Porovnání svařovacích účinků laserů s různými průměry jádra
Laserové zpracování kovových materiálů je především tepelné zpracování založené na fototermickém efektu. Když laser ozařuje povrch materiálu, povrchová plocha materiálu projde různými změnami při různých hustotách výkonu. Tyto změny zahrnují zvýšenou povrchovou teplotu, tání, odpařování, tvorbu klíčových dírek a tvorbu fotoplazmy. Navíc změna fyzikálního stavu oblasti povrchu materiálu značně ovlivňuje absorpci laserového světla materiálem. Obecně řečeno, čím vyšší je teplota, tím vyšší je absorpce laserového světla materiálem. S rostoucí hustotou výkonu a dobou působení bude kovový materiál podléhat následujícím změnám fyzikálního stavu, jak je znázorněno na obrázku 1 [1].
Laserové svařování má dvě jádra: přenos tepla a vedení tepla. Přenos tepla souvisí se zdrojem tepla, hustotou výkonu a energií vedení; Proudění vzduchu pro jemné doladění. Při svařovacím procesu se upravuje hlavně zdroj tepla, hustota výkonu a energie vedení. Mezi parametry procesu patří: výběr průměru laserového jádra, výkon, rychlost a množství rozostření. Vzhledem k tomu, že tento článek se zaměřuje hlavně na lasery s různými průměry jádra a hlavně zahrnuje různé hustoty výkonu, Obrázek 2 ukazuje jednoduchý výpočetní vzorec hustoty výkonu:
Existují dva hlavní typy laserového svařování podle rychlosti absorpce svařovacího procesu, jedním je svařování vedením tepla (poměr hloubky a šířky<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).
Laserové svařování tepelným vedením:
Různé záření laseru způsobí různé změny ve stavu materiálu, což se projeví ve svařovacím procesu jako dva typické svařovací režimy: laserové svařování tepelným vedením a laserové svařování hlubokou penetrací. Proces přenosu tepla, mechanismus tvorby svaru, procesní charakteristiky a rozsah použití jsou velmi odlišné.
Režim svařování laserovým vedením tepla:
Během svařování vedením tepla je záření laseru ozařované na povrch obrobku v rozsahu 10E4~10E6W/cm a laserová energie je absorbována tenkou vrstvou 10~100m na povrchu. Laserová energie na povrchu je přenášena do vnitřku materiálu vedením tepla a laseru se nelze přímo dotknout. Po určité době laserového ozařování dojde k roztavení povrchu a tato izoterma tavení se šíří hluboko do materiálu a povrchová teplota dále stoupá. Ale nejvyšší může dosáhnout pouze bodu varu materiálu, bez ohledu na to, jak vysoká je teplota, materiál se vypaří a vytvoří důlky, stabilní tepelně vodivý proces svařování bude zničen, roztavená lázeň bude oscilovat a materiál bude spálený. Obecně se svařování tepelným vedením většinou používá u tenkých plechů. V tomto případě je potřeba s tím skoncovat. S relativním pohybem laserového paprsku a obrobku se vytvoří mělký a široký svarový šev, jak je znázorněno na obrázku 3. Poměr hloubky k šířce svarového švu je malý a šířka svarového švu je obecně více než dvojnásobná hloubka průniku. Obrázek níže ukazuje vzhled typického laserového teplovodivého svaru v řezu a tvar svarového švu je přibližně polokulový.
Porovnání laserů s různým průměrem jádra:
(1) Rychlost experimentu je 150 mm/s, poloha ohniska je svařena, materiál je hliník série 1 a tloušťka je 2 mm;
(2) Čím větší je průměr jádra, tím větší je šířka fúze, tím větší je tepelně ovlivněná zóna a tím menší je hustota výkonu jednotky. Když průměr jádra přesáhne 200 um, není snadné dosáhnout hloubky průniku na vysoce reaktivních slitinách, jako je hliník a měď, a vyžaduje vyšší výkon pro dosažení hlubokého průvaru;
(3) Laser s malým průměrem jádra má vysokou hustotu výkonu, dokáže rychle prorazit klíčové dírky na povrchu materiálu s vysokou energií a má malou tepelně ovlivněnou zónu, ale zároveň je povrch svaru drsný, pravděpodobnost zhroucení klíčové dírky je vysoká při nízkorychlostním svařování a klíčová dírka je uzavřena během svařovacího cyklu Dlouhý cyklus, snadné vytváření defektů, pórů a jiných defektů, vhodné pro vysokorychlostní zpracování nebo zpracování s výkyvnou dráhou;
(4) Lasery s velkým průměrem jsou vhodnější pro laserové povrchové přetavování, plátování, žíhání a další procesy kvůli jejich velké skvrně a více rozptýlené energii.
Vysoce reflexní materiály: hliník, měď, nerezová ocel, nikl, molybden atd.;
(1) Vysoce reflexní materiály musí zvolit laser s malým průměrem. Použití laserového paprsku s vysokou hustotou výkonu k rychlému zahřátí materiálu do zkapalněného nebo odpařeného stavu, zlepšení rychlosti absorpce laseru materiálu a dosažení efektivního a rychlého zpracování. Je snadné vybrat laser s velkým průměrem jádra. Vede k vysokému odrazu, vede k virtuálnímu svařování a dokonce spálí laser;
Materiály citlivé na praskliny: nikl, poniklovaná měď, hliník, nerezová ocel, slitina titanu atd.
(2) Tento druh materiálu obecně vyžaduje přísnou kontrolu tepelně ovlivněné zóny a vyžaduje malou roztavenou lázeň. Vhodnější je zvolit laser malého průměru;
Vysokorychlostní laserové zpracování:
(3) Hluboké penetrační svařování vyžaduje vysokorychlostní laserové zpracování a je nutné vybrat laser s vysokou hustotou energie, aby bylo zajištěno, že energie linky je dostatečná k roztavení materiálu vysokou rychlostí, zejména pro přeplátované svařování, penetrační svařování a další malá jádra, která vyžadují vysokou hloubku průniku. Vhodnější jsou radiální lasery.
Advantages and applications of large core lasers (>100 um):
Velký průměr jádra a velká skvrna, velká plocha tepelného pokrytí, široká akční plocha a dosažení mikrotavení pouze na povrchu materiálu, velmi vhodné pro aplikace v laserovém plátování, laserovém přetavování, laserovém žíhání, laserovém kalení atd. V těchto plochy, velký bod znamená vyšší produktivitu a nižší defekty (teplovodivé pájení je téměř bezvadné).
Pokud jde o svařování, velký bod se používá hlavně pro kompozitní svařování, které se používá pro spojování s laserem s malým průměrem jádra: velký bod způsobuje, že se povrch materiálu mírně roztaví a přemění se z pevného na kapalný, což výrazně zlepšuje míru absorpce materiálu do laseru a poté používá malé jádro V tomto procesu není materiál kvůli předehřátí velké skvrny, následnému zpracování a velkému teplotnímu gradientu dané roztavené lázni náchylný k prasklinám způsobeným rychlým ohřevem a rychlým ochlazením. Dokáže vyhladit vzhled svaru a zároveň dosáhnout nižšího rozstřiku než jednolaserové řešení.
