Porovnanie efektu zvárania laserov s rôznym priemerom jadra

Laserové spracovanie kovových materiálov je založené najmä na tepelnom spracovaní fototermálneho efektu. Keď laser ožaruje povrch materiálu, nastanú rôzne zmeny v povrchovej ploche materiálu pri rôznych hustotách výkonu. Tieto zmeny zahŕňajú zvýšenie povrchovej teploty, topenie, odparovanie, tvorbu kľúčových dier a foto-indukovanú tvorbu plazmy. Okrem toho zmeny fyzikálneho stavu povrchovej plochy materiálu značne ovplyvňujú absorpciu lasera materiálom. Vo všeobecnosti platí, že čím vyššia je teplota, tým vyššia je rýchlosť absorpcie materiálu laserom. S nárastom hustoty výkonu a času pôsobenia budú kovové materiály prechádzať nasledujúcimi zmenami fyzikálnych stavov.

Jadrom laserového zvárania sú dva: prenos tepla a vedenie tepla. Prenos tepla súvisí so zdrojom tepla, hustotou výkonu a energiou vedenia. Vedenie tepla súvisí najmä s odvodom tepla a rýchlosťou prenosu tepla materiálu, čo patrí k vlastným vlastnostiam materiálu a vo všeobecnosti sa dá doladiť vodným chladením a prúdením ochranného plynu. V procese zvárania sa upravuje hlavne zdroj tepla, hustota výkonu a energia vedenia. Zahrnuté parametre procesu sú: priemer laserového jadra, výkon, rýchlosť, rozostrenie atď.

Existujú dva hlavné typy laserového zvárania podľa rýchlosti absorpcie zváracieho procesu. Jedným je tepelne vodivé zváranie (pomer hĺbky k šírke < 1, miera absorpcie červeného svetla laserom do 20 %, rôzne vlnové dĺžky majú rozdiely). Druhým je zváranie hlbokou penetráciou (pomer hĺbky k šírke > 1, miera absorpcie je väčšia ako miera absorpcie taveniny materiálu, viac ako 60%, hlavne absorpcia laserového viacnásobného odrazu v kľúčovej dierke).

Laserové zváranie tepelným vedením:

Rôzne ožiarenie lasera spôsobí rôzne zmeny v stave materiálu, čo sa prejavuje v procese zvárania ako dva typické režimy zvárania: laserové zváranie tepelnou vodivosťou a laserové zváranie s hlbokým prienikom. Proces prenosu tepla, mechanizmus tvorby zvaru, technologické charakteristiky a rozsah použitia sú veľmi odlišné.

Režim laserového tepelného zvárania:

Pri tepelne vodivom zváraní je ožiarenie laserom na povrchu obrobku v rozsahu 10E4~10E6W/cm. Laserová energia je absorbovaná tenkou vrstvou povrchovej vrstvy 10 ~ 100 m a laserová energia povrchovej vrstvy sa prenáša do vnútra materiálu tepelným vedením a lasera sa nemožno priamo dotknúť. Po určitej dobe laserového ožarovania sa povrch roztopí a táto izoterma topenia sa šíri hlboko do materiálu a povrchová teplota stále stúpa. Najvyššia však môže dosiahnuť iba bod varu materiálu a čím vyššia je teplota, materiál sa vyparí a vytvorí jamku. Stabilný tepelnovodivý proces zvárania sa poškodí, zvarový kúpeľ bude oscilovať a materiál sa spáli. Vo všeobecnosti sa tepelne vodivé zváranie používa väčšinou pri tenkých plechoch a túto situáciu je potrebné odstrániť. Relatívnym pohybom laserového lúča a obrobku sa vytvorí plytký a široký zvar, ako je znázornené na obrázku nižšie. Pomer hĺbky k šírke zvaru je malý a šírka zvaru je vo všeobecnosti viac ako 2-násobok hĺbky prieniku. Na nasledujúcom obrázku je znázornený profil typického laserového zvaru s tepelnou vodivosťou a tvar zvaru je približne polguľový.

laserové zváranie hlbokou penetráciou:

