Лазерная сварка

редактировать

Воспроизвести медиа Робот выполняет удаленную сварку волоконным лазером.

Лазерная сварка (LBW ) - это метод сварки, используемый для соединения деталей из металла или термопластов 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.

Содержание

1 Эксплуатация
2 Оборудование
- 2.1 Автоматизация и CAM
- 2.2 Лазеры
  - 2.2.1 Твердотельное состояние
  - 2.2.2 Газ
  - 2.2.3 Волокно
- 2.3 Подача лазерного луча
3 Тепловое моделирование импульсной лазерной сварки
- 3.1 Шаг 1
- 3.2 Шаг 2
- 3.3 Шаг 3
- 3.4 Шаг 4
- 3.5 Шаг 5
- 3.6 Шаг 6
- 3.7 Последствия упрощающих допущений
4 Ссылки
- 4.1 Библиография
5 Внешние ссылки

Операция

Как электронно-лучевая сварка (EBW) лазерная сварка имеет высокую плотность мощности (порядка 1 МВт / см), 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 точки фокусировки : проникновение увеличивается до максимума, когда фокусная 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, HSLA-стали, нержавеющую сталь, алюминий, и титан. Из-за высоких скоростей охлаждения при сварке высокоуглеродистых сталей возникает проблема растрескивания. Качество сварки высокое, как и 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 преобладает в автомобильной промышленности.

Некоторые из преимуществ LBW по сравнению с EBW:

лазерный луч может передаваться через воздух, а не требует вакуума
процесс легко автоматизируется с помощью робототехники
рентгеновские лучи не генерируются
LBW приводит к более качественным сварным швам

Производное от LBW, гибридной лазерной сварки, сочетает лазер LBW с методом дуговой сварки, таким как дуговая сварка металлическим электродом. 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 сварки также обычно выше, поскольку снижается вероятность подрезов.

Оборудование

Автоматизация и CAM

Хотя сварку лазерным лучом можно выполнить вручную, большинство системы автоматизированы и используют систему автоматизированного производства на основе автоматизированного проектирования. Лазерная сварка также может сочетаться с фрезерованием для формирования готовой детали.

Недавно проект RepRap, который исторически работал над изготовлением плавленых волокон, расширился до разработки открытых источники лазерной сварки. Такие системы были полностью охарактеризованы и могут использоваться в широком диапазоне приложений при одновременном снижении обычных производственных затрат.

Лазеры

Обычно используются два типа лазеров: твердотельные лазеры (особенно рубиновые лазеры и Nd: YAG лазеры) 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 иттрии алюминий гранат (Nd:YAG).
В газовых лазерах используются смеси газов, таких как гелий, азот и диоксид углерода. (CO2-лазер) в качестве среды.
Однако, независимо от типа, когда среда возбуждена, она испускает фотоны и формирует лазерный луч.

Твердотельное состояние

Твердое тело -государственные лазеры работают на длинах волн порядка 1 микрометра, что намного короче, чем газовые лазеры, используемые для сварки, и, как следствие, требуют, чтобы Сотрудники носят специальные очки или используют 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

В газовых лазерах используются высоковольтные слаботочные источники энергии 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 пучка газового CO2-лазера 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 kW.

Волокно

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

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 удаленная лазерная сварка. В этом методе лазерный луч перемещается вдоль шва с помощью лазерного сканера, так что роботизированной руке больше не нужно следить за швом. Преимущества дистанционной лазерной сварки - более высокая скорость и точность процесса сварки.

Тепловое моделирование импульсной лазерной сварки

Импульсная лазерная сварка имеет преимущества по сравнению с непрерывной лазерной сваркой (CW). Некоторые из этих преимуществ - меньшая пористость и меньшее разбрызгивание. Импульсная лазерная сварка также имеет некоторые недостатки, такие как образование горячих трещин в алюминиевых сплавах. 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), либо аналитические модели с упрощающими допущениями, и проверка модели экспериментальными измерениями.

Методология, объединяющая некоторые из опубликованных моделей, включает:

Определение эффективности поглощения энергии.
Расчет давления отдачи на основе температуры и уравнения Клаузиуса-Клапейрона.
Рассчитайте скорости потока жидкости с помощью метода объема жидкости (VOF).
Расчет распределения температуры.
Увеличьте время и повторите шаги 1-4.
Проверка результатов

Шаг 1

Не вся лучистая энергия поглощается и превращается в тепло для сварки. Часть лучистой энергии поглощается плазмой, создаваемой испарением, а затем последующей ионизацией газа. Кроме того, на поглощательную способность влияют длина волны луча, состав поверхности свариваемого материала, угол падения и температура материала.

