Usporedba učinaka zavarivanja lasera s različitim promjerima jezgre
Laserska obrada metalnih materijala uglavnom je toplinska obrada koja se temelji na fototermalnom efektu. Kada laser ozrači površinu materijala, površina materijala će pretrpjeti različite promjene pod različitim gustoćama snage. Te promjene uključuju povećanu površinsku temperaturu, taljenje, isparavanje, stvaranje ključanice i stvaranje fotoplazme. Štoviše, promjena fizičkog stanja područja površine materijala uvelike utječe na materijalnu apsorpciju laserskog svjetla. Općenito govoreći, što je viša temperatura, veća je stopa apsorpcije laserskog svjetla od materijala. S povećanjem gustoće snage i vremena djelovanja, metalni materijal će doživjeti sljedeće promjene fizičkog stanja, kao što je prikazano na slici 1 [1].
Postoje dvije jezgre laserskog zavarivanja: prijenos topline i provođenje topline. Prijenos topline povezan je s izvorom topline, gustoćom snage i energijom vodova; Protok zraka za fino podešavanje. U procesu zavarivanja uglavnom se podešavaju izvor topline, gustoća snage i linijska energija. Uključeni parametri procesa uključuju: odabir promjera jezgre lasera, snagu, brzinu i količinu defokusiranja. Uzimajući u obzir da se ovaj članak uglavnom fokusira na lasere s različitim promjerima jezgre i uglavnom uključuje različite gustoće snage, slika 2 prikazuje jednostavnu formulu za izračun gustoće snage:
Postoje dvije glavne vrste laserskog zavarivanja prema stopi apsorpcije procesa zavarivanja, jedna je zavarivanje toplinskom provodljivošću (omjer dubine i širine<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).
Lasersko toplinsko zavarivanje:
Različito lasersko zračenje uzrokovat će različite promjene u stanju materijala, što se odražava na proces zavarivanja kao dva tipična načina zavarivanja: lasersko zavarivanje toplinskom provodljivošću i lasersko zavarivanje dubokim prodiranjem. Proces prijenosa topline, mehanizam formiranja zavara, karakteristike procesa i raspon primjene su vrlo različiti.
Način zavarivanja laserskim provođenjem topline:
Tijekom zavarivanja provođenjem topline, lasersko zračenje koje zrači površinu obratka je u rasponu od 10E4~10E6W/cm, a lasersku energiju apsorbira tanki sloj od 10~100m na površini. Energija lasera na površini prenosi se u unutrašnjost materijala provođenjem topline, a laser se ne može izravno dodirnuti. Nakon određenog razdoblja laserskog zračenja, površina se topi, a ta se izoterma taljenja širi duboko u materijal, a površinska temperatura nastavlja rasti. Ali najviša može doseći samo točku vrenja materijala, bez obzira na to koliko je visoka temperatura, materijal će ispariti i formirati jame, stabilan proces zavarivanja provođenjem topline bit će uništen, rastaljena baza će oscilirati, a materijal će biti spaljena. Općenito, zavarivanje provođenjem topline uglavnom se koristi za tanke ploče. U ovom slučaju tome treba stati na kraj. S relativnim kretanjem laserske zrake i obratka, formira se plitak i širok zavareni šav, kao što je prikazano na slici 3. Omjer dubine i širine zavarenog šava je mali, a širina zavarenog šava općenito je više od dvostruko dubine prodiranja. Donja slika prikazuje izgled poprečnog presjeka tipičnog laserskog zavarenog šava, a oblik zavarenog šava je približno polukuglast.
Usporedba lasera različitih promjera jezgre:
(1) Brzina eksperimenta je 150 mm/s, položaj fokusa je zavaren, materijal je aluminij serije 1, a debljina je 2 mm;
(2) Što je veći promjer jezgre, to je veća širina fuzije, veća je zona utjecaja topline i manja je jedinična gustoća snage. Kada promjer jezgre prelazi 200 um, nije lako postići dubinu prodiranja na visokoreakcijskim legurama kao što su aluminij i bakar, a potrebna je veća snaga za postizanje zavarivanja dubokim prodiranjem;
(3) Laser malog promjera jezgre ima veliku gustoću snage, može brzo probušiti ključanice na površini materijala s visokom energijom i ima malu zonu utjecaja topline, ali je u isto vrijeme površina zavara hrapava, vjerojatnost kolapsa ključanice je velika tijekom zavarivanja malom brzinom, a ključanica je zatvorena tijekom ciklusa zavarivanja Dugi ciklus, lako se proizvode nedostaci, pore i drugi nedostaci, pogodan za obradu velikom brzinom ili obradu s okretnom tračnicom;
(4) Laseri velikog promjera prikladniji su za lasersko površinsko taljenje, oblaganje, žarenje i druge procese zbog svoje velike točke i više raspršene energije.
Materijali visoke refleksije: aluminij, bakar, nehrđajući čelik, nikal, molibden itd.;
(1) Materijali s visokom refleksijom trebaju odabrati laser malog promjera. Korištenje laserske zrake velike gustoće za brzo zagrijavanje materijala do ukapljenog ili isparenog stanja, poboljšanje brzine laserske apsorpcije materijala i postizanje učinkovite i brze obrade. Lako je odabrati laser s velikim promjerom jezgre. Dovode do visoke refleksije, dovode do virtualnog zavarivanja, pa čak i spaljuju laser;
Materijali osjetljivi na pukotine: nikal, poniklani bakar, aluminij, nehrđajući čelik, legura titana itd.
(2) Ova vrsta materijala općenito zahtijeva strogu kontrolu zone utjecaja topline i zahtijeva malu bazenu rastaljene tvari. Primjerenije je odabrati laser malog promjera;
Laserska obrada velike brzine:
(3) Zavarivanje dubokim prodiranjem zahtijeva lasersku obradu velike brzine i potrebno je odabrati laser s visokom gustoćom energije kako bi se osiguralo da je energija linije dovoljna za taljenje materijala velikom brzinom, posebno za preklopno zavarivanje, probojno zavarivanje i druge male jezgre koje zahtijevaju veliku dubinu prodiranja. Radijalni laseri su prikladniji.
Advantages and applications of large core lasers (>100um):
Veliki promjer jezgre i velika točka, veliko područje toplinske pokrivenosti, široka radna površina i postiže se samo mikrotaljenje na površini materijala, vrlo pogodno za primjenu u laserskom oblaganju, laserskom ponovnom taljenju, laserskom žarenju, laserskom otvrdnjavanju itd. U ovim područja, velika točka znači veću produktivnost i manje grešaka (lemljenje toplinskom vodljivošću gotovo je bez grešaka).
Što se tiče zavarivanja, velika točka se uglavnom koristi za kompozitno zavarivanje, koje se koristi za spajanje s laserom malog promjera jezgre: velika točka čini da se površina materijala lagano topi, pretvarajući se iz krutog u tekuće, što uvelike poboljšava stopu apsorpcije materijala u laser, a zatim koristi malu jezgru. U ovom procesu, zbog predgrijavanja velike točke, naknadne obrade i velikog temperaturnog gradijenta koji se daje rastaljenoj lonci, materijal nije sklon nastanku pukotina uzrokovanih brzim zagrijavanjem i brzim hlađenjem. Može učiniti izgled zavara glatkijim, au isto vrijeme postići niže prskanje nego rješenje s jednim laserom.