Keď je ožiarenie väčšie ako 10E7W/cm, povrch materiálu sa pôsobením lasera roztopí a vyparí a vytvorený tlak spätného rázu pár zasiahne roztavenú kaluž smerom nadol a vytvorí kľúčovú dierku. Svetelný lúč pôsobí priamo na spodok kľúčovej dierky, čím ďalej roztápa a odparuje kov. Z vnútra kľúčovej dierky sa nepretržite generuje vysokotlakový plyn, ktorý neustále vyteká smerom von, čím sa diera ďalej prehlbuje. Lúč ide tiež hlbšie a hlbšie a laserový zdroj tepla pôsobí aj vo vnútri materiálu, pričom prenáša teplo z vnútra kľúčovej dierky do materiálu, čím vytvára hlbšiu tepelne ovplyvnenú zónu. Kľúčová dierka je zároveň naplnená plazmou čiastočne ionizovanou vysokoteplotnými parami a nad výstupom z kľúčovej dierky sa vytvorí určitý rozsah plazmového oblaku.

Efekt kľúčovej dierky hrá dôležitú úlohu pri absorpcii lasera v procese laserového zvárania. Laserový lúč vstupujúci do kľúčovej dierky je takmer úplne absorbovaný prostredníctvom viacerých odrazov steny otvoru. Ako je znázornené na obrázku, ak je kľúčovou dierkou kužeľový povrch (s uhlom ∅), svetelný lúč dopadajúci pozdĺž osi kužeľa sa odráža priamo cez kužeľ smerom k spodnej časti kľúčovej dierky a odráža sa, čo odráža celkovú 180 stupňov /∅. Absorpcia ocele je asi 13% na odraz. Keď je nastavený stupeň P=10, celková nasiakavosť dosiahne 92 % pri 18 odrazoch, čo je výrazne lepšie v porovnaní s tepelnou vodivosťou 13 %. Rozdiel medzi tepelnou vodivosťou a hlbokým tavením je vo všeobecnosti podľa hĺbky metalurgického tavenia: šírka tavenia je väčšia ako 1, čo možno považovať za hĺbkové tavenie, pretože vzhľad kľúčových dier zlepšuje rýchlosť absorpcie. Táto jednoduchá metóda je vhodná na zváranie jedným laserom. Kompozit nie je vhodný pre tento úsudok, čo je vo všeobecnosti zváranie s hlbokým prienikom a stredový lúč má efekt kľúčovej dierky.

Po pochopení základnej hustoty výkonu, zvárania tepelnou vodivosťou, konceptov zvárania s hlbokým prienikom, potom hustoty výkonu rôznych priemerov jadra a metalografickej porovnávacej analýzy. Tento zvárací experiment sa vykonáva pre bežný priemer laserového jadra na trhu.

Z hľadiska hustoty výkonu platí, že pri rovnakom výkone platí, že čím menší je priemer jadra, čím vyšší je jas lasera, tým je energia koncentrovanejšia. Ak je laser v porovnaní s ostrým nožom, čím menší je priemer jadra lasera, tým je ostrejší. Hustota výkonu jadra s priemerom 14 um je viac ako 50-krát väčšia ako v prípade lasera s priemerom jadra 100 um a kapacita spracovania je silnejšia. Zároveň je tu vypočítaná hustota výkonu jednoducho priemerná hustota. Skutočná distribúcia energie je približne Gaussovská a centrálna energia bude niekoľkonásobkom priemernej hustoty výkonu.

Porovnanie lasera s rôznym priemerom jadra:

(1) Rýchlosť experimentu je 150 mm/s, poloha zaostrenia je zváraná, materiál je hliník série 1, hrúbka 2 mm.

(2) Čím väčší je priemer jadra, tým väčšia je šírka tavenia, tým väčšia je tepelne ovplyvnená zóna a tým menšia je hustota výkonu jednotky. Keď priemer jadra presahuje 200 um, nie je ľahké dosiahnuť hĺbkovú penetráciu na vysokoreverzných zliatinách, ako je hliník a meď, a na dosiahnutie hlbokého prevarenia je potrebný vyšší výkon.

