Usporedba učinka zavarivanja lasera s različitim promjerom jezgre

Laserska obrada metalnih materijala uglavnom se temelji na toplinskoj obradi fototermalnog efekta. Kada laser ozrači površinu materijala, dogodit će se različite promjene na površini materijala pod različitim gustoćama snage. Te promjene uključuju povećanje površinske temperature, taljenje, isparavanje, stvaranje ključanice i foto-induciranu generaciju plazme. Štoviše, promjene u fizičkom stanju površine materijala uvelike utječu na apsorpciju lasera od materijala. Općenito, što je viša temperatura, veća je stopa apsorpcije materijala za laser. S povećanjem gustoće snage i vremena djelovanja, metalni materijali će doživjeti sljedeće promjene u fizikalnim stanjima.

Jezgra laserskog zavarivanja sastoji se od dvije: prijenos topline i provođenje topline. Prijenos topline povezan je s izvorom topline, gustoćom snage i energijom voda. Provođenje topline uglavnom je povezano s rasipanjem topline i brzinom prijenosa topline materijala, što pripada inherentnim svojstvima materijala i općenito se može fino podesiti uređajima za hlađenje vodom i protokom zaštitnog plina. U procesu zavarivanja uglavnom se podešavaju izvor topline, gustoća snage i linijska energija. Uključeni parametri procesa su: promjer laserske jezgre, snaga, brzina, defokusiranje i tako dalje.

Postoje dvije glavne vrste laserskog zavarivanja prema stupnju apsorpcije procesa zavarivanja. Jedan je toplinsko vodljivo zavarivanje (omjer dubine i širine < 1, stopa laserske apsorpcije crvenog svjetla unutar 20%, različite valne duljine imaju razlike). Drugi je zavarivanje dubokim prodiranjem (omjer dubine i širine > 1, stopa apsorpcije je veća od stope apsorpcije bazena taline materijala, više od 60%, uglavnom apsorpcija višestruke refleksije lasera u ključanici).

Lasersko toplinsko vodljivo 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 vodljivošću i lasersko zavarivanje dubokim prodiranjem. Proces prijenosa topline, mehanizam formiranja zavara, tehnološke značajke i raspon primjene ova dva su vrlo različiti.

Način laserskog toplinskog vodljivog zavarivanja:

Tijekom toplinski vodljivog zavarivanja, lasersko zračenje na površini obratka je u rasponu od 10E4~10E6W/cm. Lasersku energiju apsorbira tanki sloj površinskog sloja od 10 ~ 100 m, a laserska energija površinskog sloja prenosi se u unutrašnjost materijala toplinskom vodljivošću, a laser se ne može izravno dodirnuti. Nakon određenog razdoblja laserskog zračenja, površina se tali, a ta se izoterma taljenja širi duboko u materijal, a površinska temperatura nastavlja rasti. Međutim, najviša može doseći samo točku vrenja materijala, a što je viša temperatura, materijal će ispariti i formirati jamu. Stabilan proces zavarivanja toplinskom vodljivošću bit će oštećen, zavarena kupka će oscilirati, a materijal će biti spaljen. Općenito, toplinsko vodljivo zavarivanje uglavnom se koristi za tanke limove, a ovu situaciju treba eliminirati. Relativnim kretanjem laserske zrake i obratka nastaje plitak i širok zavar, kao što je prikazano na donjoj slici. Omjer dubine i širine zavara je mali, a širina zavara je općenito više od 2 puta dubine prodiranja. Sljedeća slika prikazuje profil tipičnog laserskog zavarivanja toplinskom vodljivošću, a oblik zavara je približno hemisferičan.

lasersko zavarivanje dubokim prodiranjem:

Kada je zračenje veće od 10E7W/cm, površina materijala se topi i isparava pod djelovanjem lasera, a generirani povratni tlak pare utječe na rastaljenu loncu prema dolje i oblikuje ključanicu. Svjetlosna zraka djeluje izravno na dno ključanice, dalje otapajući i isparavajući metal. Plin pod visokim pritiskom stalno se stvara iz unutrašnjosti ključanice i neprestano izbija prema van, produbljujući tako rupu. Zraka također ide sve dublje i dublje, a laserski izvor topline također djeluje unutar materijala, prenoseći toplinu iz unutrašnjosti ključanice na materijal kako bi formirao dublju zonu utjecaja topline. U isto vrijeme, ključanica je ispunjena plazmom djelomično ioniziranom visokotemperaturnom parom, a iznad izlaza iz ključanice formira se određeni raspon oblaka plazme.

Efekt ključanice igra važnu ulogu u apsorpciji lasera u procesu laserskog zavarivanja. Laserska zraka koja ulazi u ključanicu gotovo se potpuno apsorbira kroz višestruku refleksiju zida rupe. Kao što je prikazano na slici, ako je ključanica stožasta površina (s kutom od ∅), svjetlosna zraka koja pada duž osi stošca reflektira se ravno kroz stožac prema dnu ključanice i reflektira se, reflektirajući ukupno od 180 stupnjeva /∅. Apsorpcija čelika je oko 13% po refleksiji. Kada je postavljen stupanj P=10, ukupna apsorpcija doseže 92% u 18 refleksija, što je znatno poboljšano u usporedbi s toplinskom vodljivošću od 13%. Razlika između toplinske vodljivosti i dubokog taljenja općenito je prema metalurškoj dubini taljenja: širina taljenja je veća od 1, što se može smatrati dubokim taljenjem, jer pojava ključanica poboljšava stopu apsorpcije. Ova jednostavna metoda prikladna je za pojedinačno lasersko zavarivanje. Kompozit nije prikladan za ovu procjenu, što je općenito zavarivanje dubokim prodiranjem, a središnja greda ima efekt ključanice.

