Сравнение сварочных эффектов лазеров с разным диаметром сердечника

Лазерная сваркаЭто может быть достигнуто с помощью непрерывных или импульсных лазерных лучей. Принципылазерная сваркаСварка может быть разделена на теплопроводную сварку и лазерную сварку с глубоким проплавлением. При плотности мощности менее 10⁴–10⁵ Вт/см² это теплопроводная сварка. В этом случае глубина проплавления невелика, а скорость сварки низкая; при плотности мощности более 10⁵–10⁷ Вт/см² поверхность металла из-за тепла вогнута в «отверстия», образуя сварку с глубоким проплавлением, которая характеризуется высокой скоростью сварки и большим соотношением сторон. Принцип работы основан на теплопроводности.лазерная сваркаСуть процесса: лазерное излучение нагревает обрабатываемую поверхность, и тепло с поверхности рассеивается внутрь за счет теплопроводности. Путем управления параметрами лазера, такими как ширина лазерного импульса, энергия, пиковая мощность и частота повторения, заготовка расплавляется, образуя определенную зону расплава.

Лазерная сварка с глубоким проплавлением обычно использует непрерывный лазерный луч для соединения материалов. Ее металлургический физический процесс очень похож на процесс электронно-лучевой сварки, то есть механизм преобразования энергии осуществляется через структуру типа «замочная скважина».

При лазерном облучении с достаточно высокой плотностью мощности материал испаряется, образуя небольшие отверстия. Это небольшое отверстие, заполненное паром, подобно черному телу, поглощает почти всю энергию падающего луча. Равновесная температура в отверстии достигает примерно 2500 °C.°C. Тепло передается от внешней стенки высокотемпературного отверстия, вызывая плавление окружающего его металла. Малое отверстие заполняется высокотемпературным паром, образующимся в результате непрерывного испарения материала стенки под воздействием излучения. Стенки малого отверстия окружены расплавленным металлом, а жидкий металл окружен твердыми материалами (в большинстве традиционных процессов сварки и лазерной кондуктивной сварке энергия сначала откладывается на поверхности заготовки, а затем передается внутрь). Поток жидкости снаружи стенки отверстия и поверхностное натяжение слоя стенки находятся в фазе с непрерывно генерируемым давлением пара в полости отверстия и поддерживают динамическое равновесие. Световой луч непрерывно входит в малое отверстие, и материал снаружи малого отверстия непрерывно течет. По мере движения светового луча малое отверстие всегда находится в стабильном состоянии потока.

Иными словами, небольшое отверстие и расплавленный металл, окружающий стенку отверстия, движутся вперед со скоростью направляющего луча. Расплавленный металл заполняет зазор, оставшийся после удаления небольшого отверстия, и конденсируется, в результате чего образуется сварной шов. Все это происходит настолько быстро, что скорость сварки легко может достигать нескольких метров в минуту.

После ознакомления с основными понятиями удельной мощности, сварки с учетом теплопроводности и сварки с глубоким проплавлением, мы проведем сравнительный анализ удельной мощности и металлографических фаз стержней различного диаметра.

Сравнение результатов сварочных экспериментов с использованием распространенных на рынке лазерных стержней:

Плотность мощности в точке фокусного пятна лазеров с различными диаметрами сердечника

С точки зрения плотности мощности, при одинаковой мощности, чем меньше диаметр сердечника, тем выше яркость лазера и тем сильнее концентрация энергии. Если сравнить лазер с острым ножом, то чем меньше диаметр сердечника, тем острее лазерный луч. Плотность мощности лазера с диаметром сердечника 14 мкм более чем в 50 раз выше, чем у лазера с диаметром сердечника 100 мкм, и, следовательно, его вычислительные возможности выше. В то же время, рассчитанная здесь плотность мощности является лишь усредненной. Фактическое распределение энергии приблизительно соответствует гауссовому распределению, и центральная энергия будет в несколько раз превышать среднюю плотность мощности.

Схема распределения энергии лазера при различных диаметрах сердечника.

Цвет на диаграмме распределения энергии отражает распределение энергии. Чем краснее цвет, тем выше энергия. Красная зона указывает на место концентрации энергии. На диаграмме распределения энергии лазерных лучей с различными диаметрами ядра видно, что фронт лазерного луча не всегда резкий, а наоборот, он резкий. Чем меньше диаметр ядра, тем сильнее концентрация энергии в одной точке, тем резче луч и тем выше его проникающая способность.

Сравнение сварочных эффектов лазеров с разным диаметром сердечника

Сравнение лазеров с различными диаметрами сердечника:

(1) В эксперименте используется скорость 150 мм/с, сварка в фокусном положении, а материалом является алюминий серии 1 толщиной 2 мм;

(2) Чем больше диаметр сердечника, тем больше ширина расплава, тем больше зона термического воздействия и тем меньше удельная плотность мощности. Когда диаметр сердечника превышает 200 мкм, трудно добиться достаточной глубины проплавления на высокореактивных сплавах, таких как алюминий и медь, и более высокая глубина проплавления достигается только при высокой мощности;

(3) Лазеры с малым сердечником обладают высокой плотностью мощности и могут быстро создавать сквозные отверстия на поверхности материалов с высокой энергией и малыми зонами термического воздействия. Однако при этом поверхность сварного шва шероховатая, вероятность схлопывания сквозного отверстия высока при низкоскоростной сварке, а само сквозное отверстие закрывается в течение цикла сварки. Цикл длительный, и высока вероятность возникновения дефектов, таких как поры и другие дефекты. Подходит для высокоскоростной обработки или обработки с качающейся траекторией;

(4) Лазеры с большим диаметром сердечника имеют большее световое пятно и более рассеянную энергию, что делает их более подходящими для лазерной поверхностной переплавки, наплавки, отжига и других процессов.