Skirtingo šerdies skersmens lazerių suvirinimo efektų palyginimas
Metalo medžiagų apdirbimas lazeriu daugiausia yra terminis apdorojimas, pagrįstas fototerminiu efektu. Kai lazeris apšvitina medžiagos paviršių, medžiagos paviršiaus plotas pasikeis skirtingais galios tankiais. Šie pokyčiai apima padidėjusią paviršiaus temperatūrą, tirpimą, garavimą, rakto skylučių susidarymą ir fotoplazmos susidarymą. Be to, medžiagos paviršiaus srities fizinės būsenos pasikeitimas labai veikia medžiagos lazerio šviesos sugertį. Paprastai tariant, kuo aukštesnė temperatūra, tuo didesnis lazerio šviesos sugerties greitis. Didėjant galios tankiui ir veikimo laikui, metalo medžiaga patirs tokius fizinės būklės pokyčius, kaip parodyta 1 paveiksle [1].
Yra dvi lazerinio suvirinimo šerdys: šilumos perdavimas ir šilumos laidumas. Šilumos perdavimas yra susijęs su šilumos šaltiniu, galios tankiu ir linijos energija; Oro srautas, skirtas tiksliai sureguliuoti. Suvirinimo procese daugiausia reguliuojamas šilumos šaltinis, galios tankis ir linijos energija. Proceso parametrai apima: lazerio šerdies skersmens, galios, greičio ir defokusavimo dydžio parinkimą. Atsižvelgiant į tai, kad šiame straipsnyje daugiausia dėmesio skiriama lazeriams su skirtingu šerdies skersmeniu ir daugiausia skirtingu galios tankiu, 2 paveiksle parodyta paprasta galios tankio skaičiavimo formulė:
Yra du pagrindiniai lazerinio suvirinimo tipai pagal suvirinimo proceso absorbcijos greitį, vienas yra šilumos laidumo suvirinimas (gylio ir pločio santykis).<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).
Šilumos laidumo suvirinimas lazeriu:
Skirtingas lazerio spinduliavimas sukels skirtingus medžiagos būklės pokyčius, kurie suvirinimo procese atsispindi dviem tipiniais suvirinimo režimais: šilumos laidumo suvirinimas lazeriu ir giluminis suvirinimas lazeriu. Šilumos perdavimo procesas, suvirinimo formavimo mechanizmas, proceso charakteristikos ir jų taikymo sritis labai skiriasi.
Lazerinio šilumos laidumo suvirinimo režimas:
Šilumos laidumo suvirinimo metu lazerio spinduliuotė, apšvitinta ant ruošinio paviršiaus, yra 10E4–10E6W/cm, o lazerio energiją sugeria plonas 10–100 m sluoksnis ant paviršiaus. Paviršiuje esanti lazerio energija šilumos laidumo būdu perduodama į medžiagos vidų, o lazerio negalima tiesiogiai liesti. Po tam tikro lazerio apšvitinimo laikotarpio paviršius tirpsta, o ši lydymosi izoterma sklinda gilyn į medžiagą, o paviršiaus temperatūra toliau kyla. Tačiau aukščiausia gali pasiekti tik medžiagos virimo temperatūrą, nesvarbu, kokia aukšta temperatūra, medžiaga išgaruos ir susidarys duobės, bus sunaikintas stabilus šilumos laidumo suvirinimo procesas, išlydytas baseinas svyruos, o medžiaga sudegino. Paprastai šilumos laidumo suvirinimas dažniausiai naudojamas plonose plokštėse. Tokiu atveju reikia padaryti galą. Santykiniam lazerio spindulio ir ruošinio judėjimui susidaro sekli ir plati suvirinimo siūlė, kaip parodyta 3 paveiksle. Suvirinimo siūlės gylio ir pločio santykis yra mažas, o siūlės plotis paprastai yra daugiau nei du kartus didesnis įsiskverbimo gylis. Žemiau esančiame paveikslėlyje parodyta įprastos lazerinio šilumos laidumo suvirinimo siūlės skerspjūvio išvaizda, o suvirinimo siūlės forma yra maždaug pusrutulio formos.
