Лазерная сварка

Воспроизвести медиа

Робот выполняет дистанционную сварку волоконным лазером.

Лазерная сварка ( LBW ) - это метод сварки , используемый для соединения деталей из металла или термопласта с помощью лазера . Луч обеспечивает концентрированный источник тепла, что позволяет выполнять узкие и глубокие сварные швы с высокой скоростью сварки. Этот процесс часто используется в крупных приложениях с использованием автоматизации , например, в автомобильной промышленности. Он основан на сварке в режиме «замочная скважина» или проплавлением.

Операция [ править ]

Как и электронно-лучевая сварка (ЭЛС), лазерная сварка имеет высокую плотность мощности (порядка 1 МВт / см ² ), что приводит к небольшим зонам термического влияния и высокой скорости нагрева и охлаждения. Размер пятна лазера может варьироваться от 0,2 мм до 13 мм, хотя для сварки используются только меньшие размеры. Глубина проникновения пропорциональна количеству подаваемой мощности, но также зависит от местоположения фокальной точки : проникновение увеличивается, когда фокальная точка находится немного ниже поверхности заготовки.

В зависимости от области применения можно использовать непрерывный или импульсный лазерный луч. Импульсы длительностью миллисекунды используются для сварки тонких материалов, таких как бритвенные лезвия, в то время как лазерные системы непрерывного действия используются для глубокой сварки.

LBW - это универсальный процесс, позволяющий сваривать углеродистые стали , стали HSLA , нержавеющую сталь , алюминий и титан . Из-за высоких скоростей охлаждения при сварке высокоуглеродистых сталей возникает проблема растрескивания. Качество сварки высокое, как при электронно-лучевой сварке . Скорость сварки пропорциональна количеству подаваемой мощности, но также зависит от типа и толщины заготовок. Высокая мощность газовых лазеров делает их особенно подходящими для применения в больших объемах. LBW особенно доминирует в автомобильной промышленности. ^{[1] [2]}

Некоторые из преимуществ LBW по сравнению с EBW:

• лазерный луч может передаваться через воздух, а не через вакуум
• процесс легко автоматизируется с помощью робототехники
• рентгеновские лучи не генерируются
• LBW обеспечивает более высокое качество сварных швов ^{[ необходима ссылка ]}

Производная от LBW, гибридная лазерная сварка , объединяет лазер LBW с методом дуговой сварки, таким как газовая дуговая сварка . Эта комбинация обеспечивает большую гибкость позиционирования, поскольку GMAW подает расплавленный металл для заполнения стыка, и благодаря использованию лазера увеличивает скорость сварки по сравнению с обычной, возможной при GMAW. Качество сварного шва, как правило, также выше, поскольку уменьшается вероятность подрезов. ^[3]

Оборудование [ править ]

Автоматизация и CAM [ править ]

Хотя лазерная сварка может выполняться вручную, большинство систем автоматизированы и используют систему автоматизированного производства, основанную на автоматизированном проектировании . ^{[4] [5] [6]} Лазерная сварка также может сочетаться с фрезерованием для формирования готовой детали. ^[7]

Недавно проект RepRap , который исторически работал над производством плавленых волокон , расширился до разработки систем лазерной сварки с открытым исходным кодом. ^[8] Такие системы были полностью охарактеризованы и могут использоваться в широком диапазоне приложений при одновременном снижении обычных производственных затрат. ^[9]

Лазеры [ править ]

• Обычно используются два типа лазеров: твердотельные лазеры (особенно рубиновые лазеры и лазеры на Nd: YAG ) и газовые лазеры.
• В первом типе используется одна из нескольких твердых сред, включая синтетический рубин ( хром в оксиде алюминия ), неодим в стекле (Nd: стекло) и наиболее распространенный тип - неодим в иттрий- алюминиевом гранате (Nd: YAG).
• В газовых лазерах в качестве среды используются смеси газов, таких как гелий , азот и углекислый газ (CO2-лазер).
• Однако, независимо от типа, когда среда возбуждена, она испускает фотоны и формирует лазерный луч.

