Лазерная сварка

Техника сварки

Робот выполняет дистанционную волоконную лазерную сварку.

Лазерная сварка ( LBW ) — это метод сварки , используемый для соединения деталей из металла или термопластов с помощью лазера . Луч представляет собой концентрированный источник тепла, позволяющий выполнять узкие и глубокие сварные швы с высокой скоростью сварки. Этот процесс часто используется в больших объемах и точности, требующих автоматизации , например, в автомобильной и авиационной промышленности. Он основан на сварке в режиме «замочной скважины» или режиме проплавления.

Операция

Как и электронно-лучевая сварка (ЭЛС), лазерная сварка имеет высокую плотность мощности (порядка 1 МВт/см ² ), что приводит к малым размерам зон термического влияния и высоким скоростям 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 энергии, но также зависит от местоположения фокусной точки : проникновение максимально, когда фокус находится немного ниже поверхности заготовки.

В зависимости от применения можно использовать непрерывный или импульсный лазерный луч. Импульсы длительностью в миллисекунды используются для сварки тонких материалов, таких как бритвенные лезвия, а лазерные системы непрерывного действия используются для глубоких сварных швов.

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 сварного шва высокое, аналогично качеству электронно-лучевой сварки . 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 в вакууме
• процесс легко автоматизируется с помощью роботизированного оборудования
• рентгеновские лучи не генерируются
• LBW обеспечивает более высокое качество сварных швов ^{[3] [4]}

Производная от LBW, лазерно-гибридная сварка , сочетает в себе лазер LBW с методом дуговой сварки, таким как газовая дуговая сварка . Эта комбинация обеспечивает большую гибкость позиционирования, поскольку GMAW подает расплавленный металл для заполнения шва и благодаря использованию лазера увеличивает скорость сварки по сравнению с тем, что обычно возможно при GMAW. Качество сварного шва также имеет тенденцию быть выше, поскольку снижается вероятность подрезов. ^[5]

Оборудование

Автоматизация и CAM

Хотя лазерную сварку можно выполнять вручную, большинство систем автоматизированы и используют систему автоматизированного производства, основанную на компьютерном проектировании . ^{[6] [7] [8]} Лазерную сварку также можно сочетать с фрезеровкой для формирования готовой детали. ^[9]

В 2016 году проект RepRap , который исторически занимался производством плавленых нитей , расширился до разработки систем лазерной сварки с открытым исходным кодом. ^[10] Такие системы полностью охарактеризованы и могут использоваться в широком спектре приложений при одновременном снижении обычных производственных затрат.

Лазеры

• Обычно используются два типа лазеров: твердотельные лазеры (особенно рубиновые лазеры и лазеры 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 алюмоиттриевом гранате ( Nd:YAG).
• Газовые лазеры используют в качестве среды смеси газов, таких как гелий , азот и углекислый газ (лазер CO _{2 ).}
• Однако независимо от типа, когда среда возбуждается, она излучает фотоны и формирует лазерный луч.

Твердое состояние

Твердотельные лазеры работают на длинах волн порядка 1  микрометра , что намного короче, чем газовые лазеры, используемые для сварки, и в результате требуют, чтобы операторы носили специальные очки или использовали специальные экраны для предотвращения повреждения сетчатки. Лазеры Nd:YAG могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режиме, но другие типы ограничены импульсным режимом. Оригинальная и до сих пор популярная твердотельная конструкция представляет собой монокристалл в форме стержня диаметром около 20 мм и длиной 200 мм, концы которого отшлифованы. Этот стержень окружен лампой-вспышкой , содержащей ксенон или криптон . При вспышке лазер излучает импульс света длительностью около двух миллисекунд. В промышленности растет популярность кристаллов в форме дисков, а лампы-вспышки уступают место диодам из-за их высокой эффективности. Типичная выходная мощность рубиновых лазеров составляет 10–20 Вт, а выходная мощность Nd:YAG-лазера составляет 0,04–6000 Вт. Для доставки лазерного луча к зоне сварки обычно используется оптоволокно.

