Вплив забруднення оптичної системи лазерного зварювального апарату на якість зварювання

I. Вступ

Технологія лазерного зварювання широко використовується у герметизації літій-іонних акумуляторів, виробництві побутової електроніки, медичних пристроїв та обробці металів завдяки високій густині енергії, точності зварювання та низькому рівню деформації. Проте під час тривалої роботи оптична система лазерного зварювального обладнання схильна до забруднення димом, бризками, олією та вологою, що впливає на якість передачі променя і, як наслідок, знижує стабільність зварювання. Забруднення оптики стало прихованим чинником, що впливає на якість зварювання, і потребує уваги як з технологічної, так і з експлуатаційної точок зору.

II. Роль оптичної системи у лазерних зварювальних машинах

Типова оптична система складається з:

Вихідне вікно лазера

Коліматор/розширювач променя

Скануючий гальванометр (за наявності)

Фокусуюча лінза або F-Theta лінза

Захисна лінза (для захисту оптичних компонентів)

Основна функція оптичної системи полягає в передачі та точному фокусуванні високоенергетичних лазерних променів у зону зварювання. Тому чистота та прозорість оптичних поверхонь мають критичне значення для ефективного зв’язування енергії під час зварювання.

III. Основні джерела забруднення оптики

Забруднення оптики виникає переважно з таких джерел:

Дим та конденсати пари
Металеві пари, що утворюються під час зварювання при високих температурах, конденсуються у частинки та осідають на оптичних поверхнях.

Прилипання розплавлених бризок
Під час зварювання з глибоким проплавленням або нестабільного процесу розплавлені краплі можуть прилипати до захисних лінз.

Волога та олійні плівки
Виникають через масляні компресори, протікання водяного охолодження або вологість навколишнього повітря, утворюючи тонкі плівки з низькою прозорістю.

Відбитки пальців та залишки від очищення
Людський контакт або неправильні розчинники можуть спричинити вторинне забруднення оптичних поверхонь.

Ці забруднювачі можуть проявлятися у вигляді пилу, олійних плівок, твердих частинок або слідів палення.

IV. Механізми, за якими оптичне забруднення впливає на якість зварювання

Оптичне забруднення в основному впливає на якість зварювання таким чином:

1. Затухання лазерної енергії

Забруднення зменшує ефективність передачі променя, що призводить до недостатньої енергії зварювання. Поширені прояви включають:

Недостатня глибина проплавлення шва

Несплавлення або слабкі зварні шви

Потемніння або розриви зварних швів

Звуження технологічного вікна

Матеріали, чутливі до рівнів енергії (наприклад, алюміній, мідь, контактні площадки акумуляторів), значно більше піддаються впливу.

2. Спотворення променя та зсув фокусу

Забруднення змінює характеристики поширення променя, що призводить до дрейфу фокусу або неоднорідного розподілу енергії, що може спричинити:

Нестабільна ширина зварних швів

Відхилення траєкторії зварювання

Посилені коливання розплавленої ванни

Зниження стабільності зварювання

У прецизійному зварюванні зсув фокусу на кілька десятків або сотень мікронів може суттєво вплинути на вихід придатної продукції.

3. Підвищений ризик термічного пошкодження оптичних компонентів

Забруднюючі речовини поглинають лазерну енергію та генерують локальне тепло, що потенційно може призвести до:

Сліди спалення захисного об'єктива або відшарування покриття

Плями спалювання на експандерах променя або скануючих лінзах

Пошкодження віконця виходу лазера

Оптичні пошкодження, як правило, є незворотними і вимагають заміни компонентів, що збільшує витрати.

4. Аномалії та нестабільність процесу зварювання

Оптичне забруднення може призвести до:

Нерівномірного закипання розплавленої ванни

Збільшення пористості

Шорсткі шви зварювання або підрізи

Сигналізація системи або коливання енергії

У автоматизованих виробничих лініях такі проблеми безпосередньо впливають на стабільність і продуктивність.

V. Різниця у чутливості матеріалів (без порівняльних діаграм)

Різні матеріали для зварювання мають різну чутливість до оптичного забруднення, наприклад:

Алюміній: висока відбивна здатність і висока чутливість до недостатньої енергії; навіть незначне забруднення може призвести до непрожогу або підрізання кромок.

Мідь або токопровідні пластини акумуляторів: вимагають дуже стабільної енергії; забруднення призводить до слабких зварних швів, що впливає на провідність та циклічну стійкість акумуляторів.

Нержавіюча сталь: забруднення призводить до шорсткої поверхні зварного шва, потемніння швів і нестабільного проварювання.

Вуглецева сталь: утворює більше бризок і швидко забруднює оптику, що збільшує витрати захисних лінз і спричиняє нестабільність процесу.

Ці ризики можна достатньо повно описати текстово, без використання діаграм чи візуальних порівнянь.

VI. Методи виявлення та оцінки

Оптичне забруднення можна виявити за допомогою таких підходів:

Візуальний огляд: використовуйте похиле освітлення для спостереження за відкладеннями на поверхнях лінз

Контроль послаблення енергії: відстежуйте відхилення вихідної потужності з часом

Оцінка якості зварювання: перевіряйте проникнення та формування поверхні

Журнали аварійних сигналів: спостерігайте за сигналами про нестабільність зварювальної енергії

На сучасних об'єктах можуть також використовуватися коаксіальні системи відеоспостереження або обладнання для контролю потужності лазера для діагностики.

VII. Стратегії профілактики та технічного обслуговування

Оптичне забруднення можна контролювати шляхом управління процесом і профілактичного технічного обслуговування:

Використовуйте захисні лінзи та регулярно їх замінюйте

Застосовуйте бічний або коаксіальний захисний газ

Використовуйте допоміжні гази високої чистоти (аргон/азот)

Встановіть системи відсмоктування диму для зменшення осадження

Оптимізуйте параметри процесу, щоб мінімізувати розбризкування

Використовуйте спеціалізований спирт та серветки для оптичних приладів для очищення

Налаштуйте контроль прозорості оптичних елементів та управління терміном служби компонентів

Ці практики є обов’язковими для галузей із високими вимогами до стабільності, наприклад, виробництва акумуляторів.

VIII. Заключення

Забруднення оптичних систем — це ключовий прихований фактор, що призводить до погіршення якості лазерного зварювання. Воно має такі характеристики, як прихованість, накопичення та руйнівність. Шляхом покращення контролю забруднення, оптимізації параметрів процесу та впровадження протоколів технічного обслуговування можна продовжити термін служби оптичних компонентів і покращити стабільність та узгодженість зварювання. Оскільки лазерні технології продовжують поширюватися в галузі прецизійного виробництва, управління забрудненням оптики стане важливим чинником, що впливає на рівень виходу придатної продукції та контроль витрат.