characteristics of pulse laser welding

About laser welding is a kind of fusion welding, which uses laser beams as an energy source to impinge on the weldment joints. The laser beam can be guided by a flat optical element (such as a mirror), and then a reflective focusing element or lens is used to project the beam on the weld. It is non-contact welding. No pressure is required during the operation, but an inert gas is required to prevent oxidation of the molten pool, and sometimes filler metal is also used.

Pulsed laser welding is similar to spot welding. Its heating spots are very small, in the order of micrometers. Each laser pulse forms a welding spot on the metal part. Mainly used for the welding of micro, precision components and microelectronic components. It is carried out by spot welding or seam welding by lap joints. Commonly used lasers for pulsed laser welding include ruby lasers, neodymium glass lasers and YAG lasers.

Process characteristics of pulse laser welding

Pulse laser welding has four main welding parameters: pulse energy, pulse width, power density and defocus.

Pulse energy and pulse width

In pulse laser welding, the pulse energy determines the heating energy and mainly affects the amount of metal melting. The pulse width determines the welding heating time and affects the penetration depth and the size of the heat-affected zone. Figure 3. 5 shows the effect of pulse width on penetration. When the pulse is widened, the penetration depth gradually increases. When the pulse width exceeds a certain critical value, the penetration depth decreases instead. When the pulse energy is constant, there is an optimal pulse width for different materials, and the welding penetration is the largest at this time. The best pulse width for steel welding is 5-8ms.

The pulse energy mainly depends on the thermophysical properties of the material, especially the thermal conductivity and melting point. Metals with good thermal conductivity and low melting point are easy to obtain greater penetration depth. There is a certain relationship between pulse energy and pulse width during welding, and it varies with the thickness and properties of the material.

The average power P of the laser is determined by equation (3.1):

P=E/τ (3.1)

In the formula, P is the laser power, W; E is the laser pulse energy, J; τ is the pulse width, s.

In order to maintain a certain power, as the pulse energy increases, the pulse width must be increased accordingly to get better welding quality.

Power density

When the power density of the laser spot is small, the welding is carried out by thermal conduction welding, and the diameter and penetration of the welding spot are determined by the heat conduction. When the power density reaches a certain value (10⁶W/cm²), a pinhole effect is produced during the welding process, forming a deep penetration solder joint with an aspect ratio greater than 1. At this time, although a small amount of metal evaporates, it does not affect the formation of the solder joint. However, when the power density is too high, the metal evaporates violently, resulting in too much vaporized metal, forming a small hole that cannot be filled with liquid metal, and it is difficult to form a firm solder joint.

During pulse laser welding, the power density is determined by equation (3.2);

P_d=4E/πd2τ (3.2)

In the formula, P_d is the power density on the laser spot, W/cm²; E is the laser pulse energy, J; d is the spot diameter, cm; τ is the pulse width, s.

Figure 3.6 shows the relationship between pulse energy and pulse width during pulse laser welding of materials with different thicknesses. The pulse energy E and pulse width τ have a linear relationship. As the thickness of the weldment increases, the laser power density increases accordingly.

Defocus

Defocus refers to the distance between the surface of the weldment and the smallest spot of the focused laser beam during welding (also called the focus). There are two defocusing methods: positive defocus and negative defocus. The focal plane above the workpiece is called positive defocus, otherwise, it is called negative defocus. After the laser beam is focused by the lens, there is a minimum spot diameter. If the surface of the weldment coincides with it, the defocus amount F=0; if the surface of the weldment is below it, F>0, which is a positive defocus amount; otherwise, F<0, is the negative defocus amount.

Changing the amount of defocus can change the size of the laser heating spot and the beam incident condition. But too much defocus will increase the diameter of the spot, reduce the power density on the spot, and reduce the penetration depth.

In pulse laser welding, the metal with low reflectivity, large thermal conductivity, and small thickness is usually selected as the top sheet; before the thin wire and the film are welded, a small ball with a diameter of 2 to 3 times the wire diameter can be welded at the end of the wire. To increase the contact surface and facilitate laser beam alignment. Pulse laser welding can also be used for thin plate seam welding. At this time, the welding speed v=df(1-K), where d is the diameter of the welding spot, f is the pulse frequency, and K is the overlap coefficient (0.3~0.9 according to the thickness of the plate).

The process parameters of pulse laser welding of various material weldments are shown in Table 3.4. Table 3.5 shows the process parameters and joint performance of wire-to-wire pulse laser welding.