Газ

В газовых лазерах используются высоковольтные слаботочные источники питания для подачи энергии, необходимой для возбуждения газовой смеси, используемой в качестве лазерной среды. Эти лазеры могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме, а длина волны луча газового CO ₂ -лазера составляет 10,6 мкм, глубокий инфракрасный диапазон, т.е. «тепловой». Волоконно-оптический кабель поглощает и разрушает эту длину волны, поэтому используется жесткая система доставки линз и зеркал. Выходная мощность газовых лазеров может быть намного выше, чем у твердотельных лазеров, достигая 25  кВт . ^[11]

Волокно

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

Доставка лазерного луча

Современные аппараты 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 вдоль шва с помощью лазерного сканера , поэтому роботизированной руке больше не нужно следовать за швом. Преимуществами дистанционной лазерной сварки являются более высокая скорость и более высокая точность сварочного процесса.

Термическое моделирование импульсной лазерной сварки

Импульсная лазерная сварка имеет преимущества перед лазерной сваркой непрерывной волной (CW). Некоторые из этих преимуществ — меньшая пористость и меньшее разбрызгивание. ^[12] Импульсная лазерная сварка также имеет некоторые недостатки, такие как образование горячих трещин в алюминиевых сплавах. ^[2] 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, включающую цикл разработки. Цикл включает в себя построение математической модели, расчет теплового цикла с использованием методов численного моделирования, таких как моделирование методом конечных элементов (FEM) или метод конечных разностей (FDM) или аналитические модели с упрощающими допущениями, а также проверку 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 скорость потока жидкости, используя метод объема жидкости (VOF).
4. Расчет распределения температуры.
5. Увеличьте время и повторите шаги 1–4.
6. Проверка результатов

Шаг 1

Не вся лучистая энергия поглощается и превращается в тепло для сварки. Некоторая часть лучистой энергии поглощается плазмой, образующейся в результате испарения и последующей ионизации газа. Кроме того, на поглощающую способность влияют длина волны луча, состав поверхности свариваемого материала, угол падения и температура материала. ^[12]

Предположение Розенталя о точечном источнике оставляет бесконечно высокий температурный разрыв, который решается путем предположения о распределении Гаусса. Лучистая энергия также неравномерно распределяется внутри луча. Некоторые устройства создают гауссово распределение энергии, тогда как другие могут быть бимодальными. ^[12] Гауссово распределение энергии можно применить, умножив плотность мощности на такую ​​функцию: ^[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 зависимых от температуры свойств материала, таких как поглощающая способность. На облучаемой поверхности при формировании замочной скважины происходит френелевское отражение (практически полное поглощение энергии луча за счет многократного отражения внутри полости замочной скважины), которое можно смоделировать выражением , где ε – функция 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

Лазеры могут сваривать в одном из двух режимов: кондуктивном и «замочной скважины». Какой режим работает, зависит от того, достаточно ли высока плотность мощности, чтобы вызвать испарение. ^[12] Режим проводимости возникает ниже точки испарения, а режим замочной скважины возникает выше точки испарения. Замочная скважина аналогична воздушному карману. Воздушный карман находится в состоянии текучести. Такие силы, как давление отдачи испаренного металла, открывают замочную скважину ^[13] , в то время как гравитация (она же гидростатические силы) и поверхностное натяжение металла стремятся сжать ее. ^[15] При еще 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 испарения, T _LV — равновесная температура на границе раздела жидкость-пар. Используя предположение, что поток пара ограничен звуковыми скоростями, ^[8] получаем, 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

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, а F — объемная доля жидкости в ячейке сетки моделирования. ${\displaystyle {\overrightarrow {v}}}$ ${\displaystyle v}$

Шаг 4

Чтобы определить граничную температуру на поверхности воздействия лазера, вы должны применить такое уравнение. , ^[15] где kn = теплопроводность, нормальная к поверхности, на которую воздействует лазер, h = коэффициент конвективной теплопередачи для воздуха, σ — постоянная Стефана–Больцмана для излучения, а ε — излучательная способность 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 лазерной сварки CW (непрерывной волной), которая включает в себя один динамический термический цикл, импульсный лазер предполагает многократное воздействие на одно и то же место, создавая таким образом несколько перекрывающихся термических циклов. ^[15] Решением этой проблемы является добавление ступенчатой ​​функции, которая умножает тепловой поток на единицу, когда луч включен, но умножает тепловой поток на ноль, когда луч выключен. ^[14] Одним из способов ^[15] добиться этого является использование дельты 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. Одним из способов ^[14] решения этой проблемы является использование модификатора, который является зависящей от времени функцией, например: ${\displaystyle q=\delta *qe}$

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

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

Затем вы примените это граничное условие и решите второй закон Фурье , чтобы получить распределение внутренней температуры. Предполагая отсутствие внутреннего тепловыделения, решение имеет вид , где 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

Приращение осуществляется путем дискретизации основных уравнений, представленных на предыдущих шагах, и применения следующих шагов по времени и длине.

