Apakah Kimpalan Laser?

Kimpalan laser adalah aspek penting dalam teknologi pemprosesan bahan laser dan sering dirujuk sebagai mesin kimpalan laser. Ia biasanya dikelaskan berdasarkan mod kerjanya kepada mesin kimpalan acuan laser (mesin kimpalan manual), mesin kimpalan laser automatik, mesin kimpalan titik laser, dan mesin kimpalan laser gentian. Kimpalan laser menggunakan denyutan laser bertenaga tinggi untuk memanaskan kawasan kecil bahan secara tempatan. Tenaga daripada sinaran laser meresap ke dalam bahan melalui pengaliran haba, mencairkan bahan dan membentuk kolam lebur khusus untuk mencapai tujuan kimpalan.

Pada tahun 1970-an, kimpalan laser digunakan terutamanya untuk mengimpal bahan berdinding nipis dan kimpalan berkelajuan rendah. Proses ini adalah jenis pengaliran haba, bermakna sinaran laser memanaskan permukaan bahan kerja, dan haba kemudian meresap ke dalam melalui pengaliran. Dengan mengawal parameter seperti lebar nadi laser, tenaga, kuasa puncak, dan kekerapan pengulangan, bahan kerja dicairkan untuk membentuk kolam lebur tertentu. Oleh kerana kelebihannya yang unik, kimpalan laser telah berjaya digunakan pada kimpalan tepat bahagian mikro dan kecil.

Kemunculan laser CO2 dan YAG berkuasa tinggi telah membuka bidang baharu untuk kimpalan laser, membawa kepada kimpalan penembusan dalam berdasarkan teori kesan lubang kecil. Ini telah membawa kepada aplikasi yang semakin meluas dalam industri seperti jentera, automotif dan keluli.

Berbanding dengan teknologi kimpalan lain, kelebihan utama kimpalan laser ialah:

1. Kelajuan Tinggi, Kedalaman Besar dan Ubah Bentuk Minimum: Prosesnya pantas, mencapai kimpalan dalam dengan ubah bentuk yang minimum.

2.Kepelbagaian dalam Keadaan Kimpalan: Kimpalan boleh dilakukan pada suhu bilik atau dalam keadaan khas, dengan persediaan peralatan yang mudah. Sebagai contoh, laser boleh beroperasi melalui medan elektromagnet tanpa pesongan rasuk; kimpalan boleh berlaku dalam vakum, udara, atau persekitaran gas tertentu, dan melalui bahan lutsinar seperti kaca.

3. Keupayaan Mengimpal Bahan Sukar Dicairkan: Kimpalan laser boleh mengendalikan bahan seperti titanium dan kuarza, dan mencapai hasil yang baik dengan bahan yang berbeza.

4. Ketumpatan Kuasa Tinggi: Selepas memfokus, laser mempunyai ketumpatan kuasa tinggi. Dalam aplikasi kimpalan berkuasa tinggi, nisbah kedalaman-ke-lebar boleh mencapai sehingga 5:1, dan dalam beberapa kes, sehingga 10:1.

5. Keupayaan Kimpalan Mikro: Pancaran laser boleh difokuskan untuk mencapai titik yang sangat kecil dan kedudukan yang tepat, menjadikannya sesuai untuk bahagian mikro dan kecil dalam pengeluaran automatik volum tinggi.

6.Akses ke Kawasan Sukar Dicapai: Kimpalan laser boleh melakukan kimpalan jarak jauh tanpa sentuhan dengan fleksibiliti yang tinggi. Perkembangan terkini dalam teknologi laser YAG, seperti teknologi penghantaran gentian, telah meluaskan lagi aplikasi kimpalan laser.

7. Pemprosesan Rasuk Berbilang: Rasuk laser boleh dibelah secara ruang dan sementara, membolehkan pemprosesan serentak dengan berbilang rasuk dan stesen kerja berbilang, menyediakan keadaan untuk kimpalan yang lebih tepat.

