7 характеристик лазерной сварки, которые вам необходимо знать

Если вы занимаетесь лазерной сваркой или начинаете приближаться к этой технологии, вы должны знать как минимум эти семь характеристик лазера.

1. Длина волны
2. Оптическая сила
3. Фокус
4. Качество лазерного луча
5. Поглощение и отражение
6. Транспортировка лазерного луча
7. Глубина проплавления шва

Приобрести оборудование для лазерной сварки вы можете на http://laser-form.ru.

Мы уже видели, как генерируется лазерный луч:

• лазерная среда, электроны которой прыгают вверх и вниз, поглощая и испуская фотоны (эквивалент рубинового бруска мистера Маймана);
• система накачки: источник энергии, используемый для возбуждения атомов лазерной среды;
• резонансная полость: два противоположных зеркала, одно из которых полупрозрачное, из которого выходит луч.

Прежде чем перейти к применению лазерной сварки, я думаю, что было бы интересно сделать обзор некоторых параметров и характеристик лазеров.

-1- Длина волны

В зависимости от типа источника лазер излучается с определенной частотой.
Частота ( f ) — это скорость, с которой колеблется электромагнитное поле света, излучаемого источником.
Длина волны ( λ ) обратно пропорциональна частоте, умноженной на скорость света:  λ = c / f .
Если частота высокая, это означает, что скачок энергии в исходном атоме был большим.
Следовательно, высокая частота равна короткой длине волны, равна большей энергии фотона.

E = hf

Это уравнение Планка-Эйнштейна, которое гласит, что энергия ( E ) прямо пропорциональна ( h ) частоте ( f ).
Что такое ч? Это постоянная Планка. Это фундаментальная физическая константа, такая как G  (универсальная гравитационная постоянная) или c (скорость света).

Электромагнитный спектр представляет собой набор длин волн, которые могут иметь фотоны.
Спектр разделен на следующие полосы:

• Радиоволны: более 10 см, до 10 км;
• СВЧ: от 1000 мкм до 1 м;
• Инфракрасный: от 0,7 мкм до 1000 мкм;
• Видимый: от 0,4 мкм (фиолетовый) до 0,7 мкм (красный);
• Ультрафиолет: от 10 нм до 0,4 мкм;
• Рентгеновские лучи: от 13 часов (пикометр) до 1 нм;
• Гамма-лучи: менее 13 часов.

Промышленные лазеры имеют длину волны около 1 мкм (300 ТГц, твердотельный лазер) и 10 мкм (30 ТГц, CO ₂ -лазер).

-2- Оптическая мощность

Это количество энергии, переносимой лазерным лучом за единицу времени.
Это не соответствует мощности источника, так как задействована целая цепочка КПД, снижающих ее. Взаимосвязь между потребляемой мощностью в электрической розетке и полученной оптической мощностью называется на английском языке «эффективностью розетки».
Мощность может передаваться непрерывно (CW, непрерывная волна) или импульсным (PW).

 

При одинаковой мощности между CW и PW импульсный режим имеет гораздо более высокие пики энергии. Например, из импульсного Nd: YAG мощностью 500 Вт можно извлечь пики мощностью 10 кВт. Поэтому его обычно используют для точечной сварки.

-3- В центре внимания

Чтобы быть эффективным, лазерный луч должен быть сфокусирован. То есть проходит через линзу, которая позволяет ему сходиться в небольшом пятне. Таким образом, мощность сосредоточена на небольшой поверхности.
Например, когда в детстве вы использовали линзу, чтобы обжечь листья солнечными лучами.

 

С помощью линз определенной геометрии можно сфокусировать луч на определенном расстоянии от линзы (фокусное расстояние), получая пятна диаметром около 0,5 мм.
Если качество луча позволяет, увеличенные фокусные расстояния используются для так называемой удаленной сварки или сварки сканером. Фактически, благодаря использованию подходящих линз и зеркальных гальванометров (гальванометров) качественный лазерный луч может быть сфокусирован в небольших точках. Это обеспечивает очень высокую скорость сварки, сохраняя неподвижность лазерной головки и заготовки, при этом двигается только зеркало.

-4- Качество лазерного луча

Качество лазерного луча говорит нам, насколько луч может быть сфокусирован линзой. Затем он сообщает нам, насколько маленьким может быть пятно из-за его расхождения и искажения.
Качество измеряется фактором M ².

Технически это довольно сложный параметр, но достаточно знать, что качество определяется типом источника, качеством оптических компонентов, точностью конструкции.
Тепловые эффекты, возникающие внутри кристаллов, также вызывают искажение луча, снижая его качество.
С помощью оптической силы он определяет яркость лазерного луча (яркость).
Значения M ² варьируются от 1 и выше.
В идеальном случае высочайшего качества он стоит 1.
Чем выше M ², тем хуже качество луча.

