Sammenligning af svejseeffekter af lasere med forskellige kernediametre
Laserbehandling af metalmaterialer er hovedsageligt termisk behandling baseret på den fototermiske effekt. Når laseren bestråler overfladen af materialet, vil materialets overflade undergå forskellige ændringer under forskellige effekttætheder. Disse ændringer omfatter øget overfladetemperatur, smeltning, fordampning, nøglehulsdannelse og fotoplasmadannelse. Desuden påvirker ændringen af den fysiske tilstand af materialets overfladeregion i høj grad materialets absorption af laserlys. Generelt gælder det, at jo højere temperatur, jo højere er materialets absorptionshastighed af laserlys. Med stigningen i effekttæthed og aktionstid vil metalmaterialet gennemgå følgende fysiske tilstandsændringer, som vist i figur 1 [1].
Der er to kerner af lasersvejsning: varmeoverførsel og varmeledning. Varmeoverførsel er relateret til varmekilde, effekttæthed og linjeenergi; Luftstrøm for at finjustere. I svejseprocessen justeres hovedsageligt varmekilden, effekttætheden og linjeenergien. De involverede procesparametre inkluderer: valget af laserkernediameter, effekt, hastighed og ufokuseringsmængde. I betragtning af at denne artikel hovedsageligt fokuserer på lasere med forskellige kernediametre og hovedsageligt involverer forskellige effekttætheder, viser figur 2 den enkle beregningsformel for effekttæthed:
Der er to hovedtyper af lasersvejsning i henhold til absorptionshastigheden af svejseprocessen, den ene er varmeledningssvejsning (dybde-breddeforhold<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).
Laser varmeledningssvejsning:
Forskellig laserbestråling vil forårsage forskellige ændringer i materialets tilstand, hvilket afspejles i svejseprocessen som to typiske svejsetilstande: laser varmeledningssvejsning og laser dyb penetrationssvejsning. Varmeoverførselsprocessen, svejsedannelsesmekanismen, procesegenskaberne og anvendelsesområdet for de to er meget forskellige.
Laser varmeledning svejsetilstand:
Under varmeledningssvejsning er laserbestrålingen, der bestråles på overfladen af emnet, i området 10E4~10E6W/cm, og laserenergien absorberes af det tynde lag på 10~100m på overfladen. Laserenergien på overfladen overføres til materialets indre ved varmeledning, og laseren kan ikke berøres direkte. Efter en vis periode med laserbestråling når overfladen smeltning, og denne smelteisoterm forplanter sig dybt ind i materialet, og overfladetemperaturen fortsætter med at stige. Men den højeste kan kun nå materialets kogepunkt, uanset hvor høj temperaturen er, vil materialet fordampe og danne gruber, den stabile varmeledningssvejseproces vil blive ødelagt, den smeltede pool vil oscillere, og materialet vil blive brændt. Generelt anvendes varmeledningssvejsning mest i tynde plader. I dette tilfælde nødt til at sætte en stopper for det. Med den relative bevægelse af laserstrålen og emnet dannes en lav og bred svejsesøm, som vist i figur 3. Svejsesømmens dybde-til-bredde-forhold er lille, og bredden af svejsesømmen er generelt mere end det dobbelte af indtrængningsdybden. Figuren nedenfor viser tværsnitsudseendet af en typisk laservarmeledningssvejsesøm, og formen af svejsesømmen er omtrent halvkugleformet.
Sammenligning af lasere med forskellige kernediameter:
(1) Forsøgets hastighed er 150 mm/s, fokuspositionen er svejset, materialet er 1 serie aluminium, og tykkelsen er 2 mm;
(2) Jo større kernediameter, jo større smeltebredde, jo større er den varmepåvirkede zone, og jo mindre er enhedens effekttæthed. Når kernediameteren overstiger 200um, er det ikke let at opnå penetrationsdybde på højreaktionslegeringer såsom aluminium og kobber, og kræver højere Effekt kan opnå dyb penetration svejsning;
(3) Laseren med lille kernediameter har høj effekttæthed, kan hurtigt slå nøglehuller på overfladen af materialet med høj energi og har en lille varmepåvirket zone, men samtidig er overfladen af svejsningen ru, sandsynligheden for sammenbrud af nøglehul er høj under lavhastighedssvejsning, og nøglehullet er lukket under svejsecyklussen Lang cyklus, let at producere defekter, porer og andre defekter, velegnet til højhastighedsbehandling eller behandling med svingspor;
(4) Lasere med stor diameter er mere velegnede til laseroverfladeomsmeltning, beklædning, udglødning og andre processer på grund af deres store plet og mere spredte energi.
Højreflekterende materialer: aluminium, kobber, rustfrit stål, nikkel, molybdæn osv.;
(1) Højreflekterende materialer skal vælge en laser med lille diameter. Brug af en laserstråle med høj effekttæthed til hurtigt at opvarme materialet til en flydende eller fordampet tilstand, forbedre materialets laserabsorptionshastighed og opnå effektiv og hurtig behandling. Det er nemt at vælge en laser med stor kernediameter. Føre til høj refleksion, føre til virtuel svejsning og endda brænde laseren ud;
Revnefølsomme materialer: nikkel, forniklet kobber, aluminium, rustfrit stål, titanlegering osv.
(2) Denne type materiale kræver generelt streng kontrol af den varmepåvirkede zone og kræver en lille smeltet pool. Det er mere passende at vælge en laser med lille diameter;
Højhastigheds laserbehandling:
(3) Dyb penetrationssvejsning kræver højhastigheds laserbehandling, og det er nødvendigt at vælge en laser med høj energitæthed for at sikre, at linjeenergien er tilstrækkelig til at smelte materialet ved høj hastighed, især til skødesvejsning, penetrationssvejsning og andre små kerner, der kræver høj indtrængningsdybde. Radiale lasere er mere egnede.
Advantages and applications of large core lasers (>100um):
Stor kernediameter og stor plet, stort varmedækningsområde, bred aktionsflade, og opnår kun mikrosmeltning på overfladen af materialet, meget velegnet til applikationer inden for laserbeklædning, laseromsmeltning, laserglødning, laserhærdning osv. I disse områder, betyder en stor plet højere produktivitet og lavere defekter (varmeledningslodning er næsten fejlfri).
Med hensyn til svejsning bruges den store plet hovedsageligt til kompositsvejsning, som bruges til sammensætning med laser med lille kernediameter: den store plet får materialets overflade til at smelte lidt og omdannes fra fast til flydende, hvilket i høj grad forbedrer absorptionshastigheden af materialet til laseren og bruger derefter en lille kerne. I denne proces er materialet, på grund af forvarmningen af den store plet, efterbehandling og den store temperaturgradient givet til den smeltede pool, ikke tilbøjelig til at revnedefekter forårsaget ved hurtig opvarmning og hurtig afkøling. Det kan gøre svejsningens udseende glattere, og samtidig opnå lavere sprøjt end enkeltlaserløsningen.