Walau bagaimanapun, kimpalan laser juga mempunyai batasan tertentu:

1. Keperluan Kepersisan Tinggi: Bahan kerja mesti dipasang dengan ketepatan tinggi, dan pancaran laser mesti diletakkan dengan tepat pada bahan kerja. Memandangkan tempat laser sangat kecil selepas memfokus dan jahitan kimpalan sempit, adalah penting untuk memastikan pemasangan bahan kerja dan kedudukan rasuk adalah tepat untuk mengelakkan kecacatan kimpalan.

2.Kos Tinggi: Kos laser dan sistem berkaitan adalah agak tinggi, mewakili pelaburan awal yang ketara.

1.Ketumpatan Kuasa

Ketumpatan kuasa adalah salah satu parameter paling kritikal dalam pemprosesan laser. Ketumpatan kuasa yang lebih tinggi boleh memanaskan permukaan ke takat didihnya dalam mikrosaat, menyebabkan pengewapan yang ketara. Oleh itu, ketumpatan kuasa tinggi bermanfaat untuk proses penyingkiran bahan seperti penggerudian, pemotongan dan ukiran. Untuk ketumpatan kuasa yang lebih rendah, diperlukan beberapa milisaat untuk suhu permukaan mencapai takat didih. Sebelum permukaan mengewap, lapisan asas mencapai takat lebur, yang memudahkan kimpalan gabungan yang baik. Dalam kimpalan laser jenis pengaliran, ketumpatan kuasa biasanya berjulat dari 10410^4104 hingga 10610^6106 W/cm².

2.Bentuk Gelombang Nadi Laser

Bentuk gelombang nadi laser adalah isu penting dalam kimpalan laser, terutamanya untuk kimpalan kepingan nipis. Apabila pancaran laser intensiti tinggi mengenai permukaan bahan, 60% hingga 98% tenaga laser dipantulkan jauh, dan pemantulan berubah mengikut suhu permukaan. Semasa nadi laser tunggal, pemantulan logam berubah dengan ketara.

3. Tempoh Nadi Laser

Tempoh nadi adalah parameter penting dalam kimpalan laser berdenyut. Ia membezakan antara penyingkiran bahan dan peleburan bahan dan juga merupakan faktor utama dalam menentukan kos dan saiz peralatan pemprosesan.

4. Kesan Jarak Fokus terhadap Kualiti Kimpalan

Kimpalan laser selalunya memerlukan tahap penyahfokusan tertentu kerana ketumpatan kuasa pada titik fokus laser adalah sangat tinggi, yang boleh menyebabkan pembentukan lubang akibat penyejatan. Pada pesawat yang jauh dari titik fokus laser, pengagihan ketumpatan kuasa adalah agak seragam.

Terdapat dua jenis nyahfokus: nyahfokus positif dan nyahfokus negatif. Nyahfokus positif berlaku apabila satah fokus berada di atas bahan kerja, manakala nyahfokus negatif berlaku apabila satah fokus berada di bawah bahan kerja. Menurut teori optik geometri, apabila nyahfokus positif dan negatif adalah sama, ketumpatan kuasa pada satah yang sepadan adalah lebih kurang sama. Walau bagaimanapun, bentuk kolam lebur yang diperoleh adalah berbeza.

Penyahfokusan negatif boleh mengakibatkan kedalaman cair yang lebih besar, yang berkaitan dengan proses pembentukan kolam cair. Eksperimen telah menunjukkan bahawa apabila laser memanaskan bahan selama 50 hingga 200 mikrosaat, bahan itu mula mencair, membentuk logam cair dan pengewapan, menghasilkan wap tekanan tinggi yang dikeluarkan pada kelajuan yang sangat tinggi, menghasilkan cahaya putih yang terang. Pada masa yang sama, kepekatan gas yang tinggi menyebabkan logam cecair bergerak ke pinggir kolam lebur, membentuk lekukan di tengah kolam. Semasa penyahfokusan negatif, ketumpatan kuasa di dalam bahan lebih tinggi daripada di permukaan, membawa kepada pencairan dan pengewapan yang lebih kuat, membolehkan tenaga cahaya menembusi lebih dalam ke dalam bahan. Oleh itu, dalam aplikasi praktikal, nyahfokus negatif digunakan apabila kedalaman lebur yang lebih besar diperlukan, manakala nyahfokus positif lebih disukai untuk mengimpal bahan nipis.