(3) Laser s malým jadrom má vysokú hustotu výkonu, môže rýchlo preraziť kľúčové dierky na povrchu materiálu pri vysokej energii a tepelne ovplyvnená zóna je malá, ale zároveň je povrch zvaru drsný a pravdepodobnosť zrútenie kľúčovej dierky je pri nízkorýchlostnom zváraní vysoké. Cyklus zatvárania kľúčovej dierky zváracieho cyklu je dlhý a ľahko vytvára defekty, pórovitosť a iné defekty, čo je vhodné na vysokorýchlostné obrábanie alebo spracovanie s trajektóriou výkyvu.

(4) Veľký jadrový laser vďaka veľkému bodu a energia je viac rozptýlená, čo je vhodnejšie na pretavovanie laserového povrchu, plátovanie, žíhanie a iné procesy.

Výhody a aplikácie malojadrových laserov (< 100um)

(1) Vysoko inverzné materiály: hliník, meď, nehrdzavejúca oceľ, nikel, molybdén atď.
Vysoko inverzné materiály si musia zvoliť laser s malým priemerom jadra. Laserový lúč s vysokou hustotou výkonu sa používa na rýchle zahriatie materiálu do skvapalneného alebo odpareného stavu, zlepšenie rýchlosti absorpcie lasera materiálu a realizáciu efektívneho a rýchleho spracovania. Vyberte si laser s veľkým priemerom jadra, ktorý môže ľahko viesť k vysokej reakcii, čo vedie k virtuálnemu zváraniu a dokonca k horeniu lasera.

(2) Materiály citlivé na praskliny: nikel, poniklovaná meď, hliník, nehrdzavejúca oceľ, zliatina titánu atď.

Tento materiál vo všeobecnosti vyžaduje prísnu kontrolu tepelne ovplyvnenej zóny, potrebu malého roztaveného bazéna a vhodnejší je výber lasera s malým priemerom jadra.

(3) Vysokorýchlostné laserové spracovanie:

Zváranie s hlbokým prienikom vyžaduje vysokorýchlostné laserové spracovanie. Je potrebné zvoliť laser s vysokou hustotou energie, aby sa zabezpečilo, že energia čiary bude dostatočná na roztavenie materiálu vysokou rýchlosťou, najmä pre zváranie prekrývaním, penetračné zváranie a iné lasery s malým jadrom s vyššími požiadavkami na penetráciu.

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

Veľký priemer jadra, veľký svetelný bod, veľká plocha tepelného pokrytia, široký aplikačný povrch a to len na dosiahnutie mikrotavenia povrchu materiálu. Je veľmi vhodný na použitie pri laserovom plátovaní, laserovom pretavovaní, laserovom žíhaní, laserovom kalení atď. V týchto oblastiach znamenajú veľké škvrny vyššiu efektivitu výroby a nižšie defekty (tepelne vodivé zváranie nemá takmer žiadne defekty).

Pri zváraní sa veľký bod používa hlavne na zváranie kompozitov, ktoré sa používa pre kompozitný laser s malými priemermi jadra. Veľké svetelné škvrny spôsobia, že povrch materiálu sa mierne roztopí, z pevného na kvapalný, takže rýchlosť absorpcie materiálu laserom sa výrazne zlepší. Potom použite malý priemer jadra na prerazenie kľúčovej dierky a prerazenie hĺbky prieniku. V tomto procese, v dôsledku predhrievania a následného spracovania veľkých svetelných škvŕn a veľkého teplotného gradientu roztaveného kúpeľa, sa na materiáli nedajú ľahko objaviť trhliny spôsobené rýchlym ohrevom a rýchlym chladením a vzhľad zvaru je hladší. . Rozstrek je nižší ako pri riešení s jedným laserom.

Xi'an Guosheng Laser Technology Co., Ltd. je high-tech podnik špecializujúci sa na výskum a vývoj, výrobu a predaj automatického laserového plátovacieho stroja, vysokorýchlostného laserového plátovacieho stroja, laserového kaliaceho stroja, laserového zváracieho stroja a laserového 3D tlačového zariadenia. Naše výrobky sú nákladovo efektívne a predávajú sa doma iv zahraničí. Ak máte záujem o naše produkty, kontaktujte nás na adrese bob@gshenglaser.com.