Porovnání svařovacího účinku laserů s různým průměrem jádra

Laserové zpracování kovových materiálů je založeno především na tepelném zpracování fototermálního efektu. Když laser ozařuje povrch materiálu, nastanou různé různé změny v povrchové ploše materiálu při různých hustotách výkonu. Tyto změny zahrnují zvýšení povrchové teploty, tání, odpařování, tvorbu klíčových dírek a foto-indukovanou tvorbu plazmatu. Navíc změny ve fyzikálním stavu povrchové plochy materiálu značně ovlivňují absorpci laseru materiálem. Obecně platí, že čím vyšší je teplota, tím vyšší je rychlost absorpce materiálu laserem. S rostoucí hustotou výkonu a dobou působení budou kovové materiály podléhat následujícím změnám ve fyzikálních stavech.

Jádro laserového svařování je dvě: přenos tepla a vedení tepla. Přenos tepla souvisí se zdrojem tepla, hustotou výkonu a energií vedení. Vedení tepla souvisí především s odvodem tepla a rychlostí přenosu tepla materiálu, což patří k inherentním vlastnostem materiálu a lze jej obecně doladit vodním chlazením a prouděním ochranného plynu. V procesu svařování se upravuje hlavně zdroj tepla, hustota výkonu a energie vedení. Procesní parametry jsou: průměr laserového jádra, výkon, rychlost, rozostření a tak dále.

Existují dva hlavní typy laserového svařování podle rychlosti absorpce svařovacího procesu. Jedním z nich je tepelně vodivé svařování (poměr hloubky k šířce < 1, míra absorpce červeného světla laserem do 20 %, různé vlnové délky se liší). Druhým je svařování s hlubokým průvarem (poměr hloubky k šířce > 1, míra absorpce je větší než míra absorpce tavné lázně materiálu, více než 60 %, hlavně absorpce vícenásobného odrazu laseru v klíčové dírce).

Laserové tepelně vodivé svařování:

Různé ozáření laseru způsobí různé změny ve stavu materiálu, což se projevuje ve svařovacím procesu jako dva typické svařovací režimy: laserové svařování tepelnou vodivostí a laserové svařování s hlubokým průvarem. Proces přenosu tepla, mechanismus tvorby svaru, technologické vlastnosti a rozsah použití jsou velmi odlišné.

Režim laserového tepelného svařování:

Při tepelně vodivém svařování je záření laseru na povrchu obrobku v rozsahu 10E4~10E6W/cm. Laserová energie je absorbována tenkou vrstvou povrchové vrstvy 10 ~ 100 m a laserová energie povrchové vrstvy je přenášena do vnitřku materiálu tepelným vedením a laseru se nelze přímo dotknout. Po určité době laserového ozařování povrch dosáhne tání a tato izoterma tání se šíří hluboko do materiálu a povrchová teplota dále stoupá. Nejvyšší však může dosáhnout pouze bodu varu materiálu a čím vyšší je teplota, materiál se odpaří a vytvoří prohlubeň. Stabilní tepelně vodivý proces svařování bude poškozen, svarová lázeň bude oscilovat a materiál bude spálen. Obecně se tepelně vodivé svařování většinou používá u tenkých plechů a tuto situaci je třeba eliminovat. Při relativním pohybu laserového paprsku a obrobku se vytvoří mělký a široký svar, jak je znázorněno na obrázku níže. Poměr hloubky a šířky svaru je malý a šířka svaru je obecně více než dvojnásobek hloubky průvaru. Následující obrázek ukazuje profil typického laserového svaru s tepelnou vodivostí a tvar svaru je přibližně polokulový.

laserové svařování hlubokou penetrací:

Když je ozáření větší než 10E7W/cm, povrch materiálu se působením laseru taví a vypařuje a generovaný tlak zpětného rázu páry dopadá na roztavenou lázeň směrem dolů a vytváří klíčovou dírku. Světelný paprsek působí přímo na dno klíčové dírky, dále taví a odpařuje kov. Plyn pod vysokým tlakem je nepřetržitě generován zevnitř klíčové dírky a nepřetržitě vytéká směrem ven, čímž se díra dále prohlubuje. Paprsek jde také hlouběji a hlouběji a laserový zdroj tepla také působí uvnitř materiálu a přenáší teplo z vnitřku klíčové dírky do materiálu a vytváří tak hlubší tepelně ovlivněnou zónu. Klíčová dírka je přitom naplněna plazmatem částečně ionizovaným vysokoteplotními parami a nad výstupem klíčové dírky se vytváří určitý rozsah plazmového oblaku.

Efekt klíčové dírky hraje důležitou roli při absorpci laseru v procesu laserového svařování. Laserový paprsek vstupující do klíčové dírky je téměř úplně absorbován vícenásobnými odrazy stěny díry. Jak je znázorněno na obrázku, pokud je klíčová dírka kuželovým povrchem (s úhlem ∅), světelný paprsek dopadající podél osy kužele se odráží přímo přes kužel směrem ke dnu klíčové dírky a odráží se, což odráží celkovou 180 stupňů /∅. Absorpce oceli je asi 13 % na odraz. Při nastavení stupně P=10 dosáhne celková absorpce 92 % při 18 odrazech, což je výrazně lepší ve srovnání s tepelnou vodivostí 13 %. Rozdíl mezi tepelnou vodivostí a hlubokým tavením je obecně podle hloubky metalurgického tavení: šířka tavení je větší než 1, což lze považovat za hlubinné tavení, protože vzhled klíčových dírek zlepšuje rychlost absorpce. Tato jednoduchá metoda je vhodná pro svařování jedním laserem. Kompozit není pro toto posouzení vhodný, což je obecně svařování s hlubokým průvarem a středový paprsek má efekt klíčové dírky.