Nakon razumijevanja osnovne gustoće snage, zavarivanja toplinskom vodljivošću, koncepata zavarivanja dubokim prodiranjem, zatim gustoće snage različitih promjera jezgre i metalografske usporedne analize. Ovaj eksperiment zavarivanja provodi se za uobičajeni promjer jezgre lasera na tržištu.

S gledišta gustoće snage, pod istom snagom, što je finiji promjer jezgre, to je veća svjetlina lasera, to je energija koncentriranija. Ako se laser usporedi s oštrim nožem, što je manji promjer jezgre lasera, to je oštriji. Gustoća snage lasera s promjerom jezgre od 14 um više je od 50 puta veća od gustoće snage lasera s promjerom jezgre od 100 um, a kapacitet obrade je veći. U isto vrijeme, ovdje izračunata gustoća snage jednostavno je prosječna gustoća. Stvarna distribucija energije je približno Gaussova, a središnja energija bit će nekoliko puta veća od prosječne gustoće snage.

Usporedba lasera s različitim promjerom jezgre:

(1) Brzina eksperimenta je 150 mm/s, fokusna pozicija je zavarena, materijal je aluminij serije 1, debljine 2 mm.

(2) Što je veći promjer jezgre, veća je širina taljenja, veća je zona utjecaja topline i manja je jedinična gustoća snage. Kada promjer jezgre premašuje 200 um, nije lako igrati duboku penetraciju na legurama s visokom reverzijom kao što su aluminij i bakar, a potrebna je veća snaga za postizanje zavarivanja dubokim penetracijom.

(3) Laser male jezgre ima veliku gustoću snage, može brzo probušiti ključanice na površini materijala pri visokoj energiji, a zona utjecaja topline je mala, ali je u isto vrijeme površina zavara hrapava i vjerojatnost kolaps ključanice je visok pri zavarivanju pri maloj brzini. Ciklus zatvaranja ključanice u ciklusu zavarivanja je dug i lako je proizvesti nedostatke, poroznost i druge nedostatke, što je prikladno za brzu obradu ili obradu s putanjom ljuljačke.

(4) Laser s velikom jezgrom zbog velike točke, a energija je više raspršena, što je prikladnije za lasersko površinsko taljenje, oblaganje, žarenje i druge procese.

Prednosti i primjena lasera s malom jezgrom (< 100um)

(1) Visoko inverzni materijali: aluminij, bakar, nehrđajući čelik, nikal, molibden itd.
Visoko inverzni materijali trebaju odabrati laser s malim promjerom jezgre. Laserska zraka velike gustoće koristi se za brzo zagrijavanje materijala do ukapljenog ili isparenog stanja, poboljšanje brzine laserske apsorpcije materijala i postizanje učinkovite i brze obrade. Odaberite laser s velikim promjerom jezgre, koji lako može dovesti do jake reakcije, što rezultira virtualnim zavarivanjem, pa čak i spaljivanjem lasera.

(2) Materijali osjetljivi na pukotine: nikal, poniklani bakar, aluminij, nehrđajući čelik, legura titana itd.

Ovaj materijal općenito zahtijeva strogu kontrolu zone utjecaja topline, potrebu za malom bazenom rastaljene tvari, a izbor lasera s malim promjerom jezgre je prikladniji.

(3) Laserska obrada velike brzine:

Zavarivanje dubokim prodiranjem zahtijeva lasersku obradu velike brzine. Potrebno je odabrati laser s visokom gustoćom energije kako bi se osiguralo da je linijska energija dovoljna za taljenje materijala velikom brzinom, posebno za zavarivanje preklapanja, zavarivanje prodiranjem i druge lasere male jezgre s većim zahtjevima za prodiranje.

Advantages and Applications of Large Core Laser (>100um)

Veliki promjer jezgre, velika svjetlosna točka, veliko područje toplinske pokrivenosti, široka površina za primjenu, i to samo za postizanje mikrotaljenja površine materijala. Vrlo je prikladan za primjenu u laserskom oblaganju, laserskom pretapanju, laserskom žarenju, laserskom otvrdnjavanju i tako dalje. U tim područjima velike mrlje znače veću učinkovitost proizvodnje i manje nedostataka (toplinski vodljivo zavarivanje gotovo da nema nedostataka).

U zavarivanju, velika točka se uglavnom koristi za kompozitno zavarivanje, koje se koristi za kompozitni laser s malim promjerom jezgre. Velike svjetlosne mrlje čine da se površina materijala lagano topi, od krute do tekuće, tako da je stopa apsorpcije materijala za laser znatno poboljšana. Zatim upotrijebite jezgru malog promjera da probušite ključanicu i probušite dubinu prodiranja. U ovom procesu, zbog predgrijavanja i naknadne obrade velikih svjetlosnih mrlja i velikog temperaturnog gradijenta bazena taline, na materijalu nije lako pojaviti pukotine uzrokovane brzim zagrijavanjem i brzim hlađenjem, a izgled zavara je glađi. . Prskanje je niže nego kod jednog laserskog rješenja.

Xi'an Guosheng Laser Technology Co., Ltd. je visokotehnološko poduzeće specijalizirano za istraživanje i razvoj, proizvodnju i prodaju automatskog laserskog stroja za oblaganje, brzog laserskog stroja za oblaganje, stroja za lasersko kaljenje, stroja za lasersko zavarivanje i opreme za laserski 3D ispis. Naši proizvodi su isplativi i prodaju se u zemlji i inozemstvu. Ako ste zainteresirani za naše proizvode, kontaktirajte nas na bob@gshenglaser.com.