1.Kimpalan Antara Cadar

Ini termasuk empat kaedah proses: kimpalan punggung, kimpalan tepi, kimpalan lebur penembusan tengah, dan kimpalan lebur penembusan tengah.

2. Kimpalan Antara Wayar

Ini termasuk empat kaedah proses: kimpalan punggung wayar ke wayar, kimpalan silang, kimpalan pusingan selari dan kimpalan T-sendi.

3. Kimpalan Wayar Logam untuk Menghalang Komponen

Kimpalan laser boleh berjaya menyambung wayar logam untuk menyekat komponen, dengan saiz komponen blok adalah fleksibel. Semasa mengimpal, perhatian harus diberikan kepada dimensi geometri komponen wayar.

4. Kimpalan Logam Berbeza

Mengimpal pelbagai jenis logam melibatkan menangani kebolehkimpalan dan julat parameter kimpalan. Kimpalan laser antara bahan yang berbeza hanya boleh dilaksanakan untuk gabungan bahan tertentu.

Sesetengah sambungan antara komponen tidak sesuai untuk kimpalan gabungan laser tetapi boleh mendapat manfaat daripada menggunakan laser sebagai sumber haba untuk pematerian lembut dan pematerian keras, yang menawarkan kelebihan yang serupa dengan kimpalan gabungan laser. Terdapat pelbagai kaedah untuk pematerian, dengan pematerian lembut laser digunakan terutamanya untuk pematerian papan litar bercetak, terutamanya dalam pemasangan komponen seperti lembaran. Berbanding dengan kaedah lain, pematerian lembut laser menawarkan kelebihan berikut:

1. Pemanasan Setempat: Memandangkan pemanasan disetempatkan, komponen kurang berkemungkinan mengalami kerosakan haba, dan zon terjejas haba adalah kecil. Ini memungkinkan untuk melakukan pematerian lembut berhampiran komponen sensitif haba.

2. Pemanasan Tanpa Sentuhan: Dengan pemanasan tanpa sentuhan dan kawasan lebur yang luas, tiada alat tambahan diperlukan. Kaedah ini membolehkan pemprosesan selepas komponen telah dipasang pada kedua-dua belah papan litar bercetak dua muka.

3. Kebolehulangan Stabil: Kestabilan operasi berulang adalah tinggi. Fluks mempunyai pencemaran minimum alat kimpalan, dan masa pendedahan laser dan kuasa keluaran mudah dikawal, menghasilkan hasil yang tinggi produk dipateri laser.

4. Pembelahan Rasuk Mudah: Rasuk laser boleh dibelah dengan mudah menggunakan komponen optik seperti cermin separa lutsinar, pemantul, prisma dan cermin pengimbasan, membolehkan kimpalan simetri serentak pada berbilang titik.

5. Fleksibiliti Panjang Gelombang: Penyolderan laser biasanya menggunakan laser dengan panjang gelombang 1.06 µm sebagai sumber haba, yang boleh dihantar melalui gentian optik. Ini membolehkan pemprosesan di kawasan yang sukar dikimpal menggunakan kaedah konvensional, menawarkan fleksibiliti yang lebih besar.

6. Keupayaan Fokus yang Baik: Keupayaan memfokus sangat baik, menjadikannya mudah untuk mencapai automasi dengan peranti berbilang stesen.

