Prinsip pengelasan laser
Pengelasan laser dapat dicapai dengan sinar laser terus menerus atau berdenyut. Prinsip pengelasan laser dapat dibagi menjadi pengelasan konduksi panas dan pengelasan penetrasi dalam laser. Ketika kerapatan daya kurang dari 104 ~ 105 W/cm2, itu adalah pengelasan konduksi panas. Pada saat ini, kedalaman penetrasi dangkal dan kecepatan pengelasan lambat; ketika kerapatan daya lebih besar dari 105 ~ 107 W/cm2, permukaan logam tenggelam ke dalam "rongga" dengan pemanasan, membentuk pengelasan penetrasi yang dalam, yang memiliki karakteristik kecepatan pengelasan cepat dan rasio aspek yang besar.
Prinsip pengelasan laser konduksi panas adalah: radiasi laser memanaskan permukaan yang akan diproses, dan panas permukaan berdifusi ke dalam melalui konduksi panas. Dengan mengontrol lebar pulsa laser, energi, daya puncak, dan frekuensi pengulangan serta parameter laser lainnya, benda kerja dilebur untuk membentuk kolam cair tertentu. .
Mesin las laser yang digunakan untuk pengelasan roda gigi dan pengelasan pelat tipis metalurgi terutama melibatkan pengelasan penetrasi dalam laser. Berikut ini berfokus pada prinsip pengelasan penetrasi dalam laser.
Pengelasan penetrasi dalam laser umumnya menggunakan sinar laser kontinu untuk menyelesaikan sambungan material, dan proses fisik metalurginya sangat mirip dengan pengelasan berkas elektron, yaitu mekanisme konversi energi diselesaikan melalui struktur "lubang kunci". Di bawah iradiasi laser densitas daya yang cukup tinggi, material menguap dan membentuk pori-pori kecil. Lubang kecil yang penuh dengan uap ini seperti benda hitam, menyerap hampir semua energi dari sinar datang, dan suhu kesetimbangan di dalam rongga mencapai sekitar 2500 0C. Panas ditransmisikan dari dinding luar rongga suhu tinggi untuk melelehkan logam yang mengelilingi rongga. Lubang kecil diisi dengan uap bersuhu tinggi yang dihasilkan oleh penguapan bahan dinding secara terus menerus di bawah iradiasi balok, dinding lubang kecil dikelilingi oleh logam cair, dan logam cair dikelilingi oleh bahan padat (sementara di kebanyakan proses pengelasan konvensional dan pengelasan konduksi laser, energi pertama disimpan di permukaan benda kerja, dan kemudian diangkut ke interior melalui transmisi). Aliran cairan di luar dinding pori dan tegangan permukaan lapisan dinding menjaga keseimbangan dinamis dengan tekanan uap yang terus menerus dihasilkan di dalam rongga pori. Balok terus menerus memasuki lubang kecil, dan material di luar lubang kecil terus mengalir. Saat balok bergerak, lubang kecil selalu dalam keadaan aliran yang stabil. Artinya, lubang kecil dan logam cair yang mengelilingi dinding lubang bergerak maju dengan kecepatan maju balok utama, dan logam cair mengisi celah yang ditinggalkan oleh lubang kecil dan kemudian mengembun, sehingga terbentuk lasan. Semua proses di atas terjadi begitu cepat sehingga kecepatan pengelasan dapat dengan mudah mencapai beberapa meter per menit.
02
Parameter proses utama pengelasan penetrasi dalam laser
1) Kekuatan laser. Ada nilai ambang kerapatan energi laser dalam pengelasan laser. Di bawah nilai ini, kedalaman penetrasi sangat dangkal. Setelah nilai ini tercapai atau terlampaui, kedalaman penetrasi akan sangat meningkat. Plasma dihasilkan hanya ketika kerapatan daya laser pada benda kerja melebihi nilai ambang batas (tergantung pada bahannya), yang menandai kemajuan pengelasan penetrasi dalam yang stabil. Jika daya laser di bawah ambang ini, hanya peleburan permukaan benda kerja yang terjadi, yaitu pengelasan terjadi dengan konduksi panas yang stabil. Ketika kerapatan daya laser mendekati kondisi kritis untuk pembentukan lubang kecil, pengelasan penetrasi dalam dan pengelasan konduksi dilakukan secara bergantian, yang menjadi proses pengelasan tidak stabil, menghasilkan fluktuasi kedalaman penetrasi yang besar. Selama pengelasan penetrasi dalam laser, daya laser mengontrol kedalaman penetrasi dan kecepatan pengelasan secara bersamaan. Penetrasi las secara langsung berhubungan dengan kerapatan daya balok dan merupakan fungsi dari daya datang balok dan titik fokus balok. Secara umum, untuk sinar laser dengan diameter tertentu, kedalaman penetrasi meningkat seiring dengan meningkatnya kekuatan sinar.
