Különböző magátmérőjű lézerek hegesztési hatásainak összehasonlítása
A fémanyagok lézeres feldolgozása elsősorban a fototermikus hatáson alapuló hőkezelés. Amikor a lézer besugározza az anyag felületét, az anyag felülete különféle változásokon megy keresztül különböző teljesítménysűrűségek mellett. Ezek a változások közé tartozik a megnövekedett felületi hőmérséklet, az olvadás, a párologtatás, a kulcslyuk képződése és a fotoplazmaképződés. Ezenkívül az anyag felületi régiójának fizikai állapotának változása nagyban befolyásolja az anyag lézerfény elnyelését. Általánosságban elmondható, hogy minél magasabb a hőmérséklet, annál nagyobb az anyag lézerfény elnyelési sebessége. A teljesítménysűrűség és a hatásidő növekedésével a fémanyag a következő fizikai állapotváltozásokon megy keresztül, amint az az 1. ábrán látható [1].
A lézerhegesztésnek két magja van: hőátadás és hővezetés. A hőátadás a hőforráshoz, a teljesítménysűrűséghez és a vezetékenergiához kapcsolódik; Légáramlás a finomhangoláshoz. A hegesztési folyamat során elsősorban a hőforrást, a teljesítménysűrűséget és a vezetékenergiát állítják be. Az érintett folyamatparaméterek a következők: a lézermag átmérőjének, teljesítményének, sebességének és defókuszáltságának kiválasztása. Tekintettel arra, hogy ez a cikk elsősorban a különböző magátmérőjű lézerekre összpontosít, és főként különböző teljesítménysűrűséggel foglalkozik, a 2. ábra a teljesítménysűrűség egyszerű számítási képletét mutatja:
A lézeres hegesztésnek két fő típusa van a hegesztési folyamat abszorpciós sebessége szerint, az egyik a hővezető hegesztés (mélység-szélesség arány<1, laser absorption rate of red light is within 20%, and different wavelengths are different), and the other is deep penetration welding (Aspect ratio > 1, the absorption rate is greater than the absorption rate of the molten pool of the material, more than 60%, mainly due to the multiple reflection and absorption of the laser in the keyhole).
Lézeres hővezető hegesztés:
A különböző lézersugárzás különböző változásokat okoz az anyag állapotában, ami a hegesztési folyamatban két tipikus hegesztési módként jelenik meg: lézeres hővezető hegesztés és lézeres mélybehatolásos hegesztés. A kettő hőátadási folyamata, hegesztési varratképzési mechanizmusa, folyamatjellemzői és alkalmazási köre nagyon eltérő.
Lézeres hővezető hegesztési mód:
A hővezető hegesztés során a munkadarab felületére besugárzott lézersugárzás 10E4-10E6W/cm tartományba esik, és a lézerenergiát a felületen lévő vékony, 10-100 m-es réteg nyeli el. A felületen lévő lézerenergiát hővezetéssel továbbítják az anyag belsejébe, és a lézert nem lehet közvetlenül megérinteni. A lézeres besugárzás bizonyos időtartama után a felület eléri az olvadást, és ez az olvadási izoterma mélyen az anyagba terjed, és a felület hőmérséklete tovább emelkedik. De a legmagasabb csak az anyag forráspontját érheti el, függetlenül attól, hogy milyen magas a hőmérséklet, az anyag elpárolog és gödrök keletkeznek, a stabil hővezető hegesztési folyamat megsemmisül, az olvadt medence oszcillál, és az anyag égett. A hővezető hegesztést általában vékony lemezeknél alkalmazzák. Ebben az esetben véget kell vetni ennek. A lézersugár és a munkadarab egymáshoz viszonyított elmozdulásával sekély és széles varrat jön létre, amint az a 3. ábrán látható. A hegesztési varrat mélység-szélesség aránya kicsi, a hegesztési varrat szélessége általában több mint kétszerese a behatolási mélységnek. Az alábbi ábra egy tipikus lézeres hővezetéses hegesztési varrat keresztmetszeti megjelenését mutatja, a hegesztési varrat alakja megközelítőleg félgömb alakú.