Твердотельный [ править ]

Твердотельные лазеры работают на длинах волн порядка 1  микрометра , что намного короче, чем газовые лазеры, используемые для сварки, и, как следствие, требуют, чтобы операторы носили специальные очки или использовали специальные экраны для предотвращения повреждения сетчатки. Nd: YAG-лазеры могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режиме, но другие типы ограничены импульсным режимом. Первоначальная и до сих пор популярная твердотельная конструкция представляет собой монокристалл в форме стержня диаметром примерно 20 мм и длиной 200 мм с плоскими отшлифованными концами. Этот стержень окружен импульсной трубкой, содержащей ксенон или криптон.. Во время вспышки лазер излучает световой импульс длительностью около двух миллисекунд. Кристаллы в форме дисков становятся все популярнее в промышленности, а лампы-вспышки уступают место диодам из-за их высокого КПД. Типичная выходная мощность рубиновых лазеров составляет 10–20 Вт, тогда как выходная мощность лазера на Nd: YAG составляет 0,04–6 000 Вт. Для доставки лазерного луча в зону сварки обычно используется волоконная оптика.

Газ [ править ]

В газовых лазерах используются высоковольтные слаботочные источники энергии для подачи энергии, необходимой для возбуждения газовой смеси, используемой в качестве среды генерации. Эти лазеры могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме, а длина волны лазерного луча на газе CO2 составляет 10,6 мкм, в глубоком инфракрасном диапазоне, то есть «тепловом». Оптоволоконный кабель поглощает и разрушает эту длину волны, поэтому используется жесткая линза и система доставки зеркала. Выходная мощность газовых лазеров может быть намного выше, чем у твердотельных лазеров, достигая 25  кВт . ^[10]

Волокно [ править ]

В волоконных лазерах основной средой является само оптическое волокно. Они имеют мощность до 50 кВт и все чаще используются для роботизированной промышленной сварки.

Доставка лазерного луча [ править ]

Современные аппараты для лазерной сварки можно разделить на два типа. В традиционном типе выход лазера перемещается по шву. Обычно это достигается с помощью робота. Во многих современных приложениях используется дистанционная лазерная сварка. В этом методе лазерный луч перемещается по шву с помощью лазерного сканера , так что роботизированной руке больше не нужно следить за швом. Преимущества дистанционной лазерной сварки - более высокая скорость и более высокая точность сварочного процесса.

Тепловое моделирование импульсной лазерной сварки [ править ]

Импульсная лазерная сварка имеет преимущества перед непрерывной лазерной сваркой. Некоторые из этих преимуществ - более низкая пористость и меньшее разбрызгивание. ^[11] Импульсная лазерная сварка также имеет некоторые недостатки, такие как образование горячих трещин в алюминиевых сплавах. ^[12] Термический анализ процесса импульсной лазерной сварки может помочь в прогнозировании параметров сварки, таких как глубина плавления, скорость охлаждения и остаточные напряжения. Из-за сложности импульсного лазерного процесса необходимо использовать процедуру, которая включает цикл разработки. Цикл включает построение математической модели, расчет теплового цикла с использованием методов численного моделирования, таких как конечно-элементное моделирование (FEM) или метод конечных разностей. (FDM) или аналитических моделей с упрощающими допущениями и подтверждения модели экспериментальными измерениями.

Методология, объединяющая некоторые из опубликованных моделей, включает: ^{[13] [14] [15]}

1. Определение эффективности поглощения энергии.
2. Расчет давления отдачи на основе температуры и уравнения Клаузиуса-Клапейрона.
3. Рассчитайте скорости потока жидкости, используя метод объема жидкости (VOF).
4. Расчет распределения температуры.
5. Увеличьте время и повторите шаги 1-4.
6. Проверка результатов

Шаг 1 [ редактировать ]

Не вся лучистая энергия поглощается и превращается в тепло при сварке. Часть лучистой энергии поглощается плазмой, создаваемой испарением, а затем последующей ионизацией газа. Кроме того, на поглощающую способность влияют длина волны луча, состав поверхности свариваемого материала, угол падения и температура материала. ^[11]