Proses Metalurgi dan Prinsip Teori

Proses metalurgi dan fizikal kimpalan penembusan dalam laser sangat serupa dengan kimpalan pancaran elektron, di mana mekanisme penukaran tenaga dicapai melalui struktur "lubang kecil". Di bawah penyinaran rasuk ketumpatan kuasa yang cukup tinggi, bahan tersejat untuk membentuk lubang kecil. Lubang kecil yang dipenuhi wap ini bertindak seperti jasad hitam, menyerap hampir semua tenaga cahaya kejadian, dengan suhu keseimbangan di dalam rongga mencecah kira-kira 25,000 darjah Celsius. Haba dipindahkan dari dinding rongga suhu tinggi, menyebabkan logam di sekelilingnya cair. Lubang kecil diisi dengan wap suhu tinggi yang dihasilkan daripada penyejatan berterusan bahan dinding di bawah rasuk. Dinding lubang kecil dikelilingi oleh logam cair, dan logam cecair disarung oleh bahan pepejal. Aliran cecair di luar lubang dan ketegangan permukaan lapisan dinding mengimbangi tekanan wap berterusan di dalam rongga, mengekalkan keseimbangan dinamik. Rasuk terus memasuki lubang kecil, dan bahan di luar lubang mengalir secara berterusan. Apabila rasuk bergerak, lubang kecil kekal dalam keadaan aliran yang stabil. Dalam erti kata lain, lubang kecil dan logam cair di sekeliling bergerak ke hadapan dengan rasuk utama, dengan logam cair mengisi jurang yang ditinggalkan oleh lubang kecil dan seterusnya memejal, dengan itu membentuk kimpalan.

Faktor Mempengaruhi

Faktor-faktor yang mempengaruhi kimpalan penembusan dalam laser termasuk: kuasa laser, diameter pancaran laser, penyerapan bahan, kelajuan kimpalan, gas pelindung, panjang fokus kanta, kedudukan titik fokus, kedudukan pancaran laser, dan peningkatan dan penurunan kuasa laser secara beransur-ansur pada permulaan dan akhir. titik kimpalan.

Ciri-ciri dan Kelebihan Kimpalan Penembusan Dalam Laser

Ciri-ciri:

1.Nisbah Kedalaman-ke-Lebar yang Tinggi: Logam cair membentuk dan memanjang di sekeliling rongga wap suhu tinggi silinder, menghasilkan kimpalan yang dalam dan sempit.

2.Input Haba Minimum: Disebabkan oleh suhu yang sangat tinggi dalam rongga sumber, proses lebur berlaku dengan sangat pantas, dengan input haba yang sangat rendah ke bahan kerja, membawa kepada herotan haba yang minimum dan zon terjejas haba.

3. Ketumpatan Tinggi: Lubang kecil yang diisi dengan wap suhu tinggi memudahkan pengadukan kolam cair dan pelepasan gas, menghasilkan kimpalan tanpa liang. Kadar penyejukan yang tinggi selepas kimpalan juga membantu memperhalusi struktur mikro kimpalan.

4. Kimpalan Kuat: Kimpalan yang terhasil adalah teguh dan tahan lama.

5. Kawalan Tepat: Proses ini membolehkan kawalan tepat ke atas parameter kimpalan.

6. Tanpa Sentuhan, Proses Kimpalan Atmosfera: Proses kimpalan tidak melibatkan sentuhan langsung dan berlaku dalam persekitaran atmosfera.

Kelebihan:

1. Kelajuan Kimpalan Tinggi dan Herotan Minimum: Rasuk laser yang difokuskan mempunyai ketumpatan kuasa yang jauh lebih tinggi berbanding kaedah konvensional, menghasilkan kelajuan kimpalan yang lebih pantas, zon terjejas haba yang lebih kecil dan kurang herotan. Ia juga membolehkan kimpalan bahan sukar seperti titanium dan kuarza.

2. Mengurangkan Masa Henti dan Meningkatkan Kecekapan: Kemudahan penghantaran dan kawalan rasuk, bersama-sama dengan pengurangan keperluan untuk penggantian obor atau muncung yang kerap, mengurangkan masa henti untuk operasi tambahan dengan ketara, yang membawa kepada kecekapan dan produktiviti yang lebih tinggi.

3. Kimpalan Kuat dengan Prestasi Keseluruhan yang Tinggi: Kesan penulenan dan kadar penyejukan yang tinggi menghasilkan kimpalan yang kuat dengan prestasi keseluruhan yang tinggi.

4. Ketepatan Tinggi dan Kos Kerja Semula yang Lebih Rendah: Input haba yang rendah dan ketepatan pemprosesan yang tinggi mengurangkan keperluan untuk kerja semula, dan kos operasi kimpalan laser agak rendah, membantu mengurangkan kos pengeluaran.

5. Kemudahan Automasi: Proses ini memudahkan automasi dengan kawalan berkesan ke atas keamatan rasuk dan kedudukan yang tepat.