Spawanie laserowemożna osiągnąć za pomocą ciągłych lub impulsowych wiązek laserowych. Zasadyspawanie laserowemożna podzielić na spawanie z przewodzeniem ciepła i spawanie laserowe z głęboką penetracją. Gdy gęstość mocy jest mniejsza niż 104 ~ 105 W/cm2, mamy do czynienia ze spawaniem z przewodzeniem ciepła. W tym czasie głębokość penetracji jest płytka, a prędkość spawania jest niska; gdy gęstość mocy jest większa niż 105 ~ 107 W/cm2, powierzchnia metalu wklęsła w „dziury” pod wpływem ciepła, tworząc spawanie z głęboką penetracją, które charakteryzuje się dużą szybkością spawania i dużym współczynnikiem kształtu. Zasada przewodzenia ciepłaspawanie laserowepolega na tym, że promieniowanie laserowe nagrzewa obrabianą powierzchnię, a ciepło powierzchniowe przenika do wnętrza poprzez przewodzenie ciepła. Kontrolując parametry lasera, takie jak szerokość impulsu laserowego, energia, moc szczytowa i częstotliwość powtarzania, przedmiot obrabiany jest topiony, tworząc określone jeziorko stopionego materiału.
Spawanie laserowe z głęboką penetracją zazwyczaj wykorzystuje ciągłą wiązkę lasera do zakończenia łączenia materiałów. Jego metalurgiczny proces fizyczny jest bardzo podobny do procesu spawania wiązką elektronów, co oznacza, że mechanizm konwersji energii realizowany jest poprzez strukturę „dziurki od klucza”.
Pod wpływem naświetlania laserem o odpowiednio dużej gęstości mocy materiał odparowuje i tworzą się małe dziury. Ta mała dziura wypełniona parą przypomina ciało czarne, pochłaniając prawie całą energię padającej wiązki. Temperatura równowagi w otworze osiąga około 2500°C. Ciepło jest przenoszone z zewnętrznej ściany otworu o wysokiej temperaturze, powodując stopienie metalu otaczającego otwór. Mały otwór wypełniony jest parą o wysokiej temperaturze, powstającą w wyniku ciągłego odparowania materiału ściany pod wpływem napromieniowania wiązki. Ściany małego otworu otoczone są roztopionym metalem, a ciekły metal otoczonym materiałami stałymi (w większości konwencjonalnych procesów spawania i spawania z przewodnictwem laserowym energia najpierw osadza się na powierzchni przedmiotu obrabianego, a następnie transportowana jest do wnętrza poprzez transfer ). Przepływ cieczy na zewnątrz ściany otworu i napięcie powierzchniowe warstwy ścianki są w fazie ze stale generowanym ciśnieniem pary we wnęce otworu i utrzymują równowagę dynamiczną. Wiązka światła w sposób ciągły wchodzi do małego otworu, a materiał na zewnątrz małego otworu stale przepływa. Gdy wiązka światła się porusza, mały otwór znajduje się zawsze w stabilnym stanie przepływu.
Oznacza to, że mały otwór i roztopiony metal otaczający ściankę otworu poruszają się do przodu z prędkością wiązki pilotującej. Roztopiony metal wypełnia szczelinę pozostałą po usunięciu małego otworu i odpowiednio się skrapla, w wyniku czego powstaje spoina. Wszystko to dzieje się tak szybko, że prędkość spawania może z łatwością osiągnąć kilka metrów na minutę.
Po zrozumieniu podstawowych pojęć dotyczących gęstości mocy, spawania z przewodnością cieplną i spawania z głęboką penetracją, następnie przeprowadzimy analizę porównawczą gęstości mocy i faz metalograficznych różnych średnic rdzenia.
Porównanie eksperymentów spawalniczych w oparciu o popularne na rynku średnice rdzeni laserowych:
Gęstość mocy położenia plamki ogniskowej laserów o różnych średnicach rdzenia
Z punktu widzenia gęstości mocy, przy tej samej mocy, im mniejsza średnica rdzenia, tym większa jasność lasera i bardziej skoncentrowana energia. Jeśli porównamy laser do ostrego noża, im mniejsza średnica rdzenia, tym ostrzejszy laser. Gęstość mocy lasera o średnicy rdzenia 14um jest ponad 50 razy większa niż w przypadku lasera o średnicy rdzenia 100um, a możliwości przetwarzania są większe. Jednocześnie obliczona tutaj gęstość mocy jest po prostu prostą średnią gęstością. Rzeczywisty rozkład energii jest przybliżonym rozkładem Gaussa, a energia centralna będzie kilkakrotnie większa od średniej gęstości mocy.
Schematyczny diagram rozkładu energii lasera dla różnych średnic rdzenia
Kolor diagramu dystrybucji energii to rozkład energii. Im bardziej czerwony kolor, tym wyższa energia. Czerwona energia jest miejscem, w którym energia się koncentruje. Poprzez rozkład energii lasera wiązek laserowych o różnych średnicach rdzenia można zauważyć, że czoło wiązki laserowej nie jest ostre, a wiązka laserowa jest ostra. Im mniejsza, tym bardziej skoncentrowana jest energia w jednym punkcie, tym jest ostrzejsza i tym silniejsza jest jej zdolność penetracji.
Porównanie efektów spawania laserami o różnych średnicach rdzenia
Porównanie laserów o różnych średnicach rdzenia:
(1) W eksperymencie zastosowano spawanie z prędkością 150 mm/s w pozycji skupienia, a materiałem jest aluminium serii 1 o grubości 2 mm;
(2) Im większa średnica rdzenia, tym większa szerokość topienia, tym większa strefa wpływu ciepła i mniejsza jednostkowa gęstość mocy. Gdy średnica rdzenia przekracza 200um, nie jest łatwo osiągnąć głębokość wtopienia w stopach wysokoreaktywnych, takich jak aluminium i miedź, a większą głęboką penetrację można osiągnąć tylko przy dużej mocy;
(3) Lasery drobnordzeniowe mają dużą gęstość mocy i mogą szybko dziurkować dziurki od klucza na powierzchni materiałów o dużej energii i małych strefach wpływu ciepła. Jednak jednocześnie powierzchnia spoiny jest szorstka, a prawdopodobieństwo zapadnięcia się dziurki od klucza jest wysokie podczas spawania z małą prędkością, a dziurka od klucza jest zamknięta podczas cyklu spawania. Cykl jest długi i często pojawiają się defekty w postaci ubytków i porów. Nadaje się do szybkiego przetwarzania lub przetwarzania z trajektorią wahadłową;
(4) Lasery o dużej średnicy rdzenia mają większe plamki świetlne i bardziej rozproszoną energię, co czyni je bardziej odpowiednimi do laserowego przetapiania powierzchni, napawania, wyżarzania i innych procesów.
Czas publikacji: 06 października 2023 r
