Лазерная сваркаможет быть достигнуто с использованием непрерывных или импульсных лазерных лучей. Принципылазерная сваркаМожно разделить на теплопроводную сварку и лазерную сварку с глубоким проплавлением. Когда плотность мощности меньше 104~105 Вт/см2, это сварка теплопроводностью. В это время глубина проникновения невелика, а скорость сварки низкая; когда плотность мощности превышает 105 ~ 107 Вт/см2, металлическая поверхность из-за тепла вогнута в «дырки», образуя сварку с глубоким проплавлением, которая имеет характеристики высокой скорости сварки и большого соотношения сторон. Принцип теплопроводностилазерная сварказаключается в следующем: лазерное излучение нагревает обрабатываемую поверхность, а тепло поверхности распространяется внутрь за счет теплопроводности. Контролируя параметры лазера, такие как ширина лазерного импульса, энергия, пиковая мощность и частота повторения, заготовка плавится с образованием определенной расплавленной ванны.
Лазерная сварка с глубоким проплавлением обычно использует непрерывный лазерный луч для завершения соединения материалов. Его металлургический физический процесс очень похож на электронно-лучевую сварку, то есть механизм преобразования энергии осуществляется посредством конструкции «замочной скважины».
Под воздействием лазерного облучения с достаточно высокой плотностью мощности материал испаряется и образуются небольшие отверстия. Это маленькое отверстие, заполненное паром, похоже на черное тело, поглощающее почти всю энергию падающего луча. Равновесная температура в отверстии достигает около 2500°C. Тепло передается от внешней стенки высокотемпературного отверстия, вызывая плавление металла, окружающего отверстие. Небольшое отверстие заполняется высокотемпературным паром, образующимся в результате непрерывного испарения материала стенки под воздействием луча. Стенки небольшого отверстия окружены расплавленным металлом, а жидкий металл окружен твердыми материалами (в большинстве традиционных сварочных процессов и лазерной кондуктивной сварке энергия сначала осаждается на поверхности заготовки, а затем переносится внутрь путем переноса ). Поток жидкости за стенкой отверстия и поверхностное натяжение пристеночного слоя синфазны с постоянно создаваемым давлением пара в полости отверстия и поддерживают динамический баланс. Луч света непрерывно попадает в маленькое отверстие, а материал за пределами маленького отверстия непрерывно течет. Когда световой луч движется, маленькое отверстие всегда находится в стабильном состоянии потока.
Иными словами, маленькое отверстие и расплавленный металл, окружающий стенку отверстия, движутся вперед со скоростью движения направляющего луча. Расплавленный металл заполняет зазор, оставшийся после удаления небольшого отверстия, и соответственно конденсируется, образуя сварной шов. Все это происходит настолько быстро, что скорость сварки легко может достигать нескольких метров в минуту.
После понимания основных понятий плотности мощности, сварки теплопроводностью и сварки с глубоким проплавлением мы проведем сравнительный анализ плотности мощности и металлографических фаз для сердечников разных диаметров.
Сравнение сварочных экспериментов на основе распространенных на рынке диаметров лазерного сердечника:
Плотность мощности положения фокусного пятна лазеров с различным диаметром сердцевины
С точки зрения плотности мощности, при одинаковой мощности, чем меньше диаметр ядра, тем выше яркость лазера и тем более концентрируется энергия. Если сравнивать лазер с острым ножом, то чем меньше диаметр сердечника, тем острее лазер. Плотность мощности лазера с диаметром ядра 14 мкм более чем в 50 раз превышает плотность мощности лазера с диаметром ядра 100 мкм, а производительность обработки выше. В то же время рассчитанная здесь плотность мощности представляет собой просто среднюю плотность. Фактическое распределение энергии представляет собой приблизительное распределение Гаусса, а центральная энергия будет в несколько раз превышать среднюю плотность мощности.
Принципиальная диаграмма распределения лазерной энергии с различными диаметрами сердцевины
Цвет диаграммы распределения энергии — это распределение энергии. Чем краснее цвет, тем выше энергия. Красная энергия – это место концентрации энергии. По распределению лазерной энергии лазерных лучей с различными диаметрами сердцевины видно, что фронт лазерного луча не острый, а сам лазерный луч острый. Чем меньше, тем более сконцентрирована энергия в одной точке, тем она острее и тем сильнее ее проникающая способность.
Сравнение сварочных эффектов лазеров с различным диаметром сердечника
Сравнение лазеров с разными диаметрами сердцевины:
(1) В эксперименте используется скорость 150 мм/с, сварка в фокусном положении, материал — алюминий 1 серии толщиной 2 мм;
(2) Чем больше диаметр сердцевины, тем больше ширина плавления, тем больше зона термического влияния и тем меньше удельная удельная мощность. Когда диаметр сердечника превышает 200 мкм, нелегко добиться глубины провара в тугоплавких сплавах, таких как алюминий и медь, а более высокая сварка с глубоким проплавлением может быть достигнута только при высокой мощности;
(3) Лазеры с малым сердечником имеют высокую плотность мощности и могут быстро пробивать замочные скважины на поверхности материалов с высокой энергией и небольшими зонами термического воздействия. Однако при этом поверхность сварного шва шероховатая, вероятность схлопывания замочной скважины при низкоскоростной сварке высока, а замочная скважина во время сварочного цикла закрыта. Цикл длительный, и склонны к возникновению таких дефектов, как дефекты и поры. Подходит для высокоскоростной обработки или обработки с качающейся траекторией;
(4) Лазеры с сердцевиной большого диаметра имеют более крупные световые пятна и более рассеянную энергию, что делает их более подходящими для лазерного переплавления поверхности, плакирования, отжига и других процессов.
Время публикации: 6 октября 2023 г.
