Porównanie efektów spawania laserami o różnych średnicach rdzenia
Obróbka laserowa materiałów metalowych to głównie obróbka cieplna oparta na efekcie fototermicznym. Kiedy laser naświetla powierzchnię materiału, powierzchnia materiału będzie ulegać różnym zmianom przy różnych gęstościach mocy. Zmiany te obejmują podwyższoną temperaturę powierzchni, topienie, parowanie, tworzenie się dziurki od klucza i wytwarzanie fotoplazmy. Co więcej, zmiana stanu fizycznego obszaru powierzchni materiału znacząco wpływa na absorpcję światła laserowego przez materiał. Ogólnie rzecz biorąc, im wyższa temperatura, tym wyższy stopień absorpcji światła laserowego przez materiał. Wraz ze wzrostem gęstości mocy i czasu działania materiał metaliczny będzie ulegał następującym zmianom stanu fizycznego, jak pokazano na rysunku 1 [1].
Istnieją dwa rdzenie spawania laserowego: przenoszenie ciepła i przewodzenie ciepła. Przenikanie ciepła jest powiązane ze źródłem ciepła, gęstością mocy i energią linii; Przepływ powietrza do dokładnego dostrojenia. W procesie spawania reguluje się głównie źródło ciepła, gęstość mocy i energię linii. Parametry procesu obejmują: wybór średnicy rdzenia lasera, mocy, prędkości i stopnia rozogniskowania. Biorąc pod uwagę, że w artykule skupiono się głównie na laserach o różnych średnicach rdzenia i dotyczy to głównie różnych gęstości mocy, na rysunku 2 przedstawiono prosty wzór obliczeniowy gęstości mocy:
Istnieją dwa główne rodzaje spawania laserowego w zależności od szybkości absorpcji procesu spawania, jeden to spawanie z przewodzeniem ciepła (stosunek głębokości do szerokości<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).
Spawanie laserowe z przewodzeniem ciepła:
Różne natężenie promieniowania lasera powoduje różne zmiany stanu materiału, co znajduje odzwierciedlenie w procesie spawania w postaci dwóch typowych trybów spawania: laserowego spawania z przewodzeniem ciepła i laserowego spawania z głęboką penetracją. Proces wymiany ciepła, mechanizm tworzenia spoiny, charakterystyka procesu i zakres zastosowania tych dwóch są bardzo różne.
Tryb spawania laserowego z przewodzeniem ciepła:
Podczas spawania z przewodzeniem ciepła natężenie promieniowania laserowego na powierzchni przedmiotu obrabianego mieści się w zakresie 10E4 ~ 10E6W/cm, a energia lasera jest pochłaniana przez cienką warstwę o grubości 10 ~ 100 m na powierzchni. Energia lasera na powierzchni przekazywana jest do wnętrza materiału poprzez przewodzenie ciepła, a lasera nie można bezpośrednio dotykać. Po pewnym czasie naświetlania laserem powierzchnia osiąga stopienie, a izoterma topnienia rozprzestrzenia się w głąb materiału, a temperatura powierzchni nadal rośnie. Ale najwyższa może osiągnąć jedynie temperaturę wrzenia materiału, bez względu na to, jak wysoka jest temperatura, materiał odparuje i utworzą wżery, stabilny proces spawania z przewodzeniem ciepła zostanie zniszczony, stopiony basen będzie oscylować, a materiał będzie spalony. Ogólnie rzecz biorąc, spawanie z przewodzeniem ciepła jest najczęściej stosowane w cienkich blachach. W tym przypadku trzeba położyć temu kres. Wraz ze względnym ruchem wiązki lasera i przedmiotu obrabianego powstaje płytki i szeroki szew spawalniczy, jak pokazano na rysunku 3. Stosunek głębokości do szerokości szwu spawalniczego jest mały, a szerokość szwu spawalniczego jest na ogół ponad dwukrotnie większą głębokość penetracji. Poniższy rysunek przedstawia przekrój poprzeczny typowego szwu spawalniczego z przewodzeniem ciepła przy użyciu lasera, a kształt szwu spawalniczego jest w przybliżeniu półkulisty.
