Порівняння зварювальних ефектів лазерів з різними діаметрами сердечників
Лазерна обробка металевих матеріалів - це переважно термічна обробка, заснована на фототермічному ефекті. Коли лазер опромінює поверхню матеріалу, площа поверхні матеріалу зазнає різних змін під впливом різної щільності потужності. Ці зміни включають підвищення температури поверхні, плавлення, випаровування, утворення замкової щілини та утворення фотоплазми. Крім того, зміна фізичного стану поверхні матеріалу сильно впливає на поглинання матеріалом лазерного світла. Взагалі кажучи, чим вища температура, тим вище швидкість поглинання матеріалом лазерного світла. Зі збільшенням питомої потужності та часу дії металевий матеріал зазнає наступних змін фізичного стану, як показано на малюнку 1 [1].
Лазерне зварювання має два принципи: теплообмін і теплопровідність. Теплопередача пов'язана з джерелом тепла, щільністю потужності та енергією лінії; Потік повітря для точного налаштування. У процесі зварювання в основному регулюються джерело тепла, щільність потужності та енергія лінії. Задіяні параметри процесу включають: вибір діаметра сердечника лазера, потужності, швидкості та величини розфокусування. Враховуючи, що ця стаття в основному зосереджена на лазерах із різними діаметрами серцевини та в основному включає різні щільності потужності, на рисунку 2 показана проста формула розрахунку щільності потужності:
Існує два основних типи лазерного зварювання залежно від швидкості поглинання в процесі зварювання, один – теплопровідне зварювання (співвідношення глибини до ширини).<1, laser absorption rate of red light is within 20%, and different wavelengths are different), and the other is deep penetration welding (Aspect ratio > 1, the absorption rate is greater than the absorption rate of the molten pool of the material, more than 60%, mainly due to the multiple reflection and absorption of the laser in the keyhole).
Лазерне теплопровідне зварювання:
Різне лазерне випромінювання спричинить різні зміни в стані матеріалу, що відображається на процесі зварювання двома типовими режимами зварювання: лазерне теплопровідне зварювання та лазерне зварювання глибоким проплавленням. Процес теплопередачі, механізм утворення зварного шва, характеристики процесу та область застосування цих двох дуже відрізняються.
Режим лазерного теплопровідного зварювання:
Під час теплопровідного зварювання лазерне випромінювання, що випромінюється на поверхню заготовки, знаходиться в діапазоні 10E4~10E6W/см, а лазерна енергія поглинається тонким шаром 10~100 м на поверхні. Лазерна енергія на поверхні передається всередину матеріалу завдяки теплопровідності, і до лазера неможливо безпосередньо торкнутися. Після певного періоду лазерного опромінення поверхня плавиться, і ця ізотерма плавлення поширюється вглиб матеріалу, а температура поверхні продовжує зростати. Але найвища може досягати лише точки кипіння матеріалу, незалежно від того, наскільки високою є температура, матеріал випаровуватиметься та утворюватиме ямки, стабільний процес зварювання теплопровідністю буде зруйнований, розплавлена ванна коливатиметься, а матеріал буде спалений. Як правило, теплопровідне зварювання в основному використовується для тонких пластин. У цьому випадку потрібно покласти край. При відносному переміщенні лазерного променя та заготовки утворюється неглибокий і широкий зварний шов, як показано на малюнку 3. Відношення глибини до ширини зварного шва невелике, а ширина зварного шва зазвичай дорівнює глибина проникнення більш ніж у два рази. На малюнку нижче показано поперечний переріз типового зварювального шва лазерної теплопровідності, а форма зварного шва приблизно напівсферична.
Порівняння лазерів з різними діаметрами сердечників:
(1) Швидкість експерименту становить 150 мм/с, положення фокуса зварене, матеріал — алюміній серії 1, товщина — 2 мм;
(2) Чим більший діаметр сердечника, тим більша ширина плавлення, тим більша зона термічного впливу та менша одинична щільність потужності. Коли діаметр серцевини перевищує 200 мкм, важко досягти глибини провару на високореакційних сплавах, таких як алюміній і мідь, і вимагає більшої потужності для досягнення глибокого проплавлення;
(3) Лазер із малим діаметром сердечника має високу щільність потужності, може швидко пробивати замкові щілини на поверхні матеріалу з високою енергією та має невелику зону теплового впливу, але в той же час поверхня зварного шва шорстка, ймовірність колапсу замкової щілини висока під час зварювання на низькій швидкості, а замкова щілина закрита під час циклу зварювання Довгий цикл, легко виробляти дефекти, пори та інші дефекти, підходить для високошвидкісної обробки або обробки за допомогою поворотної доріжки;
(4) Лазери великого діаметру більше підходять для лазерного переплавлення поверхні, плакування, відпалу та інших процесів через їхню велику пляму та більш розсіяну енергію.
Матеріали з високим відбиванням: алюміній, мідь, нержавіюча сталь, нікель, молібден та ін.;
(1) Матеріали з високою відбивною здатністю повинні вибирати лазер малого діаметра. Використання лазерного променя високої щільності для швидкого нагрівання матеріалу до зрідженого або пароподібного стану, підвищення швидкості лазерного поглинання матеріалу та досягнення ефективної та швидкої обробки. Легко вибрати лазер з великим діаметром сердечника. Призводять до високого відбиття, призводять до віртуального зварювання та навіть спалюють лазер;
Чутливі до тріщин матеріали: нікель, нікельована мідь, алюміній, нержавіюча сталь, титановий сплав тощо.
(2) Цей тип матеріалу, як правило, вимагає суворого контролю зони впливу тепла та потребує невеликої ванни розплаву. Доцільніше вибрати лазер малого діаметра;
Високошвидкісна лазерна обробка:
(3) Зварювання глибоким проплавленням вимагає високошвидкісної лазерної обробки, і необхідно вибрати лазер з високою щільністю енергії, щоб забезпечити достатню енергію лінії для розплавлення матеріалу на високій швидкості, особливо для зварювання внахлест, зварювання проплавленням і інші маленькі сердечники, які потребують великої глибини проникнення. Більше підходять радіальні лазери.
Advantages and applications of large core lasers (>100 мкм):
Великий діаметр сердечника та велика пляма, велика площа охоплення тепла, широка поверхня дії та досягнення мікроплавлення лише на поверхні матеріалу, дуже підходить для застосування в лазерному плакуванні, лазерному переплавленні, лазерному відпалі, лазерному зміцненні тощо. площі, велика пляма означає більш високу продуктивність і менше дефектів (теплопровідна пайка майже бездефектна).
З точки зору зварювання, велика пляма в основному використовується для композитного зварювання, яке використовується для компаундування з лазером з малим діаметром сердечника: велика пляма змушує поверхню матеріалу трохи плавитися, перетворюючись із твердої речовини в рідку, що значно покращує швидкість поглинання матеріалу до лазера, а потім використовує невеликий сердечник. У цьому процесі, завдяки попередньому нагріванню великої плями, пост-обробці та великому градієнту температури, що подається в розплавлену ванну, матеріал не схильний до дефектів тріщин, спричинених швидким нагріванням і швидким охолодженням. Це може зробити зовнішній вигляд зварного шва більш гладким і в той же час досягти меншого розбризкування, ніж одноразове лазерне рішення.
