Jämförelse av svetseffekter av lasrar med olika kärndiametrar
Laserbearbetning av metallmaterial är huvudsakligen termisk bearbetning baserad på den fototermiska effekten. När lasern bestrålar materialets yta kommer materialets yta att genomgå olika förändringar under olika effekttätheter. Dessa förändringar inkluderar ökad yttemperatur, smältning, förångning, nyckelhålsbildning och fotoplasmagenerering. Dessutom påverkar förändringen av det fysiska tillståndet för materialets ytregion i hög grad materialets absorption av laserljus. Generellt sett gäller att ju högre temperatur, desto högre är materialets absorptionshastighet av laserljus. Med ökningen av effekttäthet och verkanstid kommer metallmaterialet att genomgå följande fysiska tillståndsförändringar, som visas i figur 1 [1].
Det finns två kärnor för lasersvetsning: värmeöverföring och värmeledning. Värmeöverföring är relaterad till värmekälla, effekttäthet och linjeenergi; Luftflöde för att finjustera. I svetsprocessen justeras huvudsakligen värmekällan, effekttätheten och linjeenergin. Processparametrarna som är involverade inkluderar: val av laserkärndiameter, effekt, hastighet och oskärpa. Med tanke på att denna artikel huvudsakligen fokuserar på lasrar med olika kärndiametrar och huvudsakligen involverar olika effekttätheter, visar figur 2 den enkla beräkningsformeln för effekttäthet:
Det finns två huvudtyper av lasersvetsning beroende på svetsprocessens absorptionshastighet, den ena är värmeledningssvetsning (djup-breddförhållande<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).
Laser värmeledningssvetsning:
Olika laserstrålning kommer att orsaka olika förändringar i materialets tillstånd, vilket återspeglas i svetsprocessen som två typiska svetslägen: laservärmeledningssvetsning och laserdjupsvetsning. Värmeöverföringsprocessen, svetsbildningsmekanismen, processegenskaperna och tillämpningsområdet för de två är mycket olika.
Laservärmeledningssvetsningsläge:
Under värmeledningssvetsning är laserstrålningen som bestrålas på arbetsstyckets yta i intervallet 10E4~10E6W/cm, och laserenergin absorberas av det tunna lagret på 10~100m på ytan. Laserenergin på ytan överförs till det inre av materialet genom värmeledning, och lasern kan inte vidröras direkt. Efter en viss period av laserbestrålning når ytan smältning, och denna smältisoterm fortplantar sig djupt in i materialet och yttemperaturen fortsätter att stiga. Men den högsta kan bara nå materialets kokpunkt, oavsett hur hög temperaturen är, materialet kommer att förångas och bilda gropar, den stabila värmeledningssvetsprocessen kommer att förstöras, den smälta poolen kommer att svänga och materialet kommer att vara bränt. I allmänhet används värmeledningssvetsning mest i tunna plåtar. I det här fallet måste du sätta stopp för det. Med den relativa rörelsen mellan laserstrålen och arbetsstycket bildas en grund och bred svetssöm, som visas i figur 3. Svetsfogens djup-till-bredd-förhållande är litet och svetssömmens bredd är i allmänhet mer än dubbelt så stort inträngningsdjup. Figuren nedan visar tvärsnittsutseendet för en typisk laservärmeledningssvetssöm, och formen på svetssömmen är ungefär halvsfärisk.
Jämförelse av lasrar med olika kärndiameter:
(1) Experimentets hastighet är 150 mm/s, fokuspositionen är svetsad, materialet är 1 serie aluminium och tjockleken är 2 mm;
(2) Ju större kärndiameter, desto större smältbredd, desto större är den värmepåverkade zonen och desto mindre blir enhetens effekttäthet. När kärndiametern överstiger 200um är det inte lätt att uppnå penetrationsdjup på högreaktionslegeringar som aluminium och koppar, och kräver högre Effekt kan uppnå djup penetrationssvetsning;
(3) Lasern med liten kärndiameter har hög effekttäthet, kan snabbt slå nyckelhål på ytan av materialet med hög energi och har en liten värmepåverkad zon, men samtidigt är svetsytan grov, sannolikheten för nyckelhålskollaps är hög under låghastighetssvetsning, och nyckelhålet stängs under svetscykeln Lång cykel, lätt att producera defekter, porer och andra defekter, lämplig för höghastighetsbearbetning eller bearbetning med svängspår;
(4) Lasrar med stor diameter är mer lämpade för laserytomsmältning, beklädnad, glödgning och andra processer på grund av deras stora fläckar och mer spridd energi.
Högreflekterande material: aluminium, koppar, rostfritt stål, nickel, molybden, etc.;
(1) Högreflekterande material måste välja en laser med liten diameter. Att använda en laserstråle med hög effektdensitet för att snabbt värma upp materialet till ett flytande eller förångat tillstånd, förbättra materialets laserabsorptionshastighet och uppnå effektiv och snabb bearbetning. Det är lätt att välja en laser med stor kärndiameter. Leda till hög reflektion, leda till virtuell svetsning och till och med bränna ut lasern;
Sprickkänsliga material: nickel, nickelpläterad koppar, aluminium, rostfritt stål, titanlegering, etc.
(2) Denna typ av material kräver i allmänhet strikt kontroll av den värmepåverkade zonen och kräver en liten smältbassäng. Det är mer lämpligt att välja en laser med liten diameter;
Höghastighets laserbehandling:
(3) Djup penetrationssvetsning kräver höghastighetslaserbearbetning, och det är nödvändigt att välja en laser med hög energitäthet för att säkerställa att linjeenergin är tillräcklig för att smälta materialet med hög hastighet, speciellt för överlappssvetsning, penetrationssvetsning och andra små kärnor som kräver stort inträngningsdjup. Radiella lasrar är mer lämpliga.
Advantages and applications of large core lasers (>100um):
Stor kärndiameter och stor fläck, stor värmetäckningsyta, bred verkningsyta, och uppnår endast mikrosmältning på materialets yta, mycket lämplig för tillämpningar inom laserbeklädnad, laseromsmältning, laserglödgning, laserhärdning, etc. I dessa ytor betyder en stor fläck högre produktivitet och lägre defekter (värmeledningslödning är nästan defektfri).
När det gäller svetsning används den stora fläcken främst för kompositsvetsning, som används för blandning med laser med liten kärndiameter: den stora fläcken gör att ytan på materialet smälter något, omvandlas från fast till vätska, vilket avsevärt förbättrar absorptionshastigheten av materialet till lasern, och använder sedan en liten kärna. I denna process, på grund av förvärmningen av den stora fläcken, efterbearbetning och den stora temperaturgradienten som ges till den smälta poolen, är materialet inte benäget att spricka defekter orsakade genom snabb uppvärmning och snabb kylning. Det kan göra svetsens utseende jämnare och samtidigt uppnå lägre sprut än den enkla laserlösningen.