Po pochopení základní hustoty výkonu, svařování tepelnou vodivostí, konceptů svařování s hlubokým průvarem, pak hustoty výkonu různých průměrů jádra a metalografické srovnávací analýzy. Tento svařovací experiment se provádí pro běžný průměr laserového jádra na trhu.

Z hlediska hustoty výkonu platí, že při stejném výkonu platí, že čím jemnější průměr jádra, tím vyšší je jas laseru, tím koncentrovanější je energie. Pokud je laser srovnáván s ostrým nožem, čím menší je průměr jádra laseru, tím ostřejší. Hustota výkonu jádra o průměru 14 um je více než 50krát větší než u laseru o průměru jádra 100 um a kapacita zpracování je silnější. Současně je zde vypočtená hustota výkonu jednoduše průměrná hustota. Skutečná distribuce energie je přibližně Gaussovská a centrální energie bude několikanásobně převyšovat průměrnou hustotu výkonu.

Porovnání laseru s různým průměrem jádra:

(1) Rychlost experimentu je 150 mm/s, poloha ohniska je svařena, materiál je hliník série 1, tloušťka 2 mm.

(2) Čím větší je průměr jádra, tím větší je šířka tavení, tím větší je tepelně ovlivněná zóna a tím menší je hustota výkonu jednotky. Když průměr jádra překročí 200 um, není snadné hrát hlubokou penetraci na vysoce reverzní slitiny, jako je hliník a měď, a pro dosažení hlubokého penetračního svařování je vyžadován vyšší výkon.

(3) Laser s malým jádrem má vysokou hustotu výkonu, může rychle prorazit klíčové dírky na povrchu materiálu při vysoké energii a tepelně ovlivněná zóna je malá, ale zároveň je povrch svaru drsný a pravděpodobnost zhroucení klíčové dírky je vysoké při nízkorychlostním svařování. Cyklus zavírání klíčové dírky svařovacího cyklu je dlouhý a snadno vytváří defekty, poréznost a jiné defekty, což je vhodné pro vysokorychlostní obrábění nebo zpracování s trajektorií výkyvu.

(4) Laser s velkým jádrem díky velkému bodu a energie je více rozptýlená, což je vhodnější pro laserové povrchové přetavování, plátování, žíhání a další procesy.

Výhody a aplikace malojádrového laseru (< 100um)

(1) Vysoce inverzní materiály: hliník, měď, nerezová ocel, nikl, molybden atd.
Vysoce inverzní materiály musí volit laser s malým průměrem jádra. Laserový paprsek s vysokou hustotou výkonu se používá k rychlému zahřátí materiálu do zkapalněného nebo odpařeného stavu, ke zlepšení rychlosti absorpce laseru materiálu ak realizaci efektivního a rychlého zpracování. Vyberte si laser s velkým průměrem jádra, který může snadno vést k vysoké reakci, což má za následek virtuální svařování a rovnoměrné spálení laseru.

(2) Materiály citlivé na praskliny: nikl, poniklovaná měď, hliník, nerezová ocel, slitina titanu atd.

Tento materiál obecně vyžaduje přísnou kontrolu tepelně ovlivněné zóny, potřebu malé roztavené lázně a vhodnější je volba laseru s malým průměrem jádra.

(3) Vysokorychlostní laserové zpracování:

Hluboké penetrační svařování vyžaduje vysokorychlostní laserové zpracování. Je nutné zvolit laser s vysokou hustotou energie, aby bylo zajištěno, že energie čáry postačuje k roztavení materiálu vysokou rychlostí, zejména pro svařování překrytím, penetrační svařování a další lasery s malým jádrem s vyššími požadavky na penetraci.

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

Velký průměr jádra, velký světelný bod, velká plocha tepelného pokrytí, široký aplikační povrch a pouze k dosažení mikrotavení povrchu materiálu. Je velmi vhodný pro použití v laserovém plátování, laserovém přetavování, laserovém žíhání, laserovém kalení a tak dále. V těchto oblastech znamenají velké skvrny vyšší efektivitu výroby a nižší vady (tepelně vodivé svařování nemá téměř žádné vady).

Při svařování se velký bod používá hlavně pro kompozitní svařování, které se používá pro kompozitní laser s malými průměry jádra. Velké světelné skvrny způsobí, že se povrch materiálu mírně roztaví, z pevného na kapalný, takže rychlost absorpce materiálu laserem se výrazně zlepší. Poté použijte malý průměr jádra k proražení klíčové dírky a proražení hloubky průniku. V tomto procesu, díky předehřátí a následnému zpracování velkých světelných bodů a velkému teplotnímu gradientu roztavené lázně, se na materiálu nesnadno objevují trhliny způsobené rychlým ohřevem a rychlým ochlazením a vzhled svaru je hladší . Rozstřik je nižší než u řešení s jedním laserem.

Xi'an Guosheng Laser Technology Co., Ltd. je high-tech podnik specializující se na výzkum a vývoj, výrobu a prodej automatického laserového plátovacího stroje, vysokorychlostního laserového plátovacího stroje, laserového kalícího stroje, laserového svářecího stroje a laserového 3D tiskového zařízení. Naše produkty jsou nákladově efektivní a prodávají se doma i v zahraničí. Máte-li zájem o naše produkty, kontaktujte nás na adrese bob@gshenglaser.com.