2) Sorot titik fokus. Ukuran titik balok adalah salah satu variabel terpenting dalam pengelasan laser karena menentukan kerapatan daya. Tetapi untuk laser berdaya tinggi, pengukurannya merupakan masalah yang sulit, meskipun ada banyak teknik pengukuran tidak langsung.
Ukuran titik terbatas difraksi dari fokus berkas dapat dihitung menurut teori difraksi cahaya, tetapi karena adanya aberasi lensa pemfokusan, ukuran titik sebenarnya lebih besar dari nilai yang dihitung. Metode praktis yang paling sederhana adalah metode pembuatan profil isotermal, yang mengukur titik fokus dan diameter perforasi setelah hangus dan menembus pelat polipropilena dengan kertas tebal. Metode ini perlu menguasai daya laser dan waktu kerja pancaran melalui latihan pengukuran.
3) Nilai penyerapan bahan. Penyerapan sinar laser oleh bahan bergantung pada beberapa sifat penting bahan, seperti absorptivitas, reflektifitas, konduktivitas termal, suhu leleh, suhu penguapan, dll., Yang paling penting adalah daya serap.
Faktor-faktor yang mempengaruhi tingkat penyerapan material terhadap sinar laser meliputi dua aspek: yang pertama adalah resistivitas material. Setelah mengukur tingkat penyerapan permukaan bahan yang dipoles, ditemukan bahwa tingkat penyerapan bahan sebanding dengan akar kuadrat dari resistivitas, dan resistivitas bervariasi dengan suhu. Kedua, keadaan permukaan (atau kehalusan) material memiliki pengaruh yang lebih penting pada laju penyerapan sinar, yang memiliki pengaruh signifikan terhadap efek pengelasan.
Panjang gelombang keluaran laser CO2 biasanya 10,6 μm. Tingkat penyerapan keramik, kaca, karet, plastik dan non-logam lainnya sangat tinggi pada suhu kamar, sedangkan tingkat penyerapan bahan logam sangat buruk pada suhu kamar, hingga bahan tersebut meleleh atau bahkan menjadi gas. Penyerapannya meningkat drastis. Sangat efektif untuk meningkatkan penyerapan material terhadap berkas cahaya dengan menggunakan pelapisan permukaan atau pembentukan film oksida permukaan.
4) Kecepatan pengelasan. Kecepatan pengelasan memiliki pengaruh besar pada kedalaman penetrasi. Meningkatkan kecepatan akan membuat penetrasi menjadi dangkal, tetapi jika kecepatan terlalu rendah, material akan meleleh berlebihan dan benda kerja akan dilas. Oleh karena itu, ada kisaran kecepatan pengelasan yang sesuai untuk bahan tertentu dengan kekuatan laser tertentu dan ketebalan tertentu, dan kedalaman penetrasi maksimum dapat diperoleh pada nilai kecepatan yang sesuai. Gambar 10-2 menunjukkan hubungan antara kecepatan pengelasan dan kedalaman penetrasi baja 1018.
5) Gas pelindung. Gas lembam sering digunakan untuk melindungi kolam cair dalam proses pengelasan laser. Ketika beberapa bahan dilas terlepas dari oksidasi permukaan, perlindungan mungkin tidak dipertimbangkan, tetapi untuk sebagian besar aplikasi, helium, argon, nitrogen, dan gas lainnya sering digunakan sebagai perlindungan untuk melindungi benda kerja dari oksidasi selama penyolderan.
