Compararea efectelor de sudare ale laserelor cu diferite diametre ale miezului
Prelucrarea cu laser a materialelor metalice este în principal prelucrare termică bazată pe efectul fototermic. Când laserul iradiază suprafața materialului, suprafața materialului va suferi diferite modificări sub diferite densități de putere. Aceste modificări includ creșterea temperaturii suprafeței, topirea, vaporizarea, formarea găurilor de cheie și generarea de fotoplasmă. Mai mult, schimbarea stării fizice a regiunii suprafeței materialului afectează foarte mult absorbția luminii laser de către material. În general, cu cât temperatura este mai mare, cu atât este mai mare rata de absorbție a luminii laser a materialului. Odată cu creșterea densității de putere și a timpului de acțiune, materialul metalic va suferi următoarele modificări de stare fizică, așa cum se arată în Figura 1 [1].
Există două nuclee de sudare cu laser: transferul de căldură și conducerea căldurii. Transferul de căldură este legat de sursa de căldură, densitatea puterii și energia liniei; Flux de aer pentru reglaj fin. În procesul de sudare, sursa de căldură, densitatea de putere și energia liniei sunt în principal ajustate. Parametrii procesului implicați includ: selectarea diametrului miezului laser, puterea, viteza și cantitatea de defocalizare. Având în vedere că acest articol se concentrează în principal pe lasere cu diferite diametre de miez și implică în principal densități de putere diferite, Figura 2 prezintă formula simplă de calcul a densității de putere:
Există două tipuri principale de sudare cu laser în funcție de rata de absorbție a procesului de sudare, unul este sudarea prin conducție termică (raport adâncime-lățime<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).
Sudarea prin conducție de căldură cu laser:
Iradierea laser diferită va provoca schimbări diferite în starea materialului, care se reflectă în procesul de sudare ca două moduri tipice de sudare: sudarea prin conducție de căldură cu laser și sudarea cu penetrare adâncă cu laser. Procesul de transfer de căldură, mecanismul de formare a sudurii, caracteristicile procesului și domeniul de aplicare al celor două sunt foarte diferite.
Mod de sudare prin conductie de căldură cu laser:
În timpul sudării prin conducție termică, iradierea laser iradiată pe suprafața piesei de prelucrat este în intervalul 10E4~10E6W/cm, iar energia laserului este absorbită de stratul subțire de 10~100m de pe suprafață. Energia laser de pe suprafață este transmisă în interiorul materialului prin conducerea căldurii, iar laserul nu poate fi atins direct. După o anumită perioadă de iradiere cu laser, suprafața ajunge la topire, iar această izotermă de topire se propagă adânc în material, iar temperatura suprafeței continuă să crească. Dar cel mai înalt poate atinge doar punctul de fierbere al materialului, indiferent cât de mare este temperatura, materialul se va vaporiza și va forma gropi, procesul de sudare cu conducție termică stabilă va fi distrus, bazinul topit va oscila și materialul va fi ars. În general, sudarea prin conducție de căldură este folosită mai ales în plăci subțiri. În acest caz, trebuie să punem capăt. Odată cu mișcarea relativă a fasciculului laser și a piesei de prelucrat, se formează o cusătură de sudură superficială și largă, așa cum se arată în Figura 3. Raportul adâncime-lățime al cusăturii de sudură este mic, iar lățimea cusăturii de sudură este în general mai mult de două ori adâncimea de penetrare. Figura de mai jos arată aspectul în secțiune transversală a unei cusături de sudură cu conducție termică tipică cu laser, iar forma cusăturii de sudură este aproximativ semisferică.
Comparația diferitelor lasere cu diametru de miez:
(1) Viteza experimentului este de 150 mm/s, poziția de focalizare este sudată, materialul este aluminiu din 1 serie și grosimea este de 2 mm;
(2) Cu cât diametrul miezului este mai mare, cu atât lățimea de fuziune este mai mare, cu atât zona afectată de căldură este mai mare și densitatea de putere a unității este mai mică. Când diametrul miezului depășește 200um, nu este ușor să obțineți adâncimea de penetrare pe aliajele cu reacție ridicată, cum ar fi aluminiul și cuprul, și necesită o putere mai mare pentru a realiza sudarea cu penetrare adâncă;
(3) Laserul cu diametrul mic al miezului are o densitate mare de putere, poate perfora rapid găurile cheii pe suprafața materialului cu energie mare și are o zonă mică afectată de căldură, dar, în același timp, suprafața sudurii este aspră, probabilitatea de prăbușire a găurii cheii este mare în timpul sudării la viteză mică, iar gaura cheii este închisă în timpul ciclului de sudare Ciclu lung, ușor de produs defecte, pori și alte defecte, potrivite pentru procesare de mare viteză sau procesare cu șină oscilantă;
(4) Laserele cu diametru mare sunt mai potrivite pentru topirea suprafeței laser, placare, recoacere și alte procese datorită punctului lor mare și energiei mai dispersate.
Materiale cu reflexie ridicată: aluminiu, cupru, oțel inoxidabil, nichel, molibden etc.;
(1) Materialele cu reflexie ridicată trebuie să aleagă un laser cu diametru mic. Folosind un fascicul laser de mare putere pentru a încălzi rapid materialul la o stare lichefiată sau vaporizată, pentru a îmbunătăți rata de absorbție a laserului a materialului și pentru a obține o procesare eficientă și rapidă. Este ușor să alegeți un laser cu un diametru mare de miez. Duc la reflexie ridicată, duc la sudare virtuală și chiar arde laserul;
Materiale sensibile la fisuri: nichel, cupru nichelat, aluminiu, oțel inoxidabil, aliaj de titan etc.
(2) Acest tip de material necesită, în general, un control strict al zonei afectate de căldură și necesită un mic bazin topit. Este mai potrivit să alegeți un laser cu diametru mic;
Procesare laser de mare viteză:
(3) Sudarea cu penetrare adâncă necesită procesare cu laser de mare viteză și este necesar să se selecteze un laser cu densitate mare de energie pentru a se asigura că energia liniei este suficientă pentru a topi materialul la viteză mare, în special pentru sudarea prin ture, sudarea prin penetrare și alte miezuri mici care necesită adâncime mare de penetrare. Laserele radiale sunt mai potrivite.
Advantages and applications of large core lasers (>100um):
Diametru mare de miez și spot mare, zonă mare de acoperire a căldurii, suprafață largă de acțiune și obține doar micro-topire pe suprafața materialului, foarte potrivit pentru aplicații în placare cu laser, retopire cu laser, recoacere cu laser, călire cu laser etc. zone, un punct mare înseamnă productivitate mai mare și defecte mai mici (lipirea prin conducție de căldură este aproape fără defecte).
În ceea ce privește sudarea, punctul mare este utilizat în principal pentru sudarea compozitelor, care este utilizat pentru amestecarea cu laser cu diametru mic de miez: spotul mare face ca suprafața materialului să se topească ușor, transformându-se din solid în lichid, ceea ce îmbunătățește foarte mult rata de absorbție a materialului la laser și apoi utilizează un miez mic. În acest proces, datorită preîncălzirii punctului mare, post-procesării și gradientului mare de temperatură dat bazinului topit, materialul nu este predispus la defecte cauzate de fisurare. prin încălzire rapidă și răcire rapidă. Poate face aspectul sudurii mai neted și, în același timp, poate obține stropi mai mici decât soluția cu laser unic.