Material	Thickness (diameter)/mm	Pulse energy / J	Šířka pulzu /ms	Laser category
Gold-plated phosphor bronze + foil aluminum	0. 3+0.2	3.5	4.3	Laser na neodymové sklo
Stainless steel sheet	0.15+0.15	1.21	3.7	Laser na neodymové sklo
Pure copper foil	0.05+0.05	2.3	4.0	Laser na neodymové sklo
Nickel chromium wire + copper sheet	0.10+0.15	1.0	3.4	–
Stainless steel sheet + Ni-Cr wire	0.15+0.10	1.4	3.2	Laser na neodymové sklo
Silicon aluminum wire + stainless steel sheet	0.10+0.15	1.4	3.2	Laser na neodymové sklo

Material	Diameter/mm	Joint Form	Process Parameters	Process Parameters	Joint Performance	Joint Performance
			Output power/J	Pulse width/ms	Maximum unloading/N	Resistance/Ω
301 stainless steel（1Cr17Ni7）	0.33	Docking	8	3.0	97	0.03
		Overlap	8	3.0	103	0.03
		Cross	8	3.0	113	0.03
		T-shaped	8	3.0	106	0.03
	0.79	Docking	10	3.4	145	0.02
		Overlap	10	3.4	157	0.02
		Cross	10	3.4	181	0.02
		T-shaped	11	3.6	182	0.02
	0.38+0.79	Docking	10	3.4	106	0.02
		Overlap	10	3.4	113	0.03
		Cross	10	3.4	116	0.03
		T-shaped	11	3.6	120	0.01
	0.79+0.40	T-shaped	11	3.6	89	0.01
Copper	0.38	Docking	10	3.4	23	0.01
		Overlap	10	3.4	23	0.01
		Cross	10	3.4	19	0.01
		T-shaped	11	3.6	14	0.01
Nickel	0.51	Docking	10	3.4	55	0.01
		Overlap	7	2.8	35	0.01
		Cross	9	3.2	30	0.01
		T-shaped	11	3.6	57	0.01
Tantalum	0.38	Docking	8	3.0	52	0.01
		Overlap	8	3.0	40	0.01
		Cross	9	3.2	42	0.01
		T-shaped	8	3.0	50	0.01
	0.63	Docking	11	3.5	67	0.01
		Overlap	11	3.5	58	0.01
		T-shaped	11	3.5	77	0.01
	0.65+0.38	T-shaped	11	3.6	51	0.01
Copper and tantalum	0.38	Docking	10	3.4	17	0.01
		Overlap	10	3.4	24	0.01
		Cross	10	3.4	18	0.01
		T-shaped	10	3.4	18	0.01

Continuous laser welding process and parameters

Different metal reflectivity, melting point, thermal conductivity and other parameters, the output power required for continuous laser welding varies greatly, generally from several kilowatts to tens of kilowatts. The difference in output power required for continuous laser welding of various metals is mainly caused by the difference in absorptivity. Continuous laser welding mainly adopts CO₂ laser and fiber laser, and the welding seam shape is mainly determined by the laser power and welding speed. The CO₂ laser is widely used in continuous laser welding because of its simple structure, large output power range, and high energy conversion rate.

Joint form and assembly requirements

The common form of laser welding head is shown in Figure 3.7. Laser welding mostly uses butt joints and lap joints, and the assembly dimensional tolerance requirements of butt joints and lap joints are shown in Figure 3.8.

Laser welding has high requirements for the assembly quality of weldments. During butt welding, if the amount of misalignment of the joint is too large, the incident laser will be reflected at the corner of the board, and the welding process will be unstable. When welding thin plates, if the gap is too large, the welding will be done after welding. The seam surface is not fully formed, and perforations are formed in severe cases. When lap welding, the gap between the plates is too large and it is easy to cause poor fusion between the upper and lower plates. The assembly requirements of various types of laser-welded joints are shown in Table 3.5, which allows to increase the assembly tolerance of the joints and improve the undesirable state of the laser-welded joint preparation. Experience has shown that if the gap exceeds 3% of the plate thickness, the self-fluxing weld will not be full.

During laser welding, the weldment should be clamped to prevent welding deformation. The deviation of the light spot from the center of the welding seam perpendicular to the welding movement direction should be less than the radius of the light spot. For iron and steel materials, the surface of the weldment needs to be degusted and degreasing treatment before welding; when the requirements are stricter, it needs to be pickled before welding, and then cleaned with ether, acetone, or carbon tetrachloride.

