Лазерная сварка

Техника сварки

Робот выполняет дистанционную сварку волоконным лазером.

Сварка лазерным лучом ( LBW ) — это метод сварки , используемый для соединения деталей из металла или термопластика с помощью лазера . Луч обеспечивает концентрированный источник тепла, что позволяет выполнять узкие, глубокие сварные швы и высокую скорость сварки. Этот процесс часто используется в приложениях с большими объемами и точностью, требующих автоматизации , например, в автомобильной и авиационной промышленности. Он основан на сварке в режиме замочной скважины или проплавления.

Операция

Как и электронно-лучевая сварка (ЭЛС), лазерная сварка имеет высокую плотность мощности (порядка 1 МВт/см2 ⁾ , что приводит к малым зонам термического воздействия 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 мощности, но также зависит от расположения фокусной точки : проникновение максимизируется, когда фокусная точка находится немного ниже поверхности заготовки

В зависимости от области применения может использоваться непрерывный или импульсный лазерный луч. Миллисекундные импульсы используются для сварки тонких материалов, таких как лезвия бритвы, в то время как непрерывные лазерные системы применяются для глубоких сварных швов.

LBW — это универсальный процесс, способный 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, аналогичное качеству сварки электронным лучом . Скорость сварки пропорциональна количеству подаваемой мощности, но также зависит от типа и толщины заготовок. Высокая мощность газовых лазеров делает их особенно подходящими для крупносерийных применений. LBW особенно доминирует в автомобильной промышленности. ^{[1] [2]}

Некоторые преимущества LBW по сравнению с EBW:

• лазерный луч может передаваться по воздуху, не требуя вакуума
• процесс легко автоматизируется с помощью роботизированной техники
• рентгеновские лучи не генерируются
• LBW обеспечивает более высокое качество сварных швов ^{[3] [4]}

Производная от LBW, лазерно-гибридная сварка , сочетает лазер LBW с методом дуговой сварки, таким как газовая дуговая сварка металлическим электродом (GMAW). Эта комбинация обеспечивает большую гибкость позиционирования, поскольку GMAW подает расплавленный металл для заполнения стыка, и благодаря использованию лазера увеличивает скорость сварки по сравнению с тем, что обычно возможно при GMAW. Качество сварки 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 на основе автоматизированного проектирования . ^{[6] [7] [8]} Лазерную сварку также можно сочетать с фрезерованием для формирования готовой детали. ^[9]

В 2016 году проект RepRap , который исторически работал над изготовлением сплавленных нитей , расширился до разработки систем лазерной сварки с открытым исходным кодом. ^[10] Такие системы были полностью охарактеризованы и могут использоваться в широком масштабе приложений, одновременно снижая обычные производственные затраты.

Лазеры

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

Твердотельный

Твердотельные лазеры работают на длинах волн порядка 1  микрометра , что намного короче, чем у газовых лазеров, используемых для сварки, и, как следствие, 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. Первоначальная и по-прежнему популярная конструкция твердотельного лазера представляет собой монокристалл в форме стержня диаметром приблизительно 20 мм и длиной 200 мм, концы которого отшлифованы до плоской формы. Этот стержень окружен импульсной трубкой, содержащей ксенон или криптон . При вспышке лазер испускает импульс света длительностью около двух миллисекунд. Кристаллы в форме диска становятся все более популярными в отрасли, и импульсные лампы уступают место диодам из-за их высокой эффективности. Типичная выходная мощность рубиновых лазеров составляет 10–20 Вт, тогда как выходная мощность Nd:YAG-лазера составляет 0,04–6000 Вт. Для доставки лазерного луча в зону сварки обычно используется волоконная оптика.

Газ

Газовые лазеры используют 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 лазера CO2 _{составляет} 10,6 мкм, глубокий инфракрасный диапазон, т. е. «тепло». Волоконно-оптический кабель поглощает и разрушается этой длиной 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 роботизированной промышленной сварки.