Лазер на СО ₂ всегда имел более высокое качество, чем твердотельные лазеры.
Но в последние годы технологии продвинулись настолько далеко, что твердотельные лазеры заменяют лазеры на CO ₂ во многих областях лазерной сварки.

-5- Поглощение и отражение

Луч должен передавать энергию атомам металла, повышать их температуру и затем вызывать плавление, необходимое для лазерной сварки.
Следует учитывать, что поверхность металлов является отражающей, и это усложняет ситуацию.

Способность материала поглощать падающее излучение называется оптической плотностью и зависит от:

• тип материала, на который попадает лазерный луч;
• длина волны фотонов луча;
• состояние поверхности (необработанная, полированная);
• температура поверхности.

Величины, относящиеся к этому явлению, называются оптической плотностью, отражением и пропусканием.

Рефлекс + Поглощение + Передача = Несчастный случай

 

Металлы лучше поглощают волны длиной около микрона (твердое тело), ​​в то время как неметаллы (подобные полимеру) лучше поглощают волны длиной 10 мкм (CO ₂).
Среди металлов лучше всего впитывают сталь и нержавеющая сталь.
Алюминий, медь и серебро — самые слабые.

Улучшение твердотельных технологий приводит к отказу от CO ₂ в лазерной сварке металлов, в том числе и по этому факту.

-6- Транспортировка лазерного луча

Лазерный луч, генерируемый в источнике, должен быть передан на заготовку. Есть два основных способа переноса луча:

• Со специальными зеркалами;
• Или с помощью оптоволоконного кабеля.

Фиксированные зеркала

Зеркальный перенос работает так, как вы себе представляете. Специальные зеркала закрепляются и наклоняются на пути луча, который отклоняется отражением, направленным на заготовку.
Зеркала также могут скользить по прямым осям (x, y), при фиксированном наклоне можно перемещать пятно на заготовке.

Оптическое волокно

С другой стороны, оптическое волокно представляет собой чрезвычайно тонкий проводник из стекла или пластика. Он состоит из двух основных частей: внутренней проволоки, называемой сердечником, и внешнего покрытия, также сделанного из стекла (оболочки). Чтобы дать представление, оболочка — это диаметр волоса. Представьте себе ядро!
Оболочка имеет более низкий показатель преломления, чем сердцевина.
Разница в преломлении вызывает отражение падающего светового луча на границе раздела между сердечником и оболочкой, когда угол падения больше критического. Таким образом, луч постоянно отражается внутри оптического волокна.
Следовательно, когда жгут входит в волокно, он выходит на другом конце, даже если проводник изогнут.

Таким образом можно установить лазерную головку на манипуляторе робота, при этом источник может быть очень далеко.

-7- Глубина проплавления лазерной сварки

Теперь лазерный луч попадает на поверхность и расплавляет материал, вызывающий сварку.
В зависимости от удельной мощности возможны три режима сварки.
Как и ожидалось, чем более сконцентрирована мощность, тем глубже отверстие.

Ниже представлен ориентировочный чертеж, показывающий форму сварных швов. Это поперечное сечение, поэтому представьте, что прямое направление перпендикулярно экрану и движется к вам.

Сварки за счет проводимости, при низких концентрациях мощности (0,5 МВт / см ²).
В этом случае материал плавится из-за повышения температуры, вызванного передачей тепла от точки приложения луча к нижележащим слоям.
Этот сварной шов очень эстетичный, но не очень проникающий, менее 2 мм.
Для этого не обязательно иметь высококачественный лазерный луч.

Сварка в переходе происходит при концентрациях средней мощности (1 мВт / см ²) с помощью импульсного пучка, так что средний путь, именно переход между проводимостью и замочной скважиной. Он имеет глубину проникновения примерно равную ширине.

Сварки замочной скважины, обеспечивает максимальное проникновение и реализуется при высоких концентрациях мощности (1,5 МВт / см ²). Во время плавления температура настолько высока, что металл испаряется, образуя так называемую замочную скважину. В этом состоянии металл похож на проводник для света, который эффективно передается к нижележащим слоям по правильному кругу. Это вызывает формирование глубокого шнура.
Чем ниже скорость подачи, тем пухлее форма поперечного сечения шарнира.
Благодаря высокой мощности можно достичь скорости сварки до 12 м / мин, но с меньшим проваром. При слишком высоком уровне начинается деградация стыка, где появляется бортик особой формы, называемый горбатым, дугообразным.