Предположение о точечном источнике Розенталя оставляет бесконечно высокую температуру разрыв, который устраняется, принимая вместо этого гауссово распределение. Лучистая энергия также неравномерно распределена внутри луча. Некоторые устройства производят гауссовское распределение энергии, тогда как другие могут быть бимодальными. Гауссово распределение энергии можно применить, умножив плотность мощности на функцию, подобную этой: $f (r) = exp ⁡ (- r 2 / ao 2) {\ displaystyle f (r) = \ exp (-r ^ {2} / a_ {o} ^ {2})}$ ${\ displaystyle f (r) = \ exp (-r ^ {2} / a_ {o} ^ {2})}$ , где r - радиальное расстояние от центра луча, $ao {\ displaystyle a_ {o}}$ ${\ displaystyle a_ {o}}$ = радиус луча или размер пятна.

Использование распределения температуры вместо предположения о точечном источнике позволяет упростить расчет зависимых от температуры свойств материала, таких как поглощающая способность. На облучаемой поверхности, когда образуется замочная скважина, возникает отражение Френеля (почти полное поглощение энергии луча из-за многократного отражения внутри полости замочной скважины), и его можно моделировать как $α θ = 1 - R θ = 1 - 0,5 1 + (1 - ϵ cos ⁡ θ) 2 1 + 1 + ϵ cos ⁡ θ) 2 + ϵ 2 - 2 ϵ cos ⁡ θ + 2 cos 2 ⁡ θ ϵ 2 + 2 ϵ cos ⁡ θ + 2 соз 2 ⁡ θ {\ displaystyle \ alpha _ {\ theta} = 1-R _ {\ theta} = 1-0,5 {{1+ (1- \ epsilon \ cos \ theta) ^ {2} \ over { 1+ {1+ \ epsilon \ cos \ theta) ^ {2}}}} + {{{\ epsilon ^ {2}} - 2 \ epsilon \ cos \ theta +2 \ cos ^ {2} \ theta} \ над {\ epsilon ^ {2}} + 2 \ epsilon \ cos \ theta +2 \ cos ^ {2} \ theta}}}$ ${\ displaystyle \ alpha _ {\ theta} = 1-R _ {\ theta} = 1-0,5 {{1+ (1- \ epsilon \ cos \ theta) ^ {2} \ over {1+ {1+ \ epsilon \ cos \ theta) ^ {2}}}} + {{{\ epsilon ^ {2}} - 2 \ epsilon \ cos \ theta +2 \ cos ^ {2} \ theta} \ over {\ epsilon ^ {2}} + 2 \ epsilon \ cos \ theta +2 \ cos ^ {2} \ тета}}}$ , где ε является функцией диэлектрической проницаемости, электропроводности и частота лазера. θ - угол падения. Понимание эффективности поглощения является ключом к расчету тепловых эффектов.

Шаг 2

Лазеры могут сваривать в одном из двух режимов: кондуктивная и замочная. Какой режим работает, зависит от того, достаточно ли высока удельная мощность, чтобы вызвать испарение. Режим проводимости 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, в то время как гравитация (также известная как гидростатические силы) и поверхностное натяжение металла имеют тенденцию разрушать ее. При еще более высоких плотностях мощности пар может быть ионизирован с образованием плазмы.

Давление отдачи определяется с помощью уравнения Клаузиуса-Клапейрона. $d P d T = d Δ HLV d T Δ VLV ≈ d Δ HLVTLVVLV {\ displaystyle {dP \ over dT} = {d \ Delta H_ {LV} \ over dT \ Delta V_ {LV}} \ Thickapprox {d \ Delta H_ {LV} \ over T_ {LV} V_ {LV}}}$ ${\ displaystyle {dP \ over dT} = {d \ Delta H_ {LV} \ over dT \ Delta V_ {LV}} \ Thickapprox {d \ Delta H_ {LV} } \ over T_ {LV} V_ {LV}}}$ , где P - равновесие давление пара, T - температура поверхности жидкости, H LV - скрытая теплота парообразования, T LV - температура равновесия на границе раздела жидкость-пар. Используя предположение, что поток пара ограничен звуковыми скоростями, получаем, что $P r ≊ 0,54 P oexp (Δ HLVT - TLVRTTLV) {\ displaystyle P_ {r} \ приблизительно 0,54P_ {o} exp (\ Delta H_ {LV} {T-T_ {LV} \ over RTT_ {LV}})}$ ${\ displaystyle P_ {r} \ abouteq 0.54P_ {o} exp (\ Delta H_ {LV} {T-T_ {LV} \ over RTT_ {LV}})}$ , где Po - атмосферное давление, а Pr - давление отдачи.

