Porovnanie zváracích účinkov laserov s rôznymi priemermi jadra
Laserové spracovanie kovových materiálov je predovšetkým tepelné spracovanie založené na fototermickom efekte. Keď laser ožaruje povrch materiálu, povrchová plocha materiálu podstúpi rôzne zmeny pri rôznych hustotách výkonu. Tieto zmeny zahŕňajú zvýšenú povrchovú teplotu, topenie, odparovanie, tvorbu kľúčových dier a tvorbu fotoplazmy. Okrem toho zmena fyzikálneho stavu oblasti povrchu materiálu výrazne ovplyvňuje absorpciu laserového svetla materiálom. Všeobecne povedané, čím vyššia je teplota, tým vyššia je miera absorpcie laserového svetla materiálu. S nárastom hustoty výkonu a času pôsobenia bude kovový materiál podliehať nasledujúcim zmenám fyzikálneho stavu, ako je znázornené na obrázku 1 [1].
Existujú dve jadrá laserového zvárania: prenos tepla a vedenie tepla. Prenos tepla súvisí so zdrojom tepla, hustotou výkonu a energiou vedenia; Prúdenie vzduchu na jemné doladenie. V procese zvárania sa upravuje hlavne zdroj tepla, hustota výkonu a energia vedenia. Parametre procesu zahŕňajú: výber priemeru laserového jadra, výkon, rýchlosť a množstvo rozostrenia. Vzhľadom na to, že tento článok sa zameriava hlavne na lasery s rôznymi priemermi jadra a zahŕňa hlavne rôzne hustoty výkonu, na obrázku 2 je znázornený jednoduchý vzorec na výpočet hustoty výkonu:
Existujú dva hlavné typy laserového zvárania podľa rýchlosti absorpcie zváracieho procesu, jedným je zváranie tepelným vedením (pomer hĺbky a šírky<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).
Laserové zváranie tepelným vedením:
Rôzne laserové žiarenie spôsobí rôzne zmeny v stave materiálu, čo sa v procese zvárania prejaví ako dva typické zváracie režimy: laserové zváranie tepelným vedením a laserové zváranie hlbokou penetráciou. Proces prenosu tepla, mechanizmus tvorby zvaru, charakteristiky procesu a rozsah použitia sú veľmi odlišné.
Režim zvárania laserovým vedením tepla:
Počas zvárania tepelnou vodivosťou je laserové žiarenie ožiarené na povrchu obrobku v rozsahu 10E4~10E6W/cm a laserová energia je absorbovaná tenkou vrstvou 10~100m na povrchu. Laserová energia na povrchu sa prenáša do vnútra materiálu vedením tepla a lasera sa nemožno priamo dotknúť. Po určitej dobe laserového ožarovania sa povrch roztopí a táto izoterma topenia sa šíri hlboko do materiálu a povrchová teplota stále stúpa. Ale najvyššia môže dosiahnuť iba bod varu materiálu, bez ohľadu na to, aká vysoká je teplota, materiál sa vyparí a vytvorí jamy, proces zvárania stabilným vedením tepla sa zničí, roztavený kúpeľ bude oscilovať a materiál bude spálený. Vo všeobecnosti sa zváranie tepelným vedením väčšinou používa pri tenkých plechoch. V tomto prípade treba s tým skoncovať. Relatívnym pohybom laserového lúča a obrobku sa vytvorí plytký a široký zvarový šev, ako je znázornené na obrázku 3. Pomer hĺbky k šírke zvarového švu je malý a šírka zvarového švu je vo všeobecnosti viac ako dvojnásobok hĺbky prieniku. Na obrázku nižšie je znázornený vzhľad typického laserového teplovodivého zvarového švu v reze a tvar zvarového švu je približne pologuľovitý.