Skirtingo šerdies skersmens lazerių palyginimas:
(1) Eksperimento greitis yra 150 mm / s, fokusavimo padėtis yra suvirinta, medžiaga yra 1 serijos aliuminis, o storis - 2 mm;
(2) Kuo didesnis šerdies skersmuo, tuo didesnis sintezės plotis, tuo didesnė šilumos paveikta zona ir mažesnis vieneto galios tankis. Kai šerdies skersmuo viršija 200 um, nėra lengva pasiekti stiprios reakcijos lydinių, tokių kaip aliuminis ir varis, įsiskverbimo gylį, todėl reikalinga didesnė galia.
(3) Mažo šerdies skersmens lazeris turi didelį galios tankį, gali greitai išmušti raktų skylutes ant medžiagos paviršiaus su didele energija ir turi mažą šilumos poveikio zoną, tačiau tuo pačiu metu suvirinimo siūlės paviršius yra grubus, rakto skylutės griūties tikimybė yra didelė suvirinant mažu greičiu, o rakto skylė uždaroma suvirinimo ciklo metu. Ilgas ciklas, lengvai atsiranda defektų, porų ir kitų defektų, tinkamas greitam apdorojimui arba apdorojimui su svyruojančiu takeliu;
(4) Didelio skersmens lazeriai dėl didelės dėmės ir labiau išsklaidytos energijos labiau tinka lazeriniam paviršiaus perlydymui, apkalimui, atkaitinimui ir kitiems procesams.
Labai atspindinčios medžiagos: aliuminis, varis, nerūdijantis plienas, nikelis, molibdenas ir kt.;
(1) Labai atspindinčioms medžiagoms reikia pasirinkti mažo skersmens lazerį. Naudojant didelio galingumo tankio lazerio spindulį, norint greitai pašildyti medžiagą iki suskystintos arba išgarintos būsenos, pagerinti medžiagos lazerio absorbcijos greitį ir pasiekti efektyvų bei greitą apdorojimą. Nesunku pasirinkti didelio šerdies skersmens lazerį. Sukels didelį atspindį, virtualų suvirinimą ir net sudegins lazerį;
Įtrūkimams jautrios medžiagos: nikelis, nikeliuotas varis, aliuminis, nerūdijantis plienas, titano lydinys ir kt.
(2) Šiai medžiagai paprastai reikia griežtai kontroliuoti karščio paveiktą zoną ir reikia nedidelio išlydyto baseino. Tikslingiau rinktis mažo skersmens lazerį;
Didelio greičio lazerinis apdorojimas:
(3) Giliai įsiskverbiam suvirinimui reikalingas didelės spartos lazerinis apdorojimas, todėl būtina pasirinkti didelio energijos tankio lazerį, kad būtų užtikrinta, jog linijos energijos pakaktų medžiagai išlydyti dideliu greičiu, ypač suvirinant juosmeniniu, skvarbiu ir kitos mažos šerdys, kurioms reikalingas didelis įsiskverbimo gylis. Labiau tinka radialiniai lazeriai.
Advantages and applications of large core lasers (>100 um):
Didelis šerdies skersmuo ir didelė dėmė, didelis šilumos aprėpties plotas, platus veikimo paviršius ir pasiekiamas tik medžiagos paviršiaus mikrolydymas, labai tinkamas lazeriniam apmušimui, perlydymui lazeriu, atkaitinimui lazeriu, grūdinimui lazeriu ir kt. plotuose, didelė dėmė reiškia didesnį našumą ir mažesnius defektus (šilumos laidumo litavimas beveik be defektų).
Kalbant apie suvirinimą, didelis taškas daugiausia naudojamas kompozitiniam suvirinimui, kuris naudojamas sumaišymui su mažo šerdies skersmens lazeriu: dėl didelės dėmės medžiagos paviršius šiek tiek išsilydo, virsdamas iš kieto į skystą, o tai labai pagerina absorbcijos greitį. medžiagos į lazerį, o tada naudoja mažą šerdį. Šiame procese dėl didelės dėmės išankstinio pakaitinimo, papildomo apdorojimo ir didelio išlydyto baseino temperatūros gradiento, medžiaga nėra linkusi įtrūkti. greitas kaitinimas ir greitas aušinimas. Tai gali padaryti suvirinimo siūlės išvaizdą sklandesnę ir tuo pačiu pasiekti mažesnį purslų kiekį nei naudojant vieną lazerinį tirpalą.