Доставка лазерного луча

Современные аппараты лазерной сварки можно разделить на два типа. В традиционном типе выход лазера перемещается, следуя за швом. 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 , так что роботизированной руке больше не нужно следовать за швом. Преимущества дистанционной лазерной сварки заключаются в более высокой скорости и более высокой точности процесса сварки.

Тепловое моделирование импульсно-лазерной сварки

Импульсная лазерная сварка имеет преимущества по сравнению со сваркой лазером непрерывной волны (CW). Некоторые из этих преимуществ - меньшая пористость и меньшее разбрызгивание. ^[12] Импульсная лазерная сварка также имеет некоторые недостатки, такие как возникновение горячих трещин в алюминиевых сплавах. ^[2] Термический анализ процесса импульсной лазерной сварки может помочь в прогнозировании параметров сварки, таких как глубина проплавления, скорость охлаждения и остаточные напряжения. Из-за сложности процесса импульсной лазерной сварки необходимо использовать процедуру, которая включает цикл разработки. Цикл включает построение математической модели, расчет термического цикла с использованием методов численного моделирования, таких как конечно-элементное моделирование (FEM) или метод конечных разностей (FDM) или аналитические модели с упрощающими предположениями, и проверку модели экспериментальными измерениями.

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

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

Шаг 1

Не вся лучистая энергия поглощается и превращается в тепло для сварки. Часть лучистой энергии поглощается в плазме, созданной испарением и последующей ионизацией газа. Кроме того, поглощательная способность зависит от длины волны луча, поверхностного состава свариваемого материала, угла падения и температуры материала. ^[12]

Предположение точечного источника Розенталя оставляет бесконечно высокую неоднородность температуры, которая устраняется путем предположения о гауссовом распределении. Лучистая энергия также неравномерно распределена внутри пучка. Некоторые устройства создают гауссовы распределения энергии, тогда как другие могут быть бимодальными. ^[12] Гауссово распределение энергии можно применить, умножив плотность мощности на функцию, подобную этой: ^[14] , где r — радиальное расстояние от центра пучка, = радиус пучка 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 зависящих от температуры свойств материала, таких как поглощательная способность. На облученной 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 — функция диэлектрической проницаемости, электропроводности и частоты 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: проводимости и замочной скважины. Какой режим работает, зависит от того, достаточно ли высока плотность мощности, чтобы вызвать испарение. ^[12] Режим проводимости происходит ниже точки испарения, в то время как режим замочной скважины происходит выше точки испарения. Замочная скважина аналогична воздушному карману. Воздушный карман находится в состоянии потока. 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 схлопывать ее. ^[15] При еще более высоких плотностях мощности пар может ионизироваться, образуя плазму.

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 = плотность массы, = 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 лазерного луча, следует применить уравнение, подобное этому. [ ^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 сварки лазером непрерывной волны (CW), которая включает один движущийся термический цикл, импульсный лазер включает многократное воздействие на одно и то же место, тем самым создавая несколько перекрывающихся термических циклов. ^[15] Метод решения этой проблемы заключается в добавлении ступенчатой ​​функции, 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 эффект длительности импульса. Один из способов ^[14] решения этой проблемы — использовать модификатор, который является функцией, зависящей от времени, 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 импульсов, n=0,1, 2,...,v-1), τ= длительность импульса.

Далее, вы примените это граничное условие и решите 2-й закон Фурье , чтобы получить внутреннее распределение температуры. Предполагая, что внутреннее тепловыделение отсутствует, решение будет таким: , 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 выполняется путем дискретизации основных уравнений, представленных на предыдущих этапах, и применения следующих этапов по времени и длине.

Шаг 6

Результаты могут быть подтверждены конкретными экспериментальными наблюдениями или тенденциями из 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 ускорить расчет или компенсировать отсутствие свойств материалов. Зависимость свойств материалов от температуры, таких как удельная теплоемкость, игнорируется, чтобы минимизировать время вычислений.

