Lazer ışını kaynağı - Laser beam welding

Lazer ışını kaynağı ( LBW ), metal veya termoplastik parçalarını bir lazer kullanarak birleştirmek için kullanılan bir kaynak tekniğidir . Kiriş, dar, derin kaynaklara ve yüksek kaynak oranlarına izin veren konsantre bir ısı kaynağı sağlar. Süreç, otomotiv endüstrisinde olduğu gibi otomasyon kullanan yüksek hacimli uygulamalarda sıklıkla kullanılmaktadır . Anahtar deliği veya penetrasyon modu kaynağına dayanır.

Operasyon

Gibi elektron ışını kaynağı (EBW), lazer ışını kaynağı (1 MW / cm mertebesinde yüksek güç yoğunluğuna sahip ² küçük ile sonuçlanan) ısıyla etkilenen bölgelerde ve yüksek ısıtma ve soğutma oranları. Lazerin nokta boyutu 0,2 mm ile 13 mm arasında değişebilir, ancak kaynak için yalnızca daha küçük boyutlar kullanılır. Nüfuz derinliği, sağlanan güç miktarıyla orantılıdır, ancak aynı zamanda odak noktasının konumuna da bağlıdır : odak noktası iş parçası yüzeyinin biraz altında olduğunda penetrasyon maksimize edilir.

Uygulamaya bağlı olarak sürekli veya darbeli bir lazer ışını kullanılabilir. Tıraş bıçağı gibi ince malzemeleri kaynaklamak için milisaniye uzunluğunda darbeler kullanılırken, derin kaynaklar için sürekli lazer sistemleri kullanılır.

LBW, karbon çelikleri , HSLA çelikleri , paslanmaz çelik , alüminyum ve titanyum kaynak yapabilen çok yönlü bir işlemdir . Yüksek soğutma oranları nedeniyle, yüksek karbonlu çeliklerin kaynağında çatlama bir endişe kaynağıdır. Elektron ışını kaynağına benzer şekilde kaynak kalitesi yüksektir . Kaynak hızı, sağlanan güç miktarıyla orantılıdır ancak aynı zamanda iş parçalarının tipine ve kalınlığına da bağlıdır. Gaz lazerlerinin yüksek güç kapasitesi, onları özellikle yüksek hacimli uygulamalar için uygun hale getirir. LBW özellikle otomotiv endüstrisinde baskındır.

EBW'ye kıyasla LBW'nin bazı avantajları şunlardır:

• lazer ışını vakum gerektirmeden hava yoluyla iletilebilir
• süreç robotik makinelerle kolayca otomatikleştirilir
• x-ışınları üretilmez
• LBW, daha yüksek kaliteli kaynaklarla sonuçlanır

LBW'nin bir türevi olan lazer-hibrit kaynak , LBW'nin lazerini gaz metal ark kaynağı gibi bir ark kaynağı yöntemiyle birleştirir . GMAW, eklemi doldurmak için erimiş metal sağladığından ve bir lazer kullanımı nedeniyle kaynak hızını GMAW ile normalde mümkün olanın üzerinde artırdığından, bu kombinasyon daha fazla konumlandırma esnekliği sağlar. Alttan kesme potansiyeli azaldığından kaynak kalitesi de daha yüksek olma eğilimindedir.

Teçhizat

Otomasyon ve CAM

Lazer ışını kaynağı elle gerçekleştirilebilse de, çoğu sistem otomatiktir ve bilgisayar destekli tasarımlara dayalı bir bilgisayar destekli üretim sistemi kullanır . Lazer kaynağı, bitmiş bir parça oluşturmak için frezeleme ile de birleştirilebilir.

Son zamanlarda, tarihsel olarak erimiş filament üretimi üzerinde çalışan RepRap projesi, açık kaynaklı lazer kaynak sistemlerinin geliştirilmesine doğru genişledi. Bu tür sistemler tamamen karakterize edilmiştir ve geleneksel üretim maliyetlerini düşürürken geniş bir uygulama ölçeğinde kullanılabilir.

lazerler

• Yaygın olarak kullanılan iki lazer türü, katı hal lazerleri (özellikle yakut lazerler ve Nd:YAG lazerler) ve gaz lazerleridir.
• İlk tip, sentetik yakut ( alüminyum oksit içinde krom ), cam içinde neodimyum (Nd:cam) ve en yaygın tür, itriyum alüminyum granat içinde neodim (Nd:YAG) dahil olmak üzere birkaç katı ortamdan birini kullanır .
• Gaz lazerleri , ortam olarak helyum , nitrojen ve karbon dioksit (CO2 lazer) gibi gazların karışımlarını kullanır .
• Ancak türü ne olursa olsun, ortam uyarıldığında fotonlar yayar ve lazer ışını oluşturur.

