Primerjava varilnih učinkov laserjev z različnimi premeri jedra
Laserska obdelava kovinskih materialov je predvsem toplotna obdelava, ki temelji na fototermičnem učinku. Ko laser obseva površino materiala, bo površina materiala podvržena različnim spremembam pri različnih gostotah moči. Te spremembe vključujejo povišano površinsko temperaturo, taljenje, izhlapevanje, nastanek ključavnic in nastajanje fotoplazme. Poleg tega sprememba fizičnega stanja površine materiala močno vpliva na absorpcijo laserske svetlobe materiala. Na splošno velja, da višja kot je temperatura, večja je stopnja absorpcije laserske svetlobe v materialu. S povečanjem gostote moči in časa delovanja bo kovinski material podvržen naslednjim spremembam agregatnega stanja, kot je prikazano na sliki 1 [1].
Obstajata dve jedri laserskega varjenja: prenos toplote in toplotna prevodnost. Prenos toplote je povezan z virom toplote, gostoto moči in energijo voda; Pretok zraka za natančno nastavitev. V procesu varjenja se v glavnem prilagajajo vir toplote, gostota moči in linijska energija. Vključeni procesni parametri vključujejo: izbiro premera laserskega jedra, moč, hitrost in stopnjo defokusiranja. Glede na to, da se ta članek osredotoča predvsem na laserje z različnimi premeri jedra in v glavnem vključuje različne gostote moči, slika 2 prikazuje preprosto formulo za izračun gostote moči:
Obstajata dve glavni vrsti laserskega varjenja glede na stopnjo absorpcije varilnega postopka, ena je toplotno prevodno varjenje (razmerje med globino in širino<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).
Lasersko toplotno prevodno varjenje:
Različno lasersko obsevanje bo povzročilo različne spremembe v stanju materiala, kar se v procesu varjenja odraža kot dva značilna načina varjenja: lasersko toplotno prevodno varjenje in lasersko globoko prebojno varjenje. Postopek prenosa toplote, mehanizem za nastajanje zvarov, značilnosti postopka in obseg uporabe se zelo razlikujejo.
Način laserskega toplotno prevodnega varjenja:
Med varjenjem s toplotno prevodnostjo je lasersko obsevanje, obsevano na površini obdelovanca, v območju 10E4~10E6W/cm, lasersko energijo pa absorbira tanka plast 10~100m na površini. Laserska energija na površini se s toplotno prevodnostjo prenese v notranjost materiala 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. Toda najvišje lahko doseže le vrelišče materiala, ne glede na to, kako visoka je temperatura, bo material izhlapel in oblikoval jame, stabilen postopek varjenja s toplotno prevodnostjo bo uničen, staljeni bazen bo nihal in material bo zažgal. Na splošno se toplotno prevodno varjenje večinoma uporablja pri tankih ploščah. V tem primeru je treba temu narediti konec. Z relativnim premikanjem laserskega žarka in obdelovanca se oblikuje plitek in širok zvar, kot je prikazano na sliki 3. Razmerje med globino in širino zvara je majhno, širina zvara pa je na splošno več kot dvakratno globino penetracije. Spodnja slika prikazuje videz prečnega prereza tipičnega laserskega toplotno prevodnega varilnega šiva, oblika vara pa je približno polkrogla.
Primerjava laserjev z različnimi premeri jedra:
(1) Hitrost eksperimenta je 150 mm/s, položaj fokusa je varjen, material je aluminij serije 1, debelina pa je 2 mm;
(2) Večji kot je premer jedra, večja je širina fuzije, večja je toplotno prizadeta cona in manjša je gostota moči enote. Ko premer jedra preseže 200 um, ni lahko doseči globine penetracije na visokoreakcijskih zlitinah, kot sta aluminij in baker, in zahteva večjo moč, ki lahko doseže varjenje z globokim penetracijo;
(3) Laser z majhnim premerom jedra ima visoko gostoto moči, lahko hitro preluknja ključavnice na površini materiala z visoko energijo in ima majhno območje toplotnega vpliva, vendar je hkrati površina zvara hrapava, verjetnost zrušitve ključavnice je velika med varjenjem pri nizki hitrosti, ključavnica pa je med varilnim ciklom zaprta. Dolg cikel, napake, pore in druge napake, ki jih je enostavno izdelati, primerne za obdelavo pri visokih hitrostih ali obdelavo z nihajno tirnico;
(4) Laserji velikega premera so bolj primerni za lasersko površinsko taljenje, oblaganje, žarjenje in druge postopke zaradi svoje velike točke in bolj razpršene energije.
Materiali z visoko refleksijo: aluminij, baker, nerjaveče jeklo, nikelj, molibden itd.;
(1) Materiali z visoko odbojnostjo morajo izbrati laser z majhnim premerom. Uporaba laserskega žarka visoke gostote za hitro segrevanje materiala v utekočinjeno ali uparjeno stanje, izboljšanje stopnje laserske absorpcije materiala ter doseganje učinkovite in hitre obdelave. Enostavno je izbrati laser z velikim premerom jedra. Privedejo do visokega odboja, povzročijo navidezno varjenje in celo izgorejo laser;
Materiali, občutljivi na razpoke: nikelj, ponikljan baker, aluminij, nerjavno jeklo, titanove zlitine itd.
(2) Ta vrsta materiala na splošno zahteva strog nadzor nad območjem, ki ga prizadene toplota, in zahteva majhen bazen staline. Bolj primerno je izbrati laser majhnega premera;
Visokohitrostna laserska obdelava:
(3) Varjenje z globokim prebojem zahteva visokohitrostno lasersko obdelavo in treba je izbrati laser z visoko energijsko gostoto, da zagotovimo, da energija linije zadostuje za taljenje materiala pri visoki hitrosti, zlasti za prekrivno varjenje, prebojno varjenje in druga majhna jedra, ki zahtevajo veliko globino penetracije. Primernejši so radialