Лазерне зварюванняможна досягти за допомогою безперервних або імпульсних лазерних променів. Принципилазерне зварюванняможна розділити на теплопровідне зварювання та лазерне зварювання глибоким проплавленням. Коли щільність потужності менше 104~105 Вт/см2, це теплопровідне зварювання. У цей час глибина проплавлення невелика, а швидкість зварювання повільна; коли щільність потужності перевищує 105~107 Вт/см2, металева поверхня увігнута в «отвори» через тепло, утворюючи зварювання глибокого провару, яке має характеристики високої швидкості зварювання та великого співвідношення сторін. Принцип теплопровідностілазерне зварюванняполягає в тому, що лазерне випромінювання нагріває поверхню, яка підлягає обробці, і поверхневе тепло розсіюється всередину через теплопровідність. Контролюючи такі параметри лазера, як ширина лазерного імпульсу, енергія, пікова потужність і частота повторення, заготовка розплавляється з утворенням спеціальної ванни розплаву.
Лазерне зварювання глибоким проплавленням зазвичай використовує безперервний лазерний промінь для повного з’єднання матеріалів. Його металургійний фізичний процес дуже схожий на процес електронно-променевого зварювання, тобто механізм перетворення енергії завершується через структуру «замкової щілини».
Під дією лазерного випромінювання з досить високою щільністю потужності матеріал випаровується і утворюються маленькі дірки. Цей маленький отвір, заповнений парою, схожий на чорне тіло, яке поглинає майже всю енергію падаючого променя. Рівноважна температура в отворі досягає близько 2500°C. Тепло передається від зовнішньої стінки високотемпературного отвору, спричиняючи плавлення металу, що оточує отвір. Невеликий отвір заповнюється високотемпературною парою, що утворюється в результаті безперервного випаровування матеріалу стінки під дією променя. Стінки отвору оточені розплавленим металом, а рідкий метал оточений твердими матеріалами (у більшості звичайних процесів зварювання та лазерного зварювання енергія спочатку осідає на поверхні заготовки, а потім транспортується всередину шляхом передачі ). Потік рідини поза стінкою отвору та поверхневий натяг шару стінки знаходяться в фазі з постійно створюваним тиском пари в порожнині отвору та підтримують динамічний баланс. Світловий промінь безперервно потрапляє в маленький отвір, а матеріал поза малим отвором безперервно тече. Коли світловий промінь рухається, маленький отвір завжди знаходиться в стабільному стані потоку.
Тобто маленький отвір і розплавлений метал, що оточує стінку отвору, рухаються вперед зі швидкістю пілотного променя. Розплавлений метал заповнює щілину, що залишилася після видалення невеликого отвору, і відповідно конденсується, і утворюється зварний шов. Усе це відбувається настільки швидко, що швидкість зварювання легко досягає кількох метрів за хвилину.
Після розуміння основних понять щільності потужності, зварювання теплопровідністю та зварювання глибоким проплавленням ми проведемо порівняльний аналіз щільності потужності та металографічних фаз різних діаметрів сердечника.
Порівняння експериментів зі зварювання на основі поширених на ринку діаметрів лазерних сердечників:
Щільність потужності положення фокальної плями лазерів з різним діаметром сердечника
З точки зору щільності потужності, за однакової потужності, чим менший діаметр сердечника, тим вища яскравість лазера та концентрованіша енергія. Якщо лазер порівнювати з гострим ножем, то чим менший діаметр сердечника, тим гостріший лазер. Щільність потужності лазера з діаметром сердечника 14 мкм більш ніж у 50 разів перевищує щільність потужності лазера з діаметром сердечника 100 мкм, а здатність обробки є сильнішою. У той же час розрахована тут щільність потужності є просто середньою щільністю. Фактичний розподіл енергії є наближеним розподілом Гаусса, а центральна енергія в декілька разів перевищуватиме середню щільність потужності.
Принципова схема розподілу енергії лазера з різними діаметрами сердечника
Колір діаграми розподілу енергії — розподіл енергії. Чим червоніший колір, тим вища енергія. Червона енергія - це місце, де зосереджена енергія. Завдяки розподілу лазерної енергії лазерних променів з різними діаметрами серцевини можна побачити, що фронт лазерного променя не різкий, а лазерний промінь різкий. Чим менше, тим більше концентрується енергія в одній точці, тим вона гостріша і тим сильніша її проникаюча здатність.
Порівняння зварювальних ефектів лазерів з різними діаметрами сердечників
Порівняння лазерів з різними діаметрами сердечників:
(1) В експерименті використовується швидкість 150 мм/с, зварювання у фокусному положенні, а матеріалом є алюміній серії 1 товщиною 2 мм;
(2) Чим більший діаметр ядра, тим більша ширина плавлення, тим більша зона термічного впливу та менша одинична щільність потужності. Коли діаметр серцевини перевищує 200 мкм, нелегко досягти глибини проплавлення високореакційних сплавів, таких як алюміній і мідь, а зварювання з більшим глибоким проплавленням може бути досягнуто лише за допомогою високої потужності;
(3) Лазери з малим сердечником мають високу щільність потужності та можуть швидко пробивати замкові щілини на поверхні матеріалів із високою енергією та невеликими зонами теплового впливу. Однак, в той же час, поверхня зварного шва є шорсткою, і ймовірність обвалення замкової щілини висока під час зварювання на низькій швидкості, а замкова щілина закрита під час циклу зварювання. Цикл довгий, і часто виникають такі дефекти, як дефекти та пори. Підходить для високошвидкісної обробки або обробки з поворотною траєкторією;
(4) Лазери з великим діаметром сердечника мають більші світлові плями та більше розсіяної енергії, що робить їх більш придатними для лазерного переплавлення поверхні, плакування, відпалу та інших процесів.
Час публікації: 06 жовтня 2023 р