Helium tidak mudah terionisasi (energi ionisasi lebih tinggi), yang memungkinkan laser melewatinya dengan lancar, dan energi pancaran mencapai permukaan benda kerja tanpa hambatan. Ini adalah gas pelindung paling efektif yang digunakan dalam pengelasan laser, tetapi harganya lebih mahal.
Gas argon lebih murah dan lebih padat, sehingga efek perlindungannya lebih baik. Namun, ini rentan terhadap ionisasi plasma logam suhu tinggi, yang melindungi bagian dari sinar agar tidak mengenai benda kerja, mengurangi daya laser yang efektif untuk pengelasan, dan juga merusak kecepatan dan penetrasi pengelasan. Permukaan las yang dilindungi oleh argon lebih halus daripada yang dilindungi oleh helium.
Nitrogen adalah gas pelindung termurah, tetapi tidak cocok untuk mengelas beberapa jenis baja tahan karat, terutama karena masalah metalurgi, seperti penyerapan, yang terkadang menghasilkan porositas di area yang tumpang tindih.
Fungsi kedua menggunakan gas pelindung adalah untuk melindungi lensa pemfokusan dari kontaminasi uap logam dan percikan tetesan cairan. Terutama pada pengelasan laser berdaya tinggi, karena ejeksi menjadi sangat kuat, lebih perlu untuk melindungi lensa saat ini.
Fungsi ketiga dari gas pelindung adalah sangat efektif dalam menghilangkan pelindung plasma yang dihasilkan oleh pengelasan laser daya tinggi. Uap logam menyerap sinar laser dan terionisasi menjadi awan plasma, dan gas pelindung di sekitar uap logam juga terionisasi karena panas. Jika terlalu banyak plasma hadir, sinar laser agak dikonsumsi oleh plasma. Plasma ada di permukaan kerja sebagai energi kedua, yang membuat penetrasi menjadi dangkal dan permukaan kolam las melebar. Tingkat rekombinasi elektron meningkat dengan meningkatkan tumbukan tiga benda elektron dengan ion dan atom netral untuk mengurangi kerapatan elektron dalam plasma. Semakin ringan atom netral, semakin tinggi frekuensi tumbukan dan semakin tinggi tingkat rekombinasi; sebaliknya, hanya gas pelindung dengan energi ionisasi tinggi yang tidak akan meningkatkan kerapatan elektron akibat ionisasi gas itu sendiri.
Ukuran awan plasma bervariasi dengan gas pelindung yang digunakan, dengan helium yang terkecil, nitrogen yang kedua, dan argon yang terbesar. Semakin besar ukuran plasma, semakin dangkal penetrasi. Alasan perbedaan ini pertama-tama karena perbedaan derajat ionisasi molekul gas, dan juga karena perbedaan difusi uap logam yang disebabkan oleh perbedaan densitas gas pelindung.
Helium adalah gas yang paling tidak terionisasi dan paling tidak padat, dan dengan cepat mengusir uap logam yang naik yang dihasilkan dari rendaman logam cair. Oleh karena itu, menggunakan helium sebagai gas pelindung dapat menekan plasma secara maksimal, sehingga meningkatkan kedalaman penetrasi dan meningkatkan kecepatan pengelasan; karena bobotnya yang ringan, dapat lepas dan tidak mudah menimbulkan pori-pori. Tentu saja, dari efek pengelasan kami yang sebenarnya, efek perlindungan argon tidak buruk.
Pengaruh awan plasma pada penetrasi paling jelas di daerah kecepatan las rendah. Efeknya berkurang dengan meningkatnya kecepatan pengelasan.
Gas pelindung diinjeksikan pada tekanan tertentu melalui nosel untuk mencapai permukaan benda kerja. Bentuk hidrodinamik nosel dan diameter saluran keluar sangat penting. Itu harus cukup besar untuk menggerakkan gas pelindung yang disemprotkan untuk menutupi permukaan pengelasan, tetapi untuk melindungi lensa secara efektif dan mencegah uap logam mencemari atau percikan logam merusak lensa, ukuran nosel juga harus dibatasi. Laju aliran juga harus dikontrol, jika tidak aliran laminar dari gas pelindung akan menjadi turbulen, dan atmosfer akan terlibat dalam kolam cair, yang akhirnya membentuk pori-pori.
