Primerjava varilnih učinkov laserjev z različnim premerom jedra

Laserska obdelava kovinskih materialov temelji predvsem na termični obdelavi fototermičnega učinka. Ko laser obseva površino materiala, pride do različnih sprememb na površini materiala pod različnimi gostotami moči. Te spremembe vključujejo naraščajočo površinsko temperaturo, taljenje, uparjanje, nastajanje ključavnic in foto-inducirano nastajanje plazme. Poleg tega spremembe v fizičnem stanju površine materiala močno vplivajo na absorpcijo laserja v materialu. Na splošno velja, da višja kot je temperatura, večja je stopnja absorpcije materiala za laser. S povečanjem gostote moči in časa delovanja bodo kovinski materiali podvrženi naslednjim spremembam agregatnega stanja.

Jedro laserskega varjenja je dvoje: prenos toplote in toplotna prevodnost. Prenos toplote je povezan z virom toplote, gostoto moči in energijo voda. Toplotna prevodnost je v glavnem povezana z odvajanjem toplote in hitrostjo prenosa toplote materiala, ki spada med inherentne lastnosti materiala in se na splošno lahko natančno nastavi z napeljavami za vodno hlajenje in pretokom zaščitnega plina. V procesu varjenja se v glavnem prilagajajo vir toplote, gostota moči in linijska energija. Vključeni procesni parametri so: premer jedra laserja, moč, hitrost, defokusiranje itd.

Obstajata dve glavni vrsti laserskega varjenja glede na stopnjo absorpcije varilnega postopka. Eno je toplotno prevodno varjenje (razmerje med globino in širino < 1, stopnja laserske absorpcije rdeče svetlobe znotraj 20 %, različne valovne dolžine imajo razlike). Drugo je varjenje z globokim prebojem (razmerje med globino in širino > 1, stopnja absorpcije je večja od stopnje absorpcije bazena taline materiala, več kot 60 %, predvsem absorpcija laserskega večkratnega odboja v ključavnici).

Lasersko toplotno prevodno varjenje:

Različno lasersko obsevanje bo povzročilo različne spremembe v stanju materiala, kar se odraža v procesu varjenja kot dva tipična načina varjenja: lasersko toplotno prevodno varjenje in lasersko globoko prebojno varjenje. Postopek prenosa toplote, mehanizem za nastajanje zvarov, tehnološke značilnosti in obseg uporabe so zelo različni.

Način varjenja z lasersko toplotno prevodnostjo:

Med toplotno prevodnim varjenjem je lasersko obsevanje na površini obdelovanca v območju 10E4~10E6W/cm. Lasersko energijo absorbira tanka plast površinske plasti 10 ~ 100 m, laserska energija površinske plasti pa se prenaša v notranjost materiala s toplotno prevodnostjo in laserja se ni mogoče neposredno dotakniti. Po določenem času laserskega obsevanja se površina tali in ta izoterma taljenja se širi globoko v material, površinska temperatura pa še naprej narašča. Vendar pa lahko najvišja doseže samo vrelišče materiala in višja kot je temperatura, bo material izhlapel in oblikoval jamo. Stabilen postopek varjenja s toplotno prevodnostjo bo poškodovan, zvar bo osciliral in material bo zgorel. Na splošno se toplotno prevodno varjenje večinoma uporablja pri tankih ploščah in to situacijo je treba odpraviti. Z relativnim premikanjem laserskega žarka in obdelovanca nastane plitek in širok zvar, kot je prikazano na spodnji sliki. Razmerje med globino in širino vara je majhno, širina vara pa je na splošno več kot 2-kratna globina preboja. Naslednja slika prikazuje profil tipičnega varjenja z lasersko toplotno prevodnostjo, oblika zvara pa je približno polkrogla.

lasersko globoko penetracijsko varjenje:

Ko je obsevanje večje od 10E7W/cm, se površina materiala stopi in upari pod delovanjem laserja, ustvarjeni povratni tlak hlapov pa udari na staljeno bazo navzdol, da nastane ključavnica. Svetlobni žarek deluje neposredno na dno ključavnice, pri čemer dodatno tali in uparja kovino. Visokotlačni plin nenehno nastaja iz notranjosti ključavnice in nenehno bruha navzven, s čimer se luknja še poglablja. Žarek gre tudi vse globlje in globlje, laserski vir toplote pa deluje tudi znotraj materiala in prenaša toploto iz notranjosti ključavnice v material, da se oblikuje globlje območje toplotnega vpliva. Hkrati je ključavnica napolnjena s plazmo, delno ionizirano z visokotemperaturnimi hlapi, in določen obseg plazemskega oblaka se oblikuje nad izhodom iz ključavnice.

Učinek ključavnice ima pomembno vlogo pri absorpciji laserja v procesu laserskega varjenja. Laserski žarek, ki vstopi v ključavnico, se skoraj v celoti absorbira skozi večkratne odboje stene luknje. Kot je prikazano na sliki, če je ključavnica stožčasta površina (s kotom ∅), se svetlobni žarek, ki vpada vzdolž osi stožca, odbije naravnost skozi stožec proti dnu ključavnice in se odbije, tako da odbije celotno 180 stopinj /∅. Absorpcija jekla je približno 13% na odboj. Ko je nastavljena stopnja P=10, skupna absorpcija doseže 92 % v 18 odbojih, kar je močno izboljšano v primerjavi s toplotno prevodnostjo 13 %. Razlika med toplotno prevodnostjo in globokim taljenjem je na splošno glede na metalurško globino taljenja: širina taljenja je večja od 1, kar se lahko šteje za globoko taljenje, ker videz ključavnic izboljša stopnjo absorpcije. Ta preprosta metoda je primerna za enojno lasersko varjenje. Kompozit ni primeren za to presojo, ki je na splošno varjenje z globokim prebojem, sredinski žarek pa ima učinek ključavnice.