Porównanie laserów o różnych średnicach rdzenia:
(1) Prędkość eksperymentu wynosi 150 mm/s, pozycja ogniskowania jest spawana, materiałem jest aluminium serii 1, a grubość wynosi 2 mm;
(2) Im większa średnica rdzenia, tym większa szerokość wtopienia, tym większa strefa wpływu ciepła i mniejsza jednostkowa gęstość mocy. Gdy średnica rdzenia przekracza 200um, nie jest łatwo osiągnąć głębokość penetracji w przypadku stopów o wysokiej reakcji, takich jak aluminium i miedź, i wymaga wyższej mocy, aby osiągnąć spawanie z głęboką penetracją;
(3) Laser o małej średnicy rdzenia ma dużą gęstość mocy, może szybko dziurkować powierzchnię materiału z dużą energią i ma małą strefę wpływu ciepła, ale jednocześnie powierzchnia spoiny jest szorstka, prawdopodobieństwo zapadnięcia się dziurki od klucza jest wysokie podczas spawania z małą prędkością, a dziurka od klucza jest zamknięta podczas cyklu spawania Długi cykl, łatwe do wytworzenia defektów, porów i innych defektów, odpowiednie do obróbki z dużą prędkością lub obróbki z torem wahliwym;
(4) Lasery o dużej średnicy są bardziej odpowiednie do laserowego przetapiania powierzchni, napawania, wyżarzania i innych procesów ze względu na ich dużą plamkę i bardziej rozproszoną energię.
Materiały o wysokim współczynniku odblasku: aluminium, miedź, stal nierdzewna, nikiel, molibden itp.;
(1) Materiały o wysokim współczynniku odbicia muszą wybrać laser o małej średnicy. Zastosowanie wiązki lasera o dużej mocy do szybkiego podgrzania materiału do stanu upłynnionego lub odparowanego, poprawy szybkości absorpcji lasera przez materiał oraz uzyskania wydajnego i szybkiego przetwarzania. Łatwo jest wybrać laser o dużej średnicy rdzenia. Doprowadzić do wysokiego odbicia, doprowadzić do wirtualnego spawania, a nawet wypalić laser;
Materiały wrażliwe na pęknięcia: nikiel, miedź niklowana, aluminium, stal nierdzewna, stop tytanu itp.
(2) Ten rodzaj materiału na ogół wymaga ścisłej kontroli strefy wpływu ciepła i wymaga małego jeziorka stopionego. Bardziej właściwe jest wybranie lasera o małej średnicy;
Szybka obróbka laserowa:
(3) Spawanie z głęboką penetracją wymaga obróbki laserowej z dużą szybkością i konieczne jest wybranie lasera o dużej gęstości energii, aby zapewnić, że energia linii jest wystarczająca do stopienia materiału z dużą prędkością, szczególnie w przypadku zgrzewania zakładkowego, zgrzewania penetracyjnego i inne małe rdzenie wymagające dużej głębokości penetracji. Bardziej odpowiednie są lasery promieniowe.
Advantages and applications of large core lasers (>100um):
Duża średnica rdzenia i duża plamka, duży obszar pokrycia cieplnego, szeroka powierzchnia działania i osiągają mikrotopienie tylko na powierzchni materiału, bardzo odpowiednie do zastosowań w napawaniu laserowym, przetapianiu laserowym, wyżarzaniu laserowym, hartowaniu laserowym itp. W tych obszarach duży punkt oznacza wyższą produktywność i mniej defektów (lutowanie z przewodzeniem ciepła jest prawie pozbawione defektów).
Jeśli chodzi o spawanie, duża plamka jest używana głównie do spawania kompozytów, które wykorzystuje się do łączenia z laserem o małej średnicy rdzenia: duża plamka powoduje, że powierzchnia materiału lekko się topi, przechodząc ze stanu stałego w ciecz, co znacznie poprawia szybkość absorpcji materiału do lasera, a następnie wykorzystuje mały rdzeń. W tym procesie, ze względu na wstępne nagrzanie dużej plamki, obróbkę końcową i duży gradient temperatury nadawany jeziorku, materiał nie jest podatny na uszkodzenia spowodowane pękaniem poprzez szybkie nagrzewanie i szybkie schładzanie. Może sprawić, że wygląd spoiny będzie gładszy, a jednocześnie uzyskać mniejsze odpryski niż rozwiązanie z pojedynczym laserem.