Предположение о точечном источнике Розенталя оставляет бесконечно высокий температурный скачок, который устраняется путем предположения гауссова распределения. Лучистая энергия также неравномерно распределена в луче. Некоторые устройства производят гауссовское распределение энергии, тогда как другие могут быть бимодальными. ^[11] Можно применить гауссовское распределение энергии, умножив плотность мощности на функцию, подобную этой: ^[14] , где r - радиальное расстояние от центра луча, = радиус луча или размер пятна.${\displaystyle f(r)=\exp(-r^{2}/a_{o}^{2})}$${\displaystyle a_{o}}$

Использование распределения температуры вместо предположения о точечном источнике позволяет упростить расчет температурно-зависимых свойств материала, таких как поглощающая способность. На облучаемой поверхности, когда образуется замочная скважина, происходит френелевское отражение (почти полное поглощение энергии луча из-за многократного отражения внутри полости замочной скважины), которое можно смоделировать с помощью , где ε является функцией диэлектрической проницаемости, электропроводности, и частота лазера. θ - угол падения. ^[13] Понимание эффективности поглощения является ключом к расчету тепловых эффектов.${\displaystyle \alpha _{\theta }=1-R_{\theta }=1-0.5{{1+(1-\epsilon \cos \theta )^{2} \over {1+{1+\epsilon \cos \theta )^{2}}}}+{{{\epsilon ^{2}}-2\epsilon \cos \theta +2\cos ^{2}\theta } \over {\epsilon ^{2}}+2\epsilon \cos \theta +2\cos ^{2}\theta }}}$

Шаг 2 [ редактировать ]

Лазеры могут сваривать в одном из двух режимов: проводимость и замочная скважина. Какой режим работает, зависит от того, достаточно ли высока удельная мощность, чтобы вызвать испарение. ^[11] Режим кондукции возникает ниже точки испарения, а режим «замочной скважины» - выше точки испарения. Замочная скважина аналогична воздушному карману. Воздушный карман находится в постоянном движении. Такие силы, как давление отдачи испаренного металла, открывают замочную скважину ^{[13], в} то время как гравитация (также известная как гидростатические силы) и поверхностное натяжение металла имеют тенденцию разрушать ее. ^[15] При даже более высоких плотностях мощности пар может быть ионизирован с образованием плазмы.

Давление отдачи определяется с помощью уравнения Клаузиуса-Клапейрона. ^[14] , где P - равновесное давление пара, T - температура поверхности жидкости, H _LV - скрытая теплота парообразования, T _LV - равновесная температура на границе раздела жидкость-пар. Используя предположение, что поток пара ограничен звуковыми скоростями, ^[16] получается, что , где Po - атмосферное давление, а Pr - давление отдачи.${\displaystyle {dP \over dT}={d\Delta H_{LV} \over dT\Delta V_{LV}}\thickapprox {d\Delta H_{LV} \over T_{LV}V_{LV}}}$${\displaystyle P_{r}\approxeq 0.54P_{o}exp(\Delta H_{LV}{T-T_{LV} \over RTT_{LV}})}$

Шаг 3 [ редактировать ]

Это относится к профилям замочной скважины. Скорости потока жидкости определяются по ^[13]

${\displaystyle \bigtriangledown *{\overrightarrow {v}}=0}$

${\displaystyle {\partial {\overrightarrow {v}} \over \partial t}+({\overrightarrow {v}}*\bigtriangledown ){\overrightarrow {v}}=-{1 \over \rho }\bigtriangledown P+v\bigtriangledown {\overrightarrow {v}}+\beta {\overrightarrow {g}}\Delta T}$

${\displaystyle {\partial F \over \partial t}+({\overrightarrow {v}}*\bigtriangledown )F=0}$

где - вектор скорости, P = давление, ρ = массовая плотность, = вязкость, β = коэффициент теплового расширения, g = сила тяжести, и F - объемная доля жидкости в ячейке сетки моделирования.${\displaystyle {\overrightarrow {v}}}$${\displaystyle v}$

Шаг 4 [ редактировать ]