Po razumevanju osnovne gostote moči, varjenja s toplotno prevodnostjo, konceptov varjenja z globokim prebojem, nato gostote moči različnih premerov jedra in metalografske primerjalne analize. Ta varilni poskus se izvaja za običajni premer jedra laserja na trgu.

Z vidika gostote moči je pri enaki moči manjši kot je premer jedra, višja je svetlost laserja, bolj koncentrirana je energija. Če laser primerjamo z ostrim nožem, manjši kot je premer jedra laserja, ostrejši je. Gostota moči premera jedra 14 um je več kot 50-krat večja od gostote moči laserja s premerom jedra 100 um, zmogljivost obdelave pa je večja. Hkrati je tukaj izračunana gostota moči preprosto povprečna gostota. Dejanska porazdelitev energije je približno Gaussova, centralna energija pa bo večkrat večja od povprečne gostote moči.

Primerjava laserjev z različnim premerom jedra:

(1) Hitrost eksperimenta je 150 mm/s, položaj fokusa je varjen, material je aluminij serije 1, debeline 2 mm.

(2) Večji kot je premer jedra, večja je širina taljenja, večja je toplotno prizadeta cona in manjša je gostota moči enote. Ko premer jedra preseže 200 um, ni lahko izvajati globoke penetracije na zlitinah z visoko reverzijo, kot sta aluminij in baker, zato je za doseganje varjenja z globokim prebojem potrebna večja moč.

(3) Laser z majhnim jedrom ima visoko gostoto moči, lahko hitro preluknja ključavnice na površini materiala pri visoki energiji, območje toplotnega vpliva je majhno, hkrati pa je površina zvara hrapava in verjetnost, da zrušitev ključavnice je velika pri varjenju pri nizki hitrosti. Cikel zapiranja lukenj v varilnem ciklu je dolg in je enostaven za izdelavo napak, poroznosti in drugih napak, kar je primerno za visokohitrostno obdelavo ali obdelavo z nihajno trajektorijo.

(4) Laser z velikim jedrom zaradi velike pike in energije je bolj razpršen, kar je bolj primerno za lasersko površinsko taljenje, obloge, žarjenje in druge postopke.

Prednosti in uporaba laserja z majhnim jedrom (< 100um)

(1) Visoko inverzni materiali: aluminij, baker, nerjavno jeklo, nikelj, molibden itd.
Visoko inverzni materiali morajo izbrati laser z majhnim premerom jedra. Laserski žarek visoke gostote se uporablja za hitro segrevanje materiala do utekočinjenega ali uparjenega stanja, izboljšanje stopnje laserske absorpcije materiala ter realizacijo učinkovite in hitre obdelave. Izberite laser z velikim premerom jedra, ki zlahka povzroči visoko reakcijo, kar povzroči navidezno varjenje in celo gorenje laserja.

(2) Materiali, občutljivi na razpoke: nikelj, ponikljan baker, aluminij, nerjavno jeklo, titanove zlitine itd.

Ta material na splošno zahteva strog nadzor območja, ki ga prizadene toplota, potrebo po majhnem staljenem bazenu, zato je primernejša izbira laserja z majhnim premerom jedra.

(3) Visokohitrostna laserska obdelava:

Varjenje z globokim prebojem zahteva obdelavo z visoko hitrostjo laserja. Izbrati je treba laser z visoko energijsko gostoto, da zagotovimo, da je linijska energija dovolj za taljenje materiala pri visoki hitrosti, zlasti za varjenje s prekrivanjem, prebojno varjenje in druge majhne jedrne laserje z večjimi zahtevami po preboju.

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

Velik premer jedra, velika svetlobna točka, veliko območje pokritosti s toploto, široka površina za nanašanje in samo za doseganje mikrotaljenja površine materiala. Zelo je primeren za uporabo pri laserskem oplaščanju, laserskem pretaljevanju, laserskem žarjenju, laserskem utrjevanju itd. Na teh območjih velike lise pomenijo večjo učinkovitost proizvodnje in manj napak (toplotno prevodno varjenje skoraj nima napak).

Pri varjenju se velika točka uporablja predvsem za kompozitno varjenje, ki se uporablja za kompozitni laser z majhnimi premeri jedra. Zaradi velikih svetlobnih madežev se površina materiala rahlo stopi, iz trdne v tekočo, tako da se stopnja absorpcije materiala za laser močno izboljša. Nato z jedrom majhnega premera preluknjajte ključavnico in preluknjajte globino vboda. V tem procesu zaradi predgretja in naknadne obdelave velikih svetlobnih madežev in velikega temperaturnega gradienta staljenega bazena na materialu ni enostavno pojaviti razpok, ki jih povzroči hitro segrevanje in hitro ohlajanje, videz zvara pa je bolj gladek. . Brizganje je nižje kot pri rešitvi z enim laserjem.

Xi'an Guosheng Laser Technology Co., Ltd. je visokotehnološko podjetje, specializirano za raziskave in razvoj, proizvodnjo in prodajo avtomatskega laserskega stroja za oblaganje, visokohitrostnega laserskega stroja za oblaganje, laserskega kalilnega stroja, laserskega varilnega stroja in opreme za lasersko 3D tiskanje. Naši izdelki so stroškovno učinkoviti in se prodajajo doma in v tujini. Če vas zanimajo naši izdelki, nas kontaktirajte na bob@gshenglaser.com.