Сравнение сварочных эффектов лазеров с различным диаметром сердечника
Лазерная обработка металлических материалов – это преимущественно термическая обработка, основанная на фототермическом эффекте. Когда лазер облучает поверхность материала, площадь поверхности материала претерпевает различные изменения при различной плотности мощности. Эти изменения включают повышение температуры поверхности, плавление, испарение, образование замочной скважины и генерацию фотоплазмы. Более того, изменение физического состояния поверхностной области материала существенно влияет на поглощение материалом лазерного света. Вообще говоря, чем выше температура, тем выше скорость поглощения лазерного света материалом. С увеличением удельной мощности и времени воздействия металлический материал претерпит следующие изменения физического состояния, как показано на рисунке 1 [1].
Есть два основных направления лазерной сварки: теплопередача и теплопроводность. Теплопередача связана с источником тепла, плотностью мощности и энергией линии; Воздушный поток для точной настройки. В процессе сварки в основном регулируются источник тепла, плотность мощности и энергия линии. В число задействованных параметров процесса входят: выбор диаметра сердечника лазера, мощности, скорости и степени расфокусировки. Учитывая, что данная статья в основном посвящена лазерам с разными диаметрами сердцевины и в основном предполагает разную плотность мощности, на рисунке 2 показана простая формула расчета плотности мощности:
Существует два основных типа лазерной сварки в зависимости от скорости поглощения сварочного процесса: сварка теплопроводностью (отношение глубины к ширине<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).
Лазерная теплопроводная сварка:
Различное лазерное излучение вызывает различные изменения в состоянии материала, что отражается на процессе сварки в виде двух типичных режимов сварки: лазерной теплопроводной сварки и лазерной сварки с глубоким проплавлением. Процесс теплопередачи, механизм формирования сварного шва, характеристики процесса и область применения этих двух материалов сильно различаются.
Режим лазерной теплопроводной сварки:
Во время теплопроводной сварки мощность лазерного излучения, излучаемого на поверхность заготовки, находится в диапазоне 10E4~10E6Вт/см, а энергия лазера поглощается тонким слоем толщиной 10~100 м на поверхности. Энергия лазера на поверхности передается внутрь материала за счет теплопроводности, и к лазеру нельзя прикоснуться напрямую. После определенного периода лазерного облучения поверхность достигает плавления, и эта изотерма плавления распространяется вглубь материала, а температура поверхности продолжает расти. Но самая высокая может достигать только точки кипения материала, независимо от того, насколько высока температура, материал будет испаряться и образовывать ямы, стабильный процесс сварки теплопроводностью будет разрушен, расплавленная ванна будет колебаться, и материал будет сгорел. Как правило, сварка теплопроводностью чаще всего используется для тонких пластин. В этом случае нужно положить этому конец. При относительном движении лазерного луча и заготовки образуется неглубокий и широкий сварной шов, как показано на рисунке 3. Отношение глубины к ширине сварного шва невелико, а ширина сварного шва обычно равна глубина проникновения более чем в два раза. На рисунке ниже показано поперечное сечение типичного шва лазерной теплопроводной сварки, форма сварного шва примерно полусферическая.
Сравнение лазеров с сердечником разного диаметра:
(1) Скорость эксперимента составляет 150 мм/с, положение фокуса сварное, материал — алюминий 1 серии, толщина — 2 мм;
(2) Чем больше диаметр сердечника, тем больше ширина сварки, тем больше зона термического влияния и тем меньше удельная удельная мощность. Когда диаметр сердечника превышает 200 мкм, нелегко достичь глубины проникновения в сплавах с высокой реакционной способностью, таких как алюминий и медь, и требуется более высокая мощность, чтобы обеспечить сварку с глубоким проплавлением;
(3) Лазер с малым диаметром сердечника имеет высокую плотность мощности, может быстро пробивать замочные скважины на поверхности материала с высокой энергией и имеет небольшую зону термического влияния, но в то же время поверхность сварного шва шероховатая, вероятность разрушения замочной скважины высока во время низкоскоростной сварки, а замочная скважина закрывается во время сварочного цикла. Длительный цикл, легко создавать дефекты, поры и другие дефекты, подходит для высокоскоростной обработки или обработки с поворотной дорожкой;
(4) Лазеры большого диаметра больше подходят для лазерного переплава поверхности, плакирования, отжига и других процессов из-за их большого пятна и более рассеянной энергии.
Высокоотражающие материалы: алюминий, медь, нержавеющая сталь, никель, молибден и др.;
(1) Для материалов с высокой отражающей способностью необходимо выбирать лазер малого диаметра. Использование лазерного луча высокой плотности мощности для быстрого нагрева материала до сжиженного или испаренного состояния, повышения скорости лазерного поглощения материала и достижения эффективной и быстрой обработки. Легко выбрать лазер с большим диаметром сердцевины. Привести к сильному отражению, привести к виртуальной сварке и даже сжечь лазер;
Чувствительные к растрескиванию материалы: никель, никелированная медь, алюминий, нержавеющая сталь, титановый сплав и т. д.
(2) Этот тип материала обычно требует строгого контроля зоны термического влияния и небольшой ванны расплава. Целесообразнее выбрать лазер малого диаметра;
Высокоскоростная лазерная обработка:
(3) Сварка с глубоким проплавлением требует высокоскоростной лазерной обработки, поэтому необходимо выбрать лазер с высокой плотностью энергии, чтобы гарантировать, что энергии линии достаточно для плавления материала на высокой скорости, особенно для сварки внахлест, сварки с проплавлением и другие небольшие керны, требующие большой глубины проникновения. Радиальные лазеры более подходят.
Advantages and applications of large core lasers (>100 мкм):
Большой диаметр сердцевины и большое пятно, большая зона нагрева, широкая рабочая поверхность и микроплавление достигается только на поверхности материала, что очень подходит для применения в лазерной наплавке, лазерном переплавке, лазерном отжиге, лазерной закалке и т. д. В этих площади, большое пятно означает более высокую производительность и меньшую дефектность (теплопроводная пайка практически бездефектна).
Что касается сварки, большое пятно в основном используется для композитной сварки, которая используется для соединения с лазером малого диаметра сердечника: большое пятно заставляет поверхность материала слегка плавиться, превращаясь из твердого состояния в жидкость, что значительно повышает скорость поглощения. материала лазером, а затем использует небольшой сердечник. В этом процессе из-за предварительного нагрева большого пятна, последующей обработки и большого температурного градиента, придаваемого ванне расплава, материал не склонен к образованию трещин, вызванных дефектами. путем быстрого нагрева и быстрого охлаждения. Это может сделать внешний вид сварного шва более гладким и в то же время добиться меньшего разбрызгивания, чем при использовании одного лазера.