Laser deep penetration welding can perform all-position welding, the gradual transition of starting and ending welding, which can be realized by adjusting the increase and attenuation process of laser power and changing the welding speed. It can realize a smooth transition from the beginning to the end when welding the girth seam. The use of internal reflection to enhance the laser absorption of the weld can improve the efficiency and penetration of the welding process.

Joint form	Maximum allowable gap	Maximum allowable upper and lower side deviation
Butt joint	0.10δ	0.25δ
Angle joint	0.10δ	0.25δ
T joint	0.25δ	–
Lap joint	0.25δ	–
Crimping joint	0.10δ	0.25δ

Filler metal

It is suitable for self-fusion welding. Generally, no welding material is added, and the joint is formed by the melting of the welded material itself. But sometimes in order to reduce the assembly accuracy, improve the weld formation and improve the adaptability of the welded structure, it is also necessary to add filler metal. Adding filler metal can change the chemical composition of the weld, so as to achieve the purpose of controlling the weld structure, improving the shape, and improving the mechanical properties of the joint. In some cases, it can also improve the ability of the weld to resist crystal cracks

Figure 3.9 shows a schematic diagram of laser filler wire welding. Filler metal is often added in the form of welding wire, which can be cold or hot. During deep penetration welding, the amount of filler metal should not be too large to avoid destroying the pinhole effect.

The welding wire for laser filler wire welding can be introduced from the front of the laser or from the rear of the laser, as shown in Figure 3.10. The pre-wire feeding method is often used. The advantage is that the reliability of dragging the welding wire is high, and the butt groove has a guiding effect on the welding wire. The post-wire feeding method has finer ripples on the surface of the weld and has a better appearance. The disadvantage is that once the wire feeding accuracy is reduced, the welding wire may stick to the weld. The centerline of the welding wire and the centerline of the welding seam must coincide, and the angle with the laser optical axis is generally 30°~75°. The welding wire should be accurately fed into the intersection of the optical axis and the base metal so that the laser first heats the welding wire and melts to form a droplet. Later, the base metal is also heated and melted to form a molten pool and small holes, and the wire droplets then enter the molten pool. Otherwise, the laser energy will penetrate through the joint gap and cannot form small holes, making the welding process difficult.

The welding wire also absorbs and reflects laser energy. The degree of absorption and reflection is related to factors such as laser power, wire feeding method, wire feeding speed, and focal length. When the pre-wire feeding method is adopted, the combined action of laser radiation and plasma heating will melt the welding wire, which requires a large amount of energy, so the welding process is unstable. When the post-wire feeding method is adopted, the heat of the molten pool also participates in heating the welding wire, so that the energy of heating by laser radiation is reduced, and the laser energy can be used to heat the base material to form small holes.

Wire feeding speed is an important process parameter of laser wire filler welding. The joint width and weld height increase during laser wire filler welding is mainly formed by the welding wire deposited metal. The wire feeding speed is determined by the welding speed, joint gap, welding wire diameter, and other factors. The wire feeding speed is too fast or too slow, resulting in excessive molten metal. More or less, all affect the interaction between the laser, base metal, and welding wire and the weld formation.

Laser filler wire welding is beneficial to the welding of brittle materials and dissimilar metals. For example, due to the difference in carbon and alloying elements during laser welding of dissimilar steel or steel and cast iron, brittle structures such as martensite or white mouth are easily formed in the weld. The mismatch of the linear expansion coefficient will also lead to greater welding stress. The combined effect of this will cause welding cracks. The filler wire can adjust the weld metal composition, reduce the carbon content and increase the nickel content, and inhibit the formation of brittle structures. Laser multi-layer filler wire welding can also use smaller power equipment to realize the welding of large thickness plates and improve the adaptability of laser welding to thick plates.

Process parameters

The process parameters of continuous laser welding include laser power, welding speed, spot diameter, defocus amount, type and flow rate of shielding gas, etc.

Laser power P

Laser power refers to the output power of the laser, without considering the loss caused by the light guide and focusing system, it is one of the most critical parameters of continuous laser welding. Continuously working low-power lasers can produce limited heat transfer welds on thin plates at low speeds. For high-power lasers, small holes can be used to produce narrow welds on thin plates at high speed, or small holes can be used to produce welds with relatively large depth and width at low speeds (but not less than 0.6m/s) on medium and thick plates. In heat transfer laser welding, the laser power range is 10⁴-10⁶W/cm². Laser welding penetration is closely related to output power. For a certain spot diameter, the welding penetration increases with the increase of laser power. Figure 3.11 shows the relationship between laser power and penetration in continuous laser welding of different materials.