Шаг 6

Результаты могут быть подтверждены конкретными экспериментальными наблюдениями или тенденциями общих экспериментов. Эти эксперименты включали металлографическую проверку глубины плавления. ^[9]

Последствия упрощения предположений

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

Температура жидкости может быть завышена, если не учитывать величину потерь тепла за счет потери массы пара, покидающего границу раздела жидкость-металл. ^[14]

Смотрите также

• Лазерное напыление металла

Рекомендации

1. Кэри и Хельцер, стр. 210.
2. Чеслак, М. (1988). «О свариваемости, составе и твердости импульсной и непрерывной сварки лазером Nd:YAG алюминиевых сплавов 6061, 5456 и 5086». Металлургические операции Б . 9 (2): 319–329. дои : 10.1007/BF02654217. S2CID  135498572.
3. «Обеспечение качества лазерных сварных швов». Элемент . Проверено 31 мая 2022 г.
4. «Лазерная сварка - обзор | Темы ScienceDirect» . www.sciencedirect.com . Проверено 31 мая 2022 г.
5. Веман, стр. 98.
6. Рейнхарт Г., Мюнцерт У. и Фогль В., 2008. Система программирования для роботизированной дистанционной лазерной сварки с обычной оптикой. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 57 (1), стр. 37-40.
7. Ким, П., Ри, С. и Ли, Ч., 1999. Автоматическое обучение сварочного робота сварке шва произвольной формы с использованием датчика лазерного зрения. Оптика и лазеры в технике, 31 (3), стр. 173–182.
8. Клайн, HE; Энтони, ТР (1 сентября 1977 г.). «Термическая обработка и плавление материала сканирующим лазером или электронным лучом». Журнал прикладной физики . 48 (9): 3895–3900. дои : 10.1063/1.324261. ISSN  0021-8979.
9. Саббагзаде, Джамшид; Азизи, Марьям; Торкамани, М. Джавад (2008). «Численное и экспериментальное исследование шовной сварки импульсным лазером». Оптика и лазерные технологии . 40 (2): 289–296. doi :10.1016/j.optlastec.2007.05.005.
10. Джон Дж. Лаурето, Сергей В. Дессиатун, Майкл М. Охади и Джошуа М. Пирс. Система лазерной сварки полимеров с открытым исходным кодом: проектирование и характеристика линейных многослойных сварных швов полиэтилена низкой плотности. Машины 2016, 4 (3), 14; дои: 10.3390/machines4030014
11. Кэри и Хельцер, стр. 209.
12. Стин, Уильям М.; Мазумдер, Джотирмой (2010). Лазерная обработка материалов . дои : 10.1007/978-1-84996-062-5. ISBN 978-1-84996-061-8.
13. Ли, Джэ Ю.; Ко, Сунг Х.; Фарсон, Дэйв Ф.; Ю, Чунг Д. (2002). «Механизм образования и устойчивости замочной скважины при стационарной лазерной сварке». Журнал физики D: Прикладная физика . 35 (13): 1570. дои : 10.1088/0022-3727/35/13/320. ISSN  0022-3727. S2CID  250782960.
14. Чен, Гуйбо; Гу, Сюин; Би, Хуан (2016). «Численный анализ термического эффекта в алюминиевом сплаве с помощью импульсного лазера с частотой следования». Оптик . 127 (20): 10115–10121. дои : 10.1016/j.ijleo.2016.08.010.
15. Frewin (январь 1999 г.). «Конечно-элементная модель импульсной лазерной сварки». Сварочный журнал . 78 : 15–2.

Библиография

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

Внешние ссылки

• Двухлучевая лазерная сварка; исследовательская статья из журнала Welding Journal 2002 г.
• Морфология сварных швов и термическое моделирование при двухлучевой лазерной сварке; исследовательская статья из журнала Welding Journal 2002 г.
• Статьи о лазерной сварке из журнала Industrial Laser Solutions
• Роботизированная лазерная сварка