Untuk meningkatkan efek perlindungan, metode tiup samping tambahan juga dapat digunakan, yaitu melalui nosel dengan diameter lebih kecil, gas pelindung disuntikkan langsung ke lubang kecil pengelasan penetrasi dalam pada sudut tertentu. Gas pelindung tidak hanya menekan awan plasma pada permukaan benda kerja, tetapi juga memberikan pengaruh pada pembentukan plasma dan lubang kecil di lubang, selanjutnya meningkatkan kedalaman penetrasi, dan memperoleh lasan dengan rasio kedalaman-lebar yang ideal . Namun, metode ini memerlukan kontrol yang tepat terhadap ukuran dan arah aliran udara, jika tidak aliran turbulen kemungkinan besar akan terjadi dan merusak kolam cair, membuat proses pengelasan sulit untuk distabilkan.
6) Panjang fokus lensa. Metode pemfokusan biasanya digunakan untuk mengembunkan laser selama pengelasan, dan lensa dengan panjang fokus 63~254mm (2,5"~10") umumnya digunakan. Ukuran titik fokus sebanding dengan panjang fokus, semakin pendek panjang fokus, semakin kecil titiknya. Tetapi panjang fokus juga mempengaruhi kedalaman fokus, yaitu kedalaman fokus meningkat secara serempak dengan panjang fokus, sehingga panjang fokus yang pendek dapat meningkatkan kerapatan daya, tetapi karena kedalaman fokus yang kecil, jarak antara lensa dan benda kerja harus dijaga dengan tepat, dan kedalaman penetrasi tidak besar. Karena pengaruh percikan dan mode laser yang dihasilkan dalam proses pengelasan, kedalaman fokus terpendek yang digunakan dalam pengelasan sebenarnya sebagian besar adalah panjang fokus 126mm (5"). Bila sambungan besar atau sambungan las perlu ditingkatkan dengan menambah ukuran titik, Anda dapat memilih lensa dengan panjang fokus 254mm (10"). Dalam hal ini, untuk mencapai efek lubang jarum penetrasi yang dalam, diperlukan daya keluaran laser yang lebih tinggi (kepadatan daya).
Ketika daya laser melebihi 2kW, terutama untuk sinar laser CO2 10,6μm, karena penggunaan bahan optik khusus untuk membentuk sistem optik, untuk menghindari risiko kerusakan optik pada lensa pemfokusan, metode pemfokusan reflektif sering digunakan, dan cermin tembaga yang dipoles umumnya digunakan sebagai reflektor. Sering direkomendasikan untuk memfokuskan sinar laser daya tinggi karena pendinginan yang efektif.
7) Posisi fokus. Saat mengelas, posisi fokus sangat penting untuk mempertahankan kerapatan daya yang memadai. Perubahan posisi relatif titik fokus dan permukaan benda kerja secara langsung mempengaruhi lebar dan kedalaman las. Gambar 2-6 menunjukkan pengaruh posisi fokus pada kedalaman penetrasi dan lebar jahitan baja 1018.
Pada sebagian besar aplikasi pengelasan laser, titik fokus biasanya terletak kira-kira 1/4 dari kedalaman penetrasi yang diinginkan di bawah permukaan benda kerja.
8) Posisi sinar laser. Ketika laser mengelas bahan yang berbeda, posisi sinar laser mengontrol kualitas akhir lasan, terutama dalam kasus sambungan butt daripada sambungan pangkuan. Misalnya, ketika roda gigi baja yang dikeraskan dilas ke drum baja ringan, kontrol posisi sinar laser yang tepat akan membantu menghasilkan las dengan komponen rendah karbon yang relatif tahan terhadap retak. Dalam beberapa aplikasi, geometri benda kerja yang akan dilas membutuhkan sinar laser yang dibelokkan oleh suatu sudut. Ketika sudut defleksi antara sumbu sinar dan bidang sambungan berada dalam 100 derajat, penyerapan energi laser oleh benda kerja tidak akan terpengaruh.