Шаг 3

Это относится к профилям замочной скважины. Скорость потока жидкости определяется выражением

$▽ ∗ v → = 0 {\ displaystyle \ bigtriangledown * {\ overrightarrow {v}} = 0}$ ${\ displaystyle \ bigtriangledown * {\ overrightarrow {v}} = 0}$

$∂ v → ∂ t + (v → ∗ ▽) v → = - 1 ρ ▽ п + v ▽ v → + β g → Δ T {\ displaystyle {\ partial {\ overrightarrow {v}} \ over \ partial t} + ({\ overrightarrow {v}} * \ bigtriangledown) {\ overrightarrow {v}} = - {1 \ over \ rho} \ bigtriangledown P + v \ bigtriangledown {\ overrightarrow {v}} + \ beta {\ overrightarrow {g}} \ Delta T}$ ${\ displaystyle {\ partial {\ overrightarrow {v}} \ over \ partial t} + ({\ overrightarrow {v}} * \ bigtriangledown) {\ overrightarrow {v}} = - {1 \ over \ rho} \ bigtriangledown P + v \ bigtriangledown {\ overrightarrow {v}} + \ beta {\ overrightarrow {g}} \ Delta T}$

$∂ F ∂ t + ( v → ∗ ▽) F знак равно 0 {\ displaystyle {\ partial F \ over \ partial t} + ({\ overrightarrow {v}} * \ bigtriangledown) F = 0}$ ${\ displaystyle {\ partial F \ over \ partial t} + ({\ overrightarrow {v}} * \ bigtriangledown) F = 0}$

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

Шаг 4

Чтобы определить граничную температуру на поверхности падения лазера, вы должны применить подобное уравнение. $kn ∂ T ∂ N - q + час (T - T o) + σ ϵ (T 4 - T o 2) = 0 {\ displaystyle k_ {n} {\ partial T \ over \ partial n} -q + h (T-T_ {o}) + \ sigma \ epsilon (T ^ {4} -T_ {o} ^ {2}) = 0}$ ${\ displaystyle k_ {n} {\ partial T \ over \ partial n} -q + h (T-T_ {o}) + \ sigma \ epsilon (T ^ {4 } -T_ {o} ^ {2}) = 0}$ , где kn = теплопроводность по нормали к поверхность, 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.

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. Чтобы решить эту проблему, можно добавить ступенчатую функцию, которая умножает тепловой поток на единицу, когда луч включен, но умножает тепловой поток на ноль, когда луч выключен. Один из способов добиться этого - использовать дельту Кронекера, которая изменяет q следующим образом: $q = δ ∗ qe {\ displaystyle q = \ delta * qe}$ ${\ displaystyle q = \ delta * qe}$ , где δ = дельта Кронекера, qe = экспериментально определенный тепловой поток. Проблема этого метода в том, что он не позволяет увидеть влияние длительности импульса. Один из способов решения этой проблемы - использовать модификатор, который зависит от времени, например:

$f (n) = {1, если n / v ≤ t ≤ n / v + τ 0, если n / v + τ ≤ T ≤ (n + 1) / v {\ displaystyle f (n) = {\ begin {case} 1, {\ text {if}} n / v \ leq t \ leq n / v + \ tau \\ 0, {\ text {if}} n / v + \ tau \ leq t \ leq (n + 1) / v \ end {cases}}}$ ${\ displaystyle f (n) = {\ begin {case} 1, {\ text {if}} n / v \ leq t \ leq n / v + \ tau \\ 0, {\ text {if} } п / v + \ тау \ leq t \ leq (n + 1) / v \ end {case}}}$

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 внутреннее распределение температуры. При отсутствии внутреннего тепловыделения решение следующее: $ρ C p (∂ T ∂ t + v → ▽ T) = k ▽ T {\ displaystyle \ rho C_ {p} ({\ partial T \ over \ partial t} + {\ overrightarrow {v}} \ bigtriangledown T) = k \ bigtriangledown T}$ ${\ displaystyle \ rho C_ {p} ({\ partial T \ over \ partial t} + {\ overrightarrow {v}} \ bigtriangledown T) = k \ bigtriangledown T}$ , где k = теплопроводность, ρ = плотность, Cp = удельная теплоемкость, $v → {\ displaystyle { \ overrightarrow {v}}}$ $\ overrightarrow {v}$ = вектор скорости жидкости.

Шаг 5

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

Шаг 6

Результаты могут быть подтверждены конкретными экспериментальными наблюдениями или тенденциями из типовых экспериментов. Эти эксперименты включали металлографическую проверку глубины плавления.

Последствия упрощающих допущений

Физика импульсного лазера может быть очень сложной, и поэтому необходимо сделать некоторые упрощающие предположения для любой скорости увеличить расчет или компенсировать недостаток 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 паром, покидающим границу раздела жидкий металл.

Ссылки

Библиография

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