Katı hal

Katı hal lazerleri , kaynak için kullanılan gaz lazerlerinden çok daha kısa olan 1 mikrometre mertebesinde dalga boylarında çalışır  ve sonuç olarak operatörlerin retina hasarını önlemek için özel gözlük takmasını veya özel ekranlar kullanmasını gerektirir. Nd:YAG lazerler hem darbeli hem de sürekli modda çalışabilir, ancak diğer tipler darbeli modla sınırlıdır. Orijinal ve hala popüler olan katı hal tasarımı, yaklaşık 20 mm çapında ve 200 mm uzunluğunda bir çubuk şeklinde tek bir kristaldir ve uçları düzdür. Bu çubuk, ksenon veya kripton içeren bir flaş tüpü ile çevrilidir . Parladığında, lazer tarafından yaklaşık iki milisaniye süren bir ışık darbesi yayılır. Disk şeklindeki kristallerin endüstride popülaritesi artıyor ve yüksek verimlilikleri nedeniyle flaş lambaları yerini diyotlara bırakıyor. Ruby lazerler için tipik güç çıkışı 10–20 W iken, Nd:YAG lazer çıktıları 0,04–6,000 W arasındadır. Lazer ışınını kaynak alanına iletmek için genellikle fiber optikler kullanılır.

Gaz

Gaz lazerleri, lazer ortamı olarak kullanılan gaz karışımını harekete geçirmek için gereken enerjiyi sağlamak için yüksek voltajlı, düşük akımlı güç kaynakları kullanır. Bu lazerler hem sürekli hem de darbeli modda çalışabilir ve CO2 gazı lazer ışınının dalga boyu 10.6 μm, derin kızılötesi, yani 'ısı'dır. Fiber optik kablo bu dalga boyunu emer ve yok eder, bu nedenle sert bir lens ve ayna iletim sistemi kullanılır. Gaz lazerleri için güç çıkışları, katı hal lazerlerinden çok daha yüksek olabilir ve 25 kW'a ulaşabilir  .

Lif

Olarak fiber lazerler , başlıca orta fiber optik kendisidir. 50 kW'a kadar güç kapasitesine sahiptirler ve robotik endüstriyel kaynak için giderek daha fazla kullanılmaktadırlar.

Lazer ışını teslimatı

Modern lazer ışını kaynak makineleri iki tipte gruplandırılabilir. Geleneksel tipte, lazer çıkışı dikişi takip edecek şekilde hareket ettirilir. Bu genellikle bir robotla sağlanır. Birçok modern uygulamada uzaktan lazer ışını kaynağı kullanılmaktadır. Bu yöntemde lazer ışını bir lazer tarayıcı yardımıyla dikiş boyunca hareket ettirilir , böylece robotik kolun artık dikişi takip etmesine gerek kalmaz. Uzaktan lazer kaynağının avantajları, kaynak işleminin daha yüksek hızı ve daha yüksek hassasiyetidir.

Darbeli lazer kaynağının termal modellemesi

Darbeli lazer kaynağı, sürekli dalga (CW) lazer kaynağına göre avantajlara sahiptir. Bu avantajlardan bazıları, daha düşük gözeneklilik ve daha az sıçramadır. Darbeli lazer kaynağının alüminyum alaşımlarında sıcak çatlamaya neden olması gibi dezavantajları da vardır. Darbeli lazer kaynak işleminin termal analizi, füzyon derinliği, soğutma oranları ve artık gerilmeler gibi kaynak parametrelerinin tahmin edilmesine yardımcı olabilir. Darbeli lazer işleminin karmaşıklığı nedeniyle, bir geliştirme döngüsü içeren bir prosedürün kullanılması gereklidir. Döngü, matematiksel bir model oluşturmayı, sonlu elemanlar modellemesi (FEM) veya sonlu farklar yöntemi (FDM) gibi sayısal modelleme tekniklerini veya basitleştirici varsayımlarla analitik modelleri kullanarak bir termal döngü hesaplamayı ve modelin deneysel ölçümlerle doğrulanmasını içerir.