Welding speed V

The welding speed will affect the heat input per unit time. If the welding speed is too slow, the heat input will be too large, causing the work piece to burn through; if the welding speed is too fast, the heat input will be too small, causing the work piece to be incompletely welded. Under a certain laser power, increase the welding speed, the heat input will decrease, and the weld penetration will decrease. Appropriately reducing the welding speed can increase the penetration depth, but if the welding speed is too low, the penetration depth will not increase, but will increase the penetration width. The effect of welding speed on stainless steel weld penetration is shown in Figure 3.12. It can be seen that when the laser power and other parameters remain unchanged, the weld penetration decreases as the welding speed increases.

Using different power laser welding, the relationship between welding speed and penetration is shown in Figure 3.13. As the welding speed increases, the penetration depth gradually decreases. The influence of laser welding speed on carbon steel penetration and the penetration depth obtained at different welding speeds are shown in Figure 3.14 and Figure 3.15, respectively.

The relationship between penetration depth, laser power and welding speed can be expressed by equation(3.3):

h=βP^1/2v^-r (3.3)

In the formula, h is the welding penetration depth, mm; P is the laser power, W; v is the welding speed, mm/s: β and r are constants that depend on the laser source, focusing system and welding material.

In laser deep penetration welding, the main driving force to maintain the existence of the small hole is the recoil pressure of the metal vapor. After the welding speed is low to a certain level, the heat input increases, and more and more molten metal. When the recoil pressure generated by the metal vapor is not enough to maintain the existence of the small hole, the small hole not only no longer deepens, but even collapses, welding The process degenerates into heat transfer welding, so the penetration depth will not increase. With the increase of metal vaporization, the temperature of the small hole area increases, the plasma concentration increases, and the absorption of laser light increases. For these reasons, the penetration depth of laser welding has a maximum value when welding at low speed.

Spot diameter d_o

According to the theory of light diffraction, the minimum spot diameter d of the focused laser. It can be calculated by formula (3.4):

d_o=2.44fλ(3m+1)/D (3. 4)

Ve vzorci d_o is the minimum spot diameter, mm; f is the focal length of the lens, mm; λ is the laser wavelength, mm; D is the beam diameter before focusing, mm; m is the order of the laser vibration mode.

For a beam of a certain wavelength, the smaller the f/D and m values, the smaller the spot diameter. In order to obtain a deep penetration, weld during welding, a high power density on the laser spot is required. In order to conduct small-hole heating, the power density at the laser focus during welding must be greater than 10⁶W/cm².

There are two ways to increase the power density: one is to increase the laser power P, which is proportional to the power density; the other is to reduce the spot diameter, and the power density is inversely proportional to the square of the spot diameter. Therefore, the effect of reducing the spot diameter is more obvious than increasing the power. To reduce the spot diameter do, you can use a short focal length lens and reduce the order of the transverse mode of the laser beam, and a smaller spot can be obtained after the low-price mode is focused.

Defocus F

The amount of defocus not only affects the size of the laser spot on the surface of the weldment, but also affects the incident direction of the beam, which has a greater impact on the weld penetration, weld width and weld cross-sectional shape. When the defocus amount F is large, the penetration depth is very small, which belongs to heat transfer welding; when the defocus amount F is reduced to a certain value, the penetration depth increases leaps and bounds, which marks the occurrence of pinholes.

According to geometric optics theory, when the distance between the positive and negative defocus planes and the welding plane is equal, the power density on the corresponding planes is approximately the same, but in fact the shape of the molten pool obtained is different. When the defocus is negative, a greater penetration depth can be obtained, which is related to the formation process of the molten pool. Because when the defocus is negative, the internal power density of the material is higher than that of the surface, which is easy to form stronger melting and vaporization, so that the beam can be transmitted to the deeper part of the material. In practical applications, when welding thicker plates, when the penetration depth is greater, the appropriate negative defocus can be used to obtain the maximum penetration; when welding thin materials, the positive defocus should be used.

Obrázek 3.16 ukazuje vliv velikosti rozostření na hloubku průniku, šířku průvaru a plochu průřezu svaru. Je vidět, že po snížení míry rozostření na určitou hodnotu se hloubka průniku náhle změní, to znamená, že se vytvoří průrazný otvor. Nezbytné podmínky. Při laserovém svařování s hlubokým průvarem je ohnisková poloha, když je hloubka průniku největší, pod povrchem svařence a tvorba svaru je v tomto okamžiku nejlepší.