Különböző mag átmérőjű lézerek összehasonlítása:
(1) A kísérlet sebessége 150 mm/s, a fókuszpozíció hegesztett, anyaga 1 sorozatú alumínium, vastagsága 2 mm;
(2) Minél nagyobb a mag átmérője, annál nagyobb a fúziós szélesség, annál nagyobb a hőhatás zóna, és annál kisebb az egységnyi teljesítménysűrűség. Ha a mag átmérője meghaladja a 200 um-t, nem könnyű elérni a behatolási mélységet olyan erősen reagáló ötvözeteken, mint az alumínium és a réz, és nagyobb teljesítményt igényel.
(3) A kis magátmérőjű lézer nagy teljesítménysűrűséggel rendelkezik, nagy energiával gyorsan kulcslyukakat üt ki az anyag felületén, és kis hőhatású zónával rendelkezik, ugyanakkor a varrat felülete érdes, a kulcslyuk összeomlásának valószínűsége nagy az alacsony sebességű hegesztés során, és a kulcslyuk zárva van a hegesztési ciklus alatt Hosszú ciklus, könnyen előállítható hibák, pórusok és egyéb hibák, alkalmas nagy sebességű feldolgozásra vagy lengőpályás feldolgozásra;
(4) A nagy átmérőjű lézerek alkalmasabbak lézeres felület-újraolvasztásra, burkolásra, lágyításra és egyéb eljárásokra nagy foltjuk és szétszórtabb energiájuk miatt.
Erősen fényvisszaverő anyagok: alumínium, réz, rozsdamentes acél, nikkel, molibdén stb.;
(1) A nagy fényvisszaverő anyagoknak kis átmérőjű lézert kell választaniuk. Nagy teljesítménysűrűségű lézersugár használata az anyag gyors felmelegítésére cseppfolyósított vagy elpárologtatott állapotba, javítja az anyag lézerabszorpciós sebességét, és hatékony és gyors feldolgozást ér el. Könnyű nagy magátmérőjű lézert választani. Erős visszaverődéshez, virtuális hegesztéshez vezethet, és még a lézert is kiégetheti;
Repedésérzékeny anyagok: nikkel, nikkelezett réz, alumínium, rozsdamentes acél, titánötvözet stb.
(2) Az ilyen típusú anyagok általában szigorú ellenőrzést igényelnek a hő által érintett zónában, és kis olvadékmedencét igényelnek. Célszerűbb kis átmérőjű lézert választani;
Nagy sebességű lézeres feldolgozás:
(3) A mélyen behatoló hegesztés nagysebességű lézeres feldolgozást igényel, és nagy energiasűrűségű lézert kell választani annak biztosítására, hogy a vonali energia elegendő legyen az anyag nagy sebességű olvasztásához, különösen laphegesztés, áthatoló hegesztés és egyéb kis magok, amelyek nagy behatolási mélységet igényelnek. A radiális lézerek alkalmasabbak.
Advantages and applications of large core lasers (>100um):
Nagy magátmérő és nagy folt, nagy hőlefedettségi terület, széles hatásfelület, és csak az anyag felületén érhető el mikro-olvadás, nagyon alkalmas lézeres burkolásra, lézeres újraolvasztásra, lézeres lágyításra, lézeres edzésre stb. területeken a nagy folt nagyobb termelékenységet és kisebb hibákat jelent (a hővezető forrasztás szinte hibamentes).
A hegesztés szempontjából a nagy foltot főként kompozit hegesztésre használják, amelyet kis magátmérőjű lézerrel való kompaundáláshoz használnak: a nagy folt hatására az anyag felülete enyhén megolvad, szilárdból folyadékká alakul, ami nagymértékben javítja az abszorpciós sebességet. az anyagot a lézerhez, majd egy kis magot használ Ennél a folyamatnál a nagy folt előmelegítése, az utófeldolgozás és az olvadt medencének adott nagy hőmérsékleti gradiens miatt az anyag nem hajlamos az okozott repedéshibákra. gyors melegítéssel és gyors hűtéssel. Simábbá teheti a hegesztési varrat megjelenését, ugyanakkor kisebb fröcskölést érhet el, mint az egyszeri lézeres megoldás.