Yayınlanmış modellerden bazılarını birleştiren bir metodoloji şunları içerir:

1. Güç emme verimliliğinin belirlenmesi.
2. Sıcaklıklara ve Clausius-Clapeyron denklemine dayalı olarak geri tepme basıncının hesaplanması.
3. Akışkan hacmi yöntemini (VOF) kullanarak akışkan akış hızlarını hesaplayın .
4. Sıcaklık dağılımının hesaplanması.
5. Süreyi artırın ve 1-4 arasındaki adımları tekrarlayın.
6. Sonuçların doğrulanması

Aşama 1

Tüm radyant enerji emilir ve kaynak için ısı enerjisine dönüşür. Radyan enerjinin bir kısmı, gazın buharlaştırılması ve ardından iyonize edilmesiyle oluşturulan plazmada emilir. Ek olarak, soğurma, ışının dalga boyundan, kaynak yapılan malzemenin yüzey bileşiminden, gelme açısından ve malzemenin sıcaklığından etkilenir.

Rosenthal nokta kaynağı varsayımı, bunun yerine bir Gauss dağılımı varsayılarak ele alınan sonsuz yüksek bir sıcaklık süreksizliği bırakır. Radyan enerji de ışın içinde düzgün bir şekilde dağılmaz. Bazı cihazlar Gauss enerji dağılımları üretirken diğerleri çift modlu olabilir. Güç yoğunluğunun aşağıdaki gibi bir fonksiyonla çarpılmasıyla bir Gauss enerji dağılımı uygulanabilir: burada r, ışının merkezinden radyal mesafedir, =ışın yarıçapı veya nokta boyutudur. ${\displaystyle f(r)=\exp(-r^{2}/a_{o}^{2})}$${\displaystyle a_{o}}$

Nokta kaynak varsayımı yerine sıcaklık dağılımının kullanılması, soğurma gibi sıcaklığa bağlı malzeme özelliklerinin daha kolay hesaplanmasını sağlar. Işınlanmış yüzeyde, bir anahtar deliği oluşturulduğunda, Fresnel yansıması (anahtar deliği boşluğu içindeki çoklu yansıma nedeniyle ışın enerjisinin neredeyse tamamen absorpsiyonu) meydana gelir ve şu şekilde modellenebilir , burada ε dielektrik sabitinin, elektrik iletkenliğinin bir fonksiyonudur, ve lazer frekansı. θ gelme açısıdır. Absorpsiyon verimliliğini anlamak, termal etkileri hesaplamanın anahtarıdır. ${\displaystyle \alpha _{\theta }=1-R_{\theta}=1-0.5{{1+(1-\epsilon \cos \theta )^{2} \over {1+{1+\epsilon \cos \theta )^{2}}}}+{{{\epsilon ^{2}}-2\epsilon \cos \theta +2\cos ^{2}\theta } \over {\epsilon ^{2 }}+2\epsilon \cos \theta +2\cos ^{2}\theta }}}$

Adım 2

Lazerler iki moddan birinde kaynak yapabilir: iletim ve anahtar deliği. Hangi modun çalışacağı, güç yoğunluğunun buharlaşmaya neden olacak kadar yeterince yüksek olup olmadığına bağlıdır. İletim modu buharlaşma noktasının altında gerçekleşirken anahtar deliği modu buharlaşma noktasının üzerinde gerçekleşir. Anahtar deliği bir hava cebine benzer. Hava cebi bir akış halindedir. Buharlaşan metalin geri tepme basıncı gibi kuvvetler anahtar deliğini açarken yerçekimi (diğer bir deyişle hidrostatik kuvvetler) ve metal yüzey gerilimi onu daraltma eğilimindedir. Daha da yüksek güç yoğunluklarında, buhar bir plazma oluşturmak üzere iyonlaştırılabilir.

Geri tepme basıncı Clausius-Clapeyron denklemi kullanılarak belirlenir. Burada P denge buhar basıncı, T sıvı yüzey sıcaklığı, H _LV buharlaşma gizli ısısı, T _LV sıvı-buhar ara yüzeyindeki denge sıcaklığıdır. Buhar akışının sonik hızlarla sınırlı olduğu varsayımı kullanılarak, Po'nun atmosfer basıncı ve Pr'nin geri tepme basıncı olduğu yerde şu bulunur. ${\displaystyle {dP \dT üzerinde}={d\Delta H_{LV} \dT üzerinde\Delta V_{LV}}\thickyaklaşık {d\Delta H_{LV} \T_ üzerinde {LV}V_{LV}}}$${\displaystyle P_{r}\yaklaşık 0,54P_{o}exp(\Delta H_{LV}{T-T_{LV} \over RTT_{LV}})}$

Aşama 3

Bu, anahtar deliği profilleriyle ilgilidir. Akışkan akış hızları şu şekilde belirlenir:

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

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

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

burada hız vektörü, P=basınç, ρ= kütle yoğunluğu, =viskozite, β=termal genleşme katsayısı, g=yerçekimi ve F bir simülasyon ızgara hücresindeki sıvının hacim oranıdır. ${\displaystyle {\overrightarrow {v}}}$${\görüntüleme stili v}$

4. Adım

Lazer çarpma yüzeyindeki sınır sıcaklığını belirlemek için aşağıdaki gibi bir denklem uygularsınız. kn=lazer tarafından etkilenen yüzeye normal termal iletkenlik, h=hava için taşınımla ısı transfer katsayısı, σ radyasyon için Stefan-Boltzmann sabiti ve ε, kaynak yapılan malzemenin emisyonu, q ise lazer ışını ısı akısı. ${\displaystyle k_{n}{\partial T \over \partial n}-q+h(T-T_{o})+\sigma \epsilon (T^{4}-T_{o}^{2}) =0}$

Bir hareketli termal döngü içeren CW (Sürekli Dalga) lazer kaynağından farklı olarak, darbeli lazer, aynı noktaya tekrar tekrar çarpmayı içerir, böylece birden fazla örtüşen termal döngü oluşturur. Bunu ele almanın bir yöntemi, kiriş açıkken ısı akışını bir ile, kiriş kapalıyken ise ısı akışını sıfırla çarpan bir adım fonksiyonu eklemektir. Bunu başarmanın bir yolu, q'yu aşağıdaki gibi değiştiren bir Kronecker deltası kullanmaktır : burada δ= Kronecker delta, qe=deneysel olarak belirlenmiş ısı akışı. Bu yöntemin sorunu, darbe süresinin etkisini görmenize izin vermemesidir. Bunu çözmenin bir yolu, aşağıdaki gibi zamana bağlı bir işlev olan bir değiştirici kullanmaktır: ${\displaystyle q=\delta *qe}$

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

burada v= darbe frekansı, n=0,1, 2,...,v-1), τ= darbe süresi.

Daha sonra, bu sınır koşulunu uygular ve iç sıcaklık dağılımını elde etmek için Fourier'in 2. Yasasını çözersiniz. Dahili ısı üretimi olmadığı varsayıldığında, çözüm k=termal iletkenlik, ρ=yoğunluk, Cp=özgül ısı kapasitesi, =akışkan hızı vektörüdür. ${\displaystyle \rho C_{p}({\partial T \over\kısmi t}+{\overrightarrow {v}}\bigtriangledown T)=k\bigtriangledown T}$${\displaystyle {\overrightarrow {v}}}$

Adım 5

Arttırma, önceki adımlarda sunulan ana denklemlerin ayrıklaştırılması ve sonraki zaman ve uzunluk adımlarının uygulanmasıyla yapılır.

6. Adım

Sonuçlar, belirli deneysel gözlemler veya genel deneylerden elde edilen eğilimlerle doğrulanabilir. Bu deneyler, füzyon derinliğinin metalografik doğrulamasını içeriyordu.

Varsayımları basitleştirmenin sonuçları

Darbeli lazerin fiziği çok karmaşık olabilir ve bu nedenle, hesaplamayı hızlandırmak veya malzeme özelliklerinin eksikliğini telafi etmek için bazı basitleştirici varsayımların yapılması gerekir. Özgül ısı gibi malzeme özelliklerinin sıcaklığa bağımlılığı, hesaplama süresini en aza indirmek için göz ardı edilir.

Sıvı-metal ara yüzeyinden çıkan buhardan kaynaklanan kütle kaybından kaynaklanan ısı kaybı miktarı hesaba katılmazsa, sıvı sıcaklığı fazla tahmin edilebilir.

Referanslar

bibliyografya

• Cary, Howard B. ve Scott C. Helzer (2005). Modern Kaynak Teknolojisi . Upper Saddle River, New Jersey: Pearson Education. ISBN  0-13-113029-3 .
• Weman, Klas (2003). Kaynak işlemleri el kitabı . New York: CRC Press LLC. ISBN  0-8493-1773-8 .
• Kalpakjian, Serope ve Schmid,Steven R.(2006). İmalat Mühendisliği ve Teknolojisi 5. baskı. Upper Saddle River, New Jersey: Pearson Education. ISBN  0-13-148965-8

Dış bağlantılar

• Çift ışınlı lazer kaynağı; 2002 Kaynak Dergisi'nden araştırma makalesi
• Çift ışınlı lazer kaynağında kaynak morfolojisi ve termal modelleme; 2002 Kaynak Dergisi'nden araştırma makalesi
• Endüstriyel Lazer Çözümleri Dergisi'nden lazer kaynak makaleleri
• Robotik lazer kaynak