Порівняння зварювальних ефектів лазерів з різним діаметром осердя

Лазерне зварюванняможна досягти за допомогою безперервних або імпульсних лазерних променів. Принципилазерне зварюванняможна розділити на теплопровідне зварювання та лазерне зварювання глибокого проникнення. Коли щільність потужності менше 104~105 Вт/см2, це зварювання теплопровідністю. У цьому випадку глибина проникнення невелика, а швидкість зварювання низька; коли щільність потужності більше 105~107 Вт/см2, поверхня металу ввігнута у «отвори» через нагрівання, утворюючи зварювання глибокого проникнення, яке має характеристики високої швидкості зварювання та великого співвідношення сторін. Принцип теплопровідностілазерне зварюванняполягає в наступному: лазерне випромінювання нагріває поверхню, що обробляється, а поверхневе тепло дифундує всередину завдяки теплопровідності. Контролюючи параметри лазера, такі як ширина лазерного імпульсу, енергія, пікова потужність та частота повторення, заготовка плавиться, утворюючи специфічну розплавлену ванну.

Лазерне зварювання глибоким проникненням зазвичай використовує безперервний лазерний промінь для завершення з'єднання матеріалів. Його металургійно-фізичний процес дуже схожий на електронно-променеве зварювання, тобто механізм перетворення енергії здійснюється через структуру «замкової щілини».

Під впливом лазерного випромінювання з достатньо високою щільністю потужності матеріал випаровується і утворюються маленькі отвори. Цей маленький отвір, заповнений парою, подібний до чорного тіла, поглинаючи майже всю енергію падаючого променя. Рівноважна температура в отворі досягає приблизно 2500°F (2500°F).°C. Тепло передається від зовнішньої стінки високотемпературного отвору, що призводить до плавлення металу навколо отвору. Маленький отвір заповнюється високотемпературною парою, що утворюється внаслідок безперервного випаровування матеріалу стінки під впливом променя. Стінки малого отвору оточені розплавленим металом, а рідкий метал — твердими матеріалами (у більшості звичайних процесів зварювання та лазерного зварювання кондуктивністю енергія спочатку осідає на поверхні заготовки, а потім переноситься всередину шляхом перенесення). Потік рідини зовні стінки отвору та поверхневий натяг шару стінки знаходяться в фазі з безперервно генерованим тиском пари в порожнині отвору та підтримують динамічний баланс. Світловий промінь безперервно потрапляє в малий отвір, і матеріал зовні малого отвору безперервно тече. Коли світловий промінь рухається, малий отвір завжди перебуває в стабільному стані потоку.

Тобто, маленький отвір і розплавлений метал, що оточує стінку отвору, рухаються вперед зі швидкістю руху пілотного променя. Розплавлений метал заповнює зазор, що залишається після видалення маленького отвору, і відповідно конденсується, утворюючи зварний шов. Все це відбувається так швидко, що швидкість зварювання може легко досягати кількох метрів за хвилину.

Після розуміння основних понять густини потужності, зварювання теплопровідністю та зварювання глибоким проплавленням, ми далі проведемо порівняльний аналіз густини потужності та металографічних фаз різних діаметрів осердя.

Порівняння зварювальних експериментів на основі поширених діаметрів лазерного осердя, що є на ринку:

Щільність потужності положення фокальної плями лазерів з різним діаметром серцевини

З точки зору густини потужності, за однакової потужності, чим менший діаметр серцевини, тим вища яскравість лазера та тим концентрованіша енергія. Якщо порівняти лазер з гострим ножем, то чим менший діаметр серцевини, тим гостріший лазер. Густина потужності лазера з діаметром серцевини 14 мкм більша ніж у 50 разів, ніж у лазера з діаметром серцевини 100 мкм, а обчислювальна здатність випромінювання вища. Водночас, розрахована тут густина потужності є простою середньою густиною. Фактичний розподіл енергії є приблизним гауссовим розподілом, а центральна енергія буде в кілька разів більшою за середню густину потужності.

Принципова діаграма розподілу лазерної енергії з різними діаметрами осердя

Колір на діаграмі розподілу енергії відображає розподіл енергії. Чим червоніший колір, тим вища енергія. Червоний колір позначає місце, де зосереджена енергія. Через розподіл лазерної енергії лазерних променів з різним діаметром серцевини видно, що фронт лазерного променя не є різким, а сам лазерний промінь є різким. Чим менший, тим більше енергія сконцентрована в одній точці, тим вона гостріша і тим сильніша її проникаюча здатність.

Порівняння зварювальних ефектів лазерів з різним діаметром осердя

Порівняння лазерів з різним діаметром осердя:

(1) В експерименті використовується швидкість 150 мм/с, зварювання у фокусному положенні, а матеріал - алюміній 1 серії, товщиною 2 мм;

(2) Чим більший діаметр осердя, тим більша ширина плавлення, тим більша зона термічного впливу та тим менша питома потужність одиниці зварювання. Коли діаметр осердя перевищує 200 мкм, важко досягти глибини проникнення у високореактивні сплави, такі як алюміній та мідь, і зварювання з більшим глибоким проникненням може бути досягнуто лише за високої потужності;

(3) Лазери з малим сердечником мають високу щільність потужності та можуть швидко пробивати замкові отвори на поверхні матеріалів з високою енергією та невеликими зонами термічного впливу. Однак, водночас, поверхня зварного шва шорстка, і ймовірність руйнування замкової щілини висока під час низькошвидкісного зварювання, а замкова щілина закривається під час циклу зварювання. Цикл довгий, і схильні до виникнення дефектів, таких як дефекти та пори. Він підходить для високошвидкісної обробки або обробки з траєкторією коливання;

(4) Лазери з великим діаметром серцевини мають більші світлові плями та більш розсіяну енергію, що робить їх більш придатними для лазерного переплавлення поверхні, плакування, відпалу та інших процесів.