Сравнение на заваръчните ефекти на лазери с различни диаметри на сърцевината
Лазерната обработка на метални материали е предимно термична обработка, базирана на фототермичен ефект. Когато лазерът облъчи повърхността на материала, повърхността на материала ще претърпи различни промени при различна плътност на мощността. Тези промени включват повишена повърхностна температура, топене, изпаряване, образуване на ключалка и генериране на фотоплазма. Освен това, промяната на физическото състояние на повърхността на материала силно влияе върху абсорбцията на лазерната светлина от материала. Най-общо казано, колкото по-висока е температурата, толкова по-висока е степента на поглъщане на лазерната светлина от материала. С увеличаването на плътността на мощността и времето на действие, металният материал ще претърпи следните промени във физическото състояние, както е показано на фигура 1 [1].
Има две ядра на лазерното заваряване: пренос на топлина и топлопроводимост. Преносът на топлина е свързан с източника на топлина, плътността на мощността и енергията на линията; Въздушен поток за фина настройка. В процеса на заваряване източникът на топлина, плътността на мощността и енергията на линията се регулират главно. Включените параметри на процеса включват: избор на диаметър на сърцевината на лазера, мощност, скорост и степен на разфокусиране. Като се има предвид, че тази статия се фокусира главно върху лазери с различни диаметри на сърцевината и включва главно различни плътности на мощността, Фигура 2 показва простата формула за изчисление на плътността на мощността:
Има два основни вида лазерно заваряване според степента на абсорбция на процеса на заваряване, единият е заваряване с топлопроводимост (съотношение дълбочина-ширина<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).
Лазерно топлопроводимо заваряване:
Различното лазерно излъчване ще причини различни промени в състоянието на материала, което се отразява в процеса на заваряване като два типични режима на заваряване: лазерно заваряване с топлопроводимост и лазерно заваряване с дълбоко проникване. Процесът на пренос на топлина, механизмът за образуване на заварка, характеристиките на процеса и обхватът на приложение на двете са много различни.
Режим на лазерно топлопроводимо заваряване:
По време на заваряване с топлопроводимост, лазерното излъчване, облъчено върху повърхността на детайла, е в диапазона от 10E4~10E6W/cm, а лазерната енергия се абсорбира от тънък слой от 10~100m на повърхността. Лазерната енергия на повърхността се предава във вътрешността на материала чрез топлопроводимост и лазерът не може да бъде директно докоснат. След определен период на лазерно облъчване, повърхността достига топене и тази изотерма на топене се разпространява дълбоко в материала и температурата на повърхността продължава да се повишава. Но най-високата може да достигне само точката на кипене на материала, без значение колко висока е температурата, материалът ще се изпари и ще образува ями, стабилният процес на заваряване на топлопроводимост ще бъде унищожен, разтопеният басейн ще осцилира и материалът ще бъде изгорени. Като цяло заваряването чрез топлопроводимост се използва най-вече при тънки плочи. В този случай трябва да се сложи край. С относителното движение на лазерния лъч и детайла се образува плитък и широк заваръчен шев, както е показано на фигура 3. Съотношението дълбочина към ширина на заваръчния шев е малко, а ширината на заваръчния шев обикновено е повече от два пъти дълбочината на проникване. Фигурата по-долу показва външния вид на напречното сечение на типичен лазерен топлопроводим заваръчен шев, а формата на заваръчния шев е приблизително полусферична.
Сравнение на лазери с различен диаметър на ядрото:
(1) Скоростта на експеримента е 150 mm/s, позицията на фокуса е заварена, материалът е 1 серия алуминий и дебелината е 2 mm;
(2) Колкото по-голям е диаметърът на сърцевината, толкова по-голяма е ширината на синтеза, толкова по-голяма е засегнатата от топлина зона и толкова по-малка е плътността на мощността на единицата. Когато диаметърът на сърцевината надвишава 200 um, не е лесно да се постигне дълбочина на проникване при високореакционни сплави като алуминий и мед и изисква по-висока мощност, за да се постигне заваряване с дълбоко проникване;
(3) Лазерът с малък диаметър на сърцевината има висока плътност на мощността, може бързо да пробие ключови дупки на повърхността на материала с висока енергия и има малка зона на топлинно въздействие, но в същото време повърхността на заваръчния шев е грапава, вероятността от срутване на ключалката е висока по време на заваряване с ниска скорост и ключалката е затворена по време на цикъла на заваряване Дълъг цикъл, лесни за производство на дефекти, пори и други дефекти, подходящи за високоскоростна обработка или обработка с въртяща се релса;
(4) Лазерите с голям диаметър са по-подходящи за лазерно повърхностно претопяване, облицовка, отгряване и други процеси поради тяхното голямо петно и по-разпръсната енергия.
Силно отразяващи материали: алуминий, мед, неръждаема стомана, никел, молибден и др.;
(1) Силно отразяващите материали трябва да изберат лазер с малък диаметър. Използване на лазерен лъч с висока плътност на мощността за бързо нагряване на материала до втечнено или изпарено състояние, подобряване на скоростта на лазерна абсорбция на материала и постигане на ефективна и бърза обработка. Лесно е да изберете лазер с голям диаметър на сърцевината. Водят до силно отражение, водят до виртуално заваряване и дори изгарят лазера;
Чувствителни към напукване материали: никел, никелирана мед, алуминий, неръждаема стомана, титанова сплав и др.
(2) Този вид материал обикновено изисква строг контрол на засегнатата от топлината зона и изисква малка вана от стопилка. По-подходящо е да изберете лазер с малък диаметър;
Високоскоростна лазерна обработка:
(3) Заваряването с дълбоко проникване изисква високоскоростна лазерна обработка и е необходимо да се избере лазер с висока енергийна плътност, за да се гарантира, че енергията на линията е достатъчна за разтопяване на материала при висока скорост, особено за заваряване с припокриване, заваряване чрез проникване и други малки ядра, които изискват голяма дълбочина на проникване. По-подходящи са радиалните лазери.
Advantages and applications of large core lasers (>100um):
Голям диаметър на сърцевината и голямо петно, голяма площ на топлинно покритие, широка повърхност на действие и постигане само на микротопене на повърхността на материала, много подходящо за приложения в лазерно облицоване, лазерно претопяване, лазерно отгряване, лазерно втвърдяване и др. В тези области, голямото петно означава по-висока производителност и по-малко дефекти (запояването чрез топлопроводимост е почти без дефекти).
По отношение на заваряването, голямото петно се използва главно за композитно заваряване, което се използва за смесване с лазер с малък диаметър на сърцевината: голямото петно кара повърхността на материала да се стопи леко, превръщайки се от твърдо в течно, което значително подобрява степента на абсорбция на материала към лазера и след това използва малка сърцевина. В този процес, поради предварителното нагряване на голямото петно, последващата обработка и големия температурен градиент, даден на разтопената вана, материалът не е склонен към дефекти на пукнатини, причинени чрез бързо нагряване и бързо охлаждане. Той може да направи външния вид на заваръчния шев по-гладък и в същото време да постигне по-малко пръски от еднократното лазерно решение.