Температура жидкости может быть переоценена, если не учитывать величину потери тепла из-за потери массы паром, покидающим границу раздела жидкость-металл. ^[14]

Смотрите также

• Лазерное напыление металла

Ссылки

1. Кэри и Хелзер, стр. 210
2. Cieslak, M. (1988). «О свариваемости, составе и твердости импульсных и непрерывных сварных швов с использованием лазера Nd: YAG в алюминиевых сплавах 6061, 5456 и 5086». Metallurgical Transactions B. 9 ( 2): 319–329. doi :10.1007/BF02654217. S2CID  135498572.
3. "Обеспечение качества лазерной сварки". Элемент . Получено 2022-05-31 .
4. "Лазерная сварка - обзор | Темы ScienceDirect". www.sciencedirect.com . Получено 2022-05-31 .
5. Веман, стр. 98
6. Рейнхарт, Г., Мюнцерт, У. и Фогль, В., 2008. Система программирования для дистанционной лазерной сварки на базе робота с использованием обычной оптики. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 57(1), стр. 37-40.
7. Ким, П., Ри, С. и Ли, Ч., 1999. Автоматическое обучение сварочного робота для свободного шва с использованием лазерного датчика зрения. Оптика и лазеры в машиностроении, 31(3), стр.173-182.
8. Cline, HE; ​​Anthony, TR (1977-09-01). «Термообработка и плавление материала с помощью сканирующего лазера или электронного луча». Журнал прикладной физики . 48 (9): 3895–3900. doi :10.1063/1.324261. ISSN  0021-8979.
9. Sabbaghzadeh, Jamshid; Azizi, Maryam; Torkamany, M. Javad (2008). «Численное и экспериментальное исследование сварки швов с помощью импульсного лазера». Optics & Laser Technology . 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 полимерной сварки с открытым исходным кодом: проектирование и характеристика линейных многослойных сварных швов полиэтилена низкой плотности. Machines 2016, 4 (3), 14; doi: 10.3390/machines4030014
11. Кэри и Хелзер, 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, Jae Y.; Ко, Sung H.; Фарсон, Dave F.; Ю, Choong D. (2002). «Механизм образования замочной скважины и стабильность при стационарной лазерной сварке». Journal of Physics D: Applied Physics . 35 (13): 1570. doi :10.1088/0022-3727/35/13/320. ISSN  0022-3727. S2CID  250782960.
14. Чэнь, Гуйбо; Гу, Сюин; Би, Хуан (2016). «Численный анализ теплового эффекта в алюминиевом сплаве с помощью импульсного лазера с частотой повторения». Optik . 127 (20): 10115–10121. doi :10.1016/j.ijleo.2016.08.010.
15. Frewin (январь 1999). «Конечноэлементная модель импульсной лазерной сварки». Welding Journal . 78 : 15–2.

Библиография

• Кэри, Ховард Б. и Скотт К. Хелзер (2005). Современные сварочные технологии . Аппер Сэддл Ривер, Нью-Джерси: Pearson Education. ISBN 0-13-113029-3 . 
• Weman, Klas (2003). Справочник по процессам сварки . Нью-Йорк: CRC Press LLC. ISBN 0-8493-1773-8 . 
• Kalpakjian, Serope и Schmid, Steven R. (2006). Производственная инженерия и технология, 5-е изд. Upper Saddle River, Нью-Джерси: Pearson Education. ISBN 0-13-148965-8 

Внешние ссылки

• Двухлучевая лазерная сварка; научная статья из журнала Welding Journal за 2002 г.
• Морфология сварного шва и тепловое моделирование при двухлучевой лазерной сварке; научная статья из журнала Welding Journal за 2002 г.
• Статьи о лазерной сварке из журнала Industrial Laser Solutions Magazine