Porównanie efektów spawania laserami o różnych średnicach rdzenia

Spawanie laserowemożna osiągnąć za pomocą ciągłej lub impulsowej wiązki laserowej. Zasadyspawanie laseroweSpawanie można podzielić na spawanie z przewodzeniem ciepła i spawanie laserowe z głębokim wtopieniem. Gdy gęstość mocy jest mniejsza niż 104–105 W/cm², mówimy o spawaniu z przewodzeniem ciepła. W tym przypadku głębokość wtopienia jest niewielka, a prędkość spawania niska; gdy gęstość mocy jest większa niż 105–107 W/cm², powierzchnia metalu ulega wklęsłości w „otwory” pod wpływem ciepła, tworząc spawanie z głębokim wtopieniem, które charakteryzuje się dużą prędkością spawania i dużym współczynnikiem kształtu. Zasada przewodzenia ciepłaspawanie laserowePolega ona na tym, że promieniowanie laserowe nagrzewa obrabianą powierzchnię, a ciepło z powierzchni przenika do wnętrza poprzez przewodnictwo cieplne. Kontrolując parametry lasera, takie jak szerokość impulsu, energia, moc szczytowa i częstotliwość powtarzania, obrabiany przedmiot jest topiony, tworząc określone jeziorko stopu.

Spawanie laserowe z głębokim wtopieniem zazwyczaj wykorzystuje ciągłą wiązkę lasera do łączenia materiałów. Proces metalurgiczny tego procesu jest bardzo podobny do procesu spawania wiązką elektronów, co oznacza, że ​​mechanizm konwersji energii odbywa się poprzez strukturę „dziurki od klucza”.

Pod wpływem promieniowania laserowego o odpowiednio wysokiej gęstości mocy materiał paruje i powstają małe otwory. Ten mały otwór wypełniony parą działa jak ciało doskonale czarne, pochłaniając niemal całą energię padającej wiązki. Temperatura równowagi w otworze osiąga około 2500°C.°C. Ciepło jest przenoszone z zewnętrznej ścianki otworu wysokotemperaturowego, powodując stopienie metalu otaczającego otwór. Mały otwór jest wypełniony parą o wysokiej temperaturze wytwarzaną przez ciągłe odparowywanie materiału ścianki pod wpływem promieniowania wiązki. Ścianki małego otworu są otoczone stopionym metalem, a ciekły metal jest otoczony materiałami stałymi (w większości konwencjonalnych procesów spawania i spawania laserowego z przewodzeniem energia najpierw osadza się na powierzchni przedmiotu obrabianego, a następnie jest transportowana do wnętrza poprzez transfer). Przepływ cieczy poza ścianką otworu i napięcie powierzchniowe warstwy ścianki są w fazie z ciągle generowanym ciśnieniem pary w komorze otworu i utrzymują równowagę dynamiczną. Wiązka światła ciągle wchodzi do małego otworu, a materiał na zewnątrz małego otworu ciągle płynie. Gdy wiązka światła się porusza, mały otwór jest zawsze w stabilnym stanie przepływu.

Oznacza to, że mały otwór i roztopiony metal otaczający jego ściankę poruszają się do przodu z prędkością belki pilotującej. Roztopiony metal wypełnia lukę powstałą po usunięciu małego otworu i odpowiednio się skrapla, tworząc spoinę. Wszystko to dzieje się tak szybko, że prędkość spawania może z łatwością sięgać kilku metrów na minutę.

Po zapoznaniu się z podstawowymi koncepcjami gęstości mocy, spawania z przewodnością cieplną oraz spawania z głęboką penetracją przeprowadzimy analizę porównawczą gęstości mocy i faz metalograficznych rdzeni o różnych średnicach.

Porównanie eksperymentów spawalniczych dla powszechnie dostępnych na rynku średnic rdzeni laserowych:

Gęstość mocy położenia ogniska laserów o różnych średnicach rdzenia

Z perspektywy gęstości mocy, przy tej samej mocy, im mniejsza średnica rdzenia, tym większa jasność lasera i bardziej skoncentrowana energia. Jeśli porównać laser do ostrego noża, im mniejsza średnica rdzenia, tym ostrzejszy laser. Gęstość mocy lasera o średnicy rdzenia 14 µm jest ponad 50 razy większa niż lasera o średnicy rdzenia 100 µm, a możliwości przetwarzania są większe. Jednocześnie obliczona tutaj gęstość mocy jest po prostu prostą gęstością średnią. Rzeczywisty rozkład energii jest przybliżonym rozkładem Gaussa, a energia centralna będzie wielokrotnością średniej gęstości mocy.

Schematyczny diagram rozkładu energii lasera przy różnych średnicach rdzenia

Kolor diagramu rozkładu energii odzwierciedla rozkład energii. Im bardziej czerwony, tym wyższa energia. Czerwony kolor oznacza miejsce, w którym energia jest skoncentrowana. Analizując rozkład energii laserowej wiązek laserowych o różnych średnicach rdzenia, można zauważyć, że czoło wiązki laserowej nie jest ostre, a sama wiązka jest ostra. Im mniejsza średnica, 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, pozycję skupienia, a materiałem jest aluminium serii 1 o grubości 2 mm;

(2) Im większa średnica rdzenia, tym większa szerokość topienia, większa strefa wpływu ciepła i mniejsza gęstość mocy jednostkowej. Gdy średnica rdzenia przekracza 200 μm, trudno jest osiągnąć głębokość penetracji w stopach o wysokiej reakcji, takich jak aluminium i miedź, a spawanie z głęboką penetracją można uzyskać tylko przy dużej mocy.

(3) Lasery o małym rdzeniu charakteryzują się wysoką gęstością mocy i mogą szybko wycinać dziurki w powierzchni materiałów o wysokiej energii i małych strefach wpływu ciepła. Jednocześnie jednak powierzchnia spoiny jest szorstka, a prawdopodobieństwo zapadnięcia się dziurki jest wysokie podczas spawania z niską prędkością, a dziurka jest zamykana w trakcie cyklu spawania. Cykl jest długi, a wady, takie jak defekty i pory, są podatne na występowanie. Nadaje się do obróbki z dużą prędkością lub obróbki z trajektorią wahadłową;

(4) Lasery o dużej średnicy rdzenia mają większe plamki świetlne i bardziej rozproszoną energię, co sprawia, że ​​lepiej nadają się do laserowego przetapiania powierzchni, napawania, wyżarzania i innych procesów.