9) Kontrol naik turunnya daya laser secara bertahap pada titik awal dan akhir pengelasan. Selama pengelasan penetrasi laser, lubang kecil selalu ada terlepas dari kedalaman las. Saat proses pengelasan dihentikan dan saklar daya dimatikan, lubang akan muncul di ujung pengelasan. Selain itu, ketika lapisan las laser menutupi lapisan las asli, penyerapan sinar laser yang berlebihan akan terjadi, mengakibatkan panas berlebih pada las atau pembentukan pori-pori.
Untuk mencegah fenomena di atas terjadi, titik start dan stop daya dapat diprogram untuk menyesuaikan waktu mulai dan akhir daya, yaitu, daya awal secara elektronik dinaikkan dari nol ke nilai daya yang ditetapkan dalam waktu singkat, dan pengelasan dapat disesuaikan. Waktu, dan akhirnya daya secara bertahap dikurangi dari daya yang disetel menjadi nol saat pengelasan dihentikan.
03
Fitur dan keuntungan dan kerugian dari pengelasan penetrasi laser yang dalam
Fitur pengelasan penetrasi laser yang dalam
1) Rasio aspek tinggi. Saat logam cair terbentuk di sekitar rongga silinder uap panas dan meluas ke arah benda kerja, lasan menjadi dalam dan sempit.
2) Input panas minimum. Karena suhu di lubang kecil sangat tinggi, proses peleburan terjadi sangat cepat, masukan panas ke benda kerja sangat rendah, dan deformasi termal serta zona yang terkena panas kecil.
3) Kepadatan tinggi. Karena pori-pori kecil yang diisi dengan uap bersuhu tinggi kondusif untuk agitasi kolam las dan keluarnya gas, menghasilkan las penetrasi tanpa pori. Laju pendinginan yang tinggi setelah pengelasan dapat dengan mudah membuat struktur las menjadi lebih halus.
4) Lasan yang kuat. Karena sumber panas yang menyala-nyala dan penyerapan komponen non-logam yang cukup, kandungan pengotor berkurang, dan ukuran inklusi serta distribusinya di kolam cair berubah. Proses pengelasan tidak memerlukan elektroda atau kabel pengisi, dan zona leleh kurang tercemar, sehingga kekuatan dan ketangguhan las setidaknya sama atau bahkan lebih tinggi dari logam induk.
5) Kontrol yang tepat. Karena titik cahaya terfokus kecil, lapisan las dapat diposisikan dengan presisi tinggi. Output laser tidak memiliki "inersia", dapat dihentikan dan dimulai kembali dengan kecepatan tinggi, dan benda kerja yang kompleks dapat dilas dengan teknologi gerakan balok kontrol numerik.
6) Proses pengelasan atmosfer non-kontak. Karena energi berasal dari berkas foton, tidak ada kontak fisik dengan benda kerja, sehingga tidak ada gaya eksternal yang diterapkan pada benda kerja. Selain itu, magnet dan udara tidak berpengaruh pada sinar laser.
Keuntungan dari pengelasan penetrasi dalam laser
1) Karena laser terfokus memiliki kerapatan daya yang jauh lebih tinggi daripada metode konvensional, kecepatan pengelasannya cepat, zona yang terkena panas dan deformasi kecil, dan bahan yang sulit dilas seperti titanium juga dapat dilas.
2) Karena balok mudah untuk ditransmisikan dan dikendalikan, dan tidak perlu sering mengganti obor dan nosel, dan tidak ada vakum yang diperlukan untuk pengelasan berkas elektron, yang secara signifikan mengurangi waktu tambahan waktu henti, sehingga faktor beban dan efisiensi produksinya tinggi.
3) Karena efek pemurnian dan laju pendinginan yang tinggi, kekuatan las, ketangguhan, dan kinerja menyeluruh menjadi tinggi.
4) Karena input panas rata-rata yang rendah dan presisi pemrosesan yang tinggi, biaya pemrosesan ulang dapat dikurangi; selain itu, biaya pengoperasian las laser juga rendah, yang dapat mengurangi biaya pemrosesan benda kerja.
5) Ini dapat secara efektif mengontrol intensitas sinar dan posisi yang baik, dan mudah untuk mewujudkan operasi otomatis.
Kerugian dari pengelasan penetrasi dalam laser
1) Kedalaman pengelasan terbatas.
2) Persyaratan perakitan benda kerja tinggi.
3) Investasi satu kali sistem laser relatif tinggi