Ochranný plyn

Použití ochranného plynu při laserovém svařování má dvě funkce: jednou je chránit svarový kov před škodlivými plyny, zabránit kontaminaci kyslíkem a zlepšit výkon spoje; druhý je ovlivnit plazma během procesu svařování a inhibovat tvorbu plazmových oblaků. Během svařování hlubokou penetrací způsobuje vysokovýkonný laserový paprsek zahřívání a odpařování kovu, čímž se nad roztavenou lázní vytvoří oblak kovových par, který se působením elektromagnetického pole disociuje za vzniku plazmy, která působí jako bariéra laserový paprsek a ovlivňuje laserový paprsek, který má být svařován. absorbovat.

Za účelem eliminace plazmatu se obvykle používají vysokorychlostní trysky, které rozstřikují inertní plyn do oblasti svařování, aby se plazma vychýlilo, a současně se chrání roztavený kov před atmosférou. Ochranný plyn je většinou Ar nebo He. Má vynikající ochranu a účinek potlačení plazmatu a má velkou penetraci při svařování. Pokud je malé množství Ar nebo O₂ se přidá k He, lze penetraci dále zvýšit. Obrázek 3.17 ukazuje vliv ochranného plynu na průnik laserového svařování

Průtok plynu má také určitý vliv na hloubku průniku. Hloubka průniku se zvyšuje s rostoucí rychlostí proudění plynu. Nadměrný průtok plynu však způsobí, že povrch roztavené lázně klesne a v závažných případech dokonce prohoří. Hloubka průvaru získaná při různých rychlostech průtoku plynu je znázorněna na obrázku 3.18. Je vidět, že když je průtok plynu větší než 17,5 l/min, hloubka průvaru se již nezvyšuje. Rozdílná je vzdálenost mezi ofukovací tryskou a svařencem a rozdílná je i hloubka průniku. Obrázek 3.19 ukazuje vztah mezi vzdáleností od trysky ke svařenci a průvarem svaru.

Poznámka: Procento na obrázku je procento upravené podle vzdálenosti mezi normální polohou trysky a obrobkem.

Vztah mezi parametry procesu laserového svařování (jako je výkon laseru, rychlost svařování atd.) a penetrací, šířkou svaru a vlastnostmi svařovacího materiálu má velké množství empirických dat a stanovil regresní rovnici pro vztah mezi nimi:

P/vh=q+b/r (3,5)

Ve vzorci je P výkon laseru, KW; v je rychlost svařování, mm/s: h je průvar svařování, mm; aab jsou parametry; r je regresní koeficient

Hodnoty parametrů a, b a regresního koeficientu r ve vzorci (3.5) jsou uvedeny v tabulce 3.7.

Material	Typ laseru	a/k]*mm-2	b/k]*mm-1	Regresní koeficient r
Nerezová ocel SUS304 (OCr18Ni9)	CO2	0.0194	0.356	0.82
Měkká ocel	CO2 YAG	0.016 0.009	0.219 0.309	0.81 0.92
Slitina hliníku	CO2 YAG	0.0219 0.0065	0.381 0.526	0.73 0.99

Procesní parametry kontinuálního CO₂ laserové svařování jsou uvedeny v tabulce 3.8.

Material	Tloušťka/mm	Rychlost svařování /cm*s-1	Šířka švu /mm	Poměr stran	Výkon /kw
Nerezová ocel 321 (1Cr18Ni9Ti)	0.13	3.81	0.45	Plná penetrace	5
	0.25	1.48	0.71	Plná penetrace	5
	0.42	0.47	0.76	Částečná penetrace	5
Nerezová ocel 17-7 (0Cr17Ni7Al)	0.13	4.65	0.45	Plná penetrace	5
Nerezová ocel 302 (1Cr18Ni9)	0.13	2.12	0.5	Plná penetrace	5
	0.20	1.27	0.50	Plná penetrace	5
	0.25	0.42	1.00	Plná penetrace	5
	6.35	2.14	0.70	7	3.5
	8.9	1.27	1.00	3	8
	12.7	0.42	1.00	5	20
	20.3	21.1	1.00	5	20
	6.35	8.47	–	6.5	16
Inconel 600	0.10	6.35	0.25	Plná penetrace	5
	0.25	1.69	0.45	Plná penetrace	5
Slitina niklu 20	0.13	1.48	0.45		5
Monel 400	0.25	0.60	0.60		5
Průmyslově čistý titan	0.13	5.90	0.38		5
	0.25	2.12	0.55		5
Měkká ocel	1.19	0.32	–	0.63	0.65