Чтобы определить граничную температуру на поверхности падения лазера, вы должны применить подобное уравнение. , ^[15] где kn = теплопроводность по нормали к поверхности, на которую падает лазер, h = коэффициент конвективной теплопередачи для воздуха, σ - постоянная Стефана – Больцмана для излучения, ε - коэффициент излучения свариваемого материала. , q - тепловой поток лазерного луча.${\displaystyle k_{n}{\partial T \over \partial n}-q+h(T-T_{o})+\sigma \epsilon (T^{4}-T_{o}^{2})=0}$

В отличие от непрерывной лазерной сварки, которая включает в себя один движущийся тепловой цикл, импульсный лазер включает в себя повторяющееся воздействие на одно и то же место, создавая таким образом несколько перекрывающихся тепловых циклов. ^[15] Для решения этой проблемы можно добавить ступенчатую функцию, которая умножает тепловой поток на единицу, когда луч включен, но умножает тепловой поток на ноль, когда луч выключен. ^[14] Один из способов ^[15] добиться этого - использовать дельту Кронекера, которая изменяет q следующим образом:, где δ = дельта Кронекера, qe = экспериментально определенный тепловой поток. Проблема этого метода в том, что он не позволяет увидеть влияние длительности импульса. В одну сторону ^[14]${\displaystyle q=\delta *qe}$ Чтобы решить эту проблему, нужно использовать модификатор, который зависит от времени, например:

${\displaystyle f(n)={\begin{cases}1,&{\text{if }}n/v\leq t\leq n/v+\tau \\0,&{\text{if }}n/v+\tau \leq t\leq (n+1)/v\end{cases}}}$

где v = частота импульсов, n = 0,1, 2, ..., v-1), τ = длительность импульса.

Затем вы примените это граничное условие и решите 2-й закон Фурье, чтобы получить распределение внутренней температуры. Предполагая отсутствие внутреннего тепловыделения, решение выглядит следующим образом : k = теплопроводность, ρ = плотность, Cp = удельная теплоемкость, = вектор скорости жидкости.${\displaystyle \rho C_{p}({\partial T \over \partial t}+{\overrightarrow {v}}\bigtriangledown T)=k\bigtriangledown T}$${\displaystyle {\overrightarrow {v}}}$

Шаг 5 [ редактировать ]

Увеличение выполняется путем дискретизации основных уравнений, представленных на предыдущих шагах, и применения следующих шагов времени и длины.

Шаг 6 [ редактировать ]

Результаты могут быть подтверждены конкретными экспериментальными наблюдениями или тенденциями общих экспериментов. Эти эксперименты включали металлографическую проверку глубины плавления. ^[17]

Последствия упрощающих предположений [ править ]

Физика импульсного лазера может быть очень сложной, и поэтому необходимо сделать некоторые упрощающие допущения, чтобы либо ускорить расчет, либо компенсировать отсутствие свойств материалов. Температурная зависимость свойств материала, таких как удельная теплоемкость, игнорируется, чтобы минимизировать время вычислений.

Температуру жидкости можно переоценить, если не учитывать потери тепла из-за потери массы пара, покидающего границу раздела жидкость-металл. ^[14]

Ссылки [ править ]

Библиография [ править ]

• Кэри, Ховард Б. и Скотт К. Хелцер (2005). Современные сварочные технологии . Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси: Образование Пирсона. ISBN 0-13-113029-3 . 
• Веман, Клас (2003). Справочник по сварочным процессам . Нью-Йорк: CRC Press LLC. ISBN 0-8493-1773-8 . 
• Калпакджян, Сероп и Шмид, Стивен Р. (2006). Технологии и технологии производства 5-е изд. Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси: Образование Пирсона. ISBN 0-13-148965-8 

Внешние ссылки [ править ]

• Двухлучевая лазерная сварка; статья из журнала Welding Journal 2002 г.
• Морфология сварного шва и тепловое моделирование при двухлучевой лазерной сварке; статья из журнала Welding Journal 2002 г.
• Статьи о лазерной сварке из журнала Industrial Laser Solutions
• Роботизированная лазерная сварка
• Лазерная сварка: основное руководство