Porovnanie laserov s rôznym priemerom jadra:
(1) Rýchlosť experimentu je 150 mm/s, poloha zaostrenia je zváraná, materiál je hliník série 1 a hrúbka je 2 mm;
(2) Čím väčší je priemer jadra, tým väčšia je šírka fúzie, tým väčšia je tepelne ovplyvnená zóna a tým menšia je hustota výkonu jednotky. Keď priemer jadra presahuje 200 um, nie je ľahké dosiahnuť hĺbku prieniku na zliatinách s vysokou reakciou, ako je hliník a meď, a vyžaduje si vyšší výkon, aby bolo možné dosiahnuť zváranie s hlbokým prienikom;
(3) Laser s malým priemerom jadra má vysokú hustotu výkonu, dokáže rýchlo preraziť kľúčové dierky na povrchu materiálu s vysokou energiou a má malú tepelne ovplyvnenú zónu, ale zároveň je povrch zvaru drsný, pravdepodobnosť zrútenia kľúčovej dierky je vysoká pri nízkorýchlostnom zváraní a kľúčová dierka je uzavretá počas zváracieho cyklu Dlhý cyklus, ľahko sa vyrábajú defekty, póry a iné defekty, vhodné na vysokorýchlostné spracovanie alebo spracovanie s výkyvnou dráhou;
(4) Lasery s veľkým priemerom sú vhodnejšie na laserové povrchové pretavovanie, plátovanie, žíhanie a iné procesy kvôli ich veľkému bodu a rozptýlenejšej energii.
Vysoko reflexné materiály: hliník, meď, nehrdzavejúca oceľ, nikel, molybdén atď.;
(1) Vysoko reflexné materiály si musia zvoliť laser s malým priemerom. Použitie laserového lúča s vysokou hustotou na rýchle zahriatie materiálu do skvapalneného alebo odpareného stavu, zlepšenie rýchlosti absorpcie lasera materiálu a dosiahnutie efektívneho a rýchleho spracovania. Je ľahké vybrať laser s veľkým priemerom jadra. Viesť k vysokému odrazu, viesť k virtuálnemu zváraniu a dokonca vypáliť laser;
Materiály citlivé na praskliny: nikel, poniklovaná meď, hliník, nehrdzavejúca oceľ, zliatina titánu atď.
(2) Tento druh materiálu vo všeobecnosti vyžaduje prísnu kontrolu tepelne ovplyvnenej zóny a vyžaduje malý roztavený bazén. Vhodnejšie je zvoliť laser s malým priemerom;
Vysokorýchlostné laserové spracovanie:
(3) Hlboké penetračné zváranie vyžaduje vysokorýchlostné laserové spracovanie a je potrebné zvoliť laser s vysokou hustotou energie, aby sa zabezpečilo, že energia linky bude dostatočná na roztavenie materiálu vysokou rýchlosťou, najmä pre prelínacie zváranie, penetračné zváranie a iné malé jadrá, ktoré vyžadujú veľkú hĺbku prieniku. Vhodnejšie sú radiálne lasery.
Advantages and applications of large core lasers (>100 um):
Veľký priemer jadra a veľká škvrna, veľká plocha tepelného pokrytia, široká akčná plocha a dosiahnutie mikrotavenia iba na povrchu materiálu, veľmi vhodné pre aplikácie v laserovom plátovaní, laserovom pretavovaní, laserovom žíhaní, laserovom kalení atď. oblasti, veľká škvrna znamená vyššiu produktivitu a nižšie defekty (teplovodivé spájkovanie je takmer bez defektov).
Pokiaľ ide o zváranie, veľká škvrna sa používa hlavne na zváranie kompozitov, ktoré sa používa na zlučovanie s laserom s malým priemerom jadra: veľká škvrna spôsobuje, že sa povrch materiálu mierne roztaví, transformuje sa z pevnej látky na kvapalinu, čo výrazne zlepšuje rýchlosť absorpcie. materiálu do lasera a potom používa malé jadro V tomto procese, v dôsledku predhriatia veľkého bodu, následného spracovania a veľkého teplotného gradientu daného roztavenému kúpeľu, materiál nie je náchylný na praskliny spôsobené rýchlym ohrevom a rýchlym ochladením. Môže urobiť vzhľad zvaru hladším a zároveň dosiahnuť nižší rozstrekovanie ako pri riešení s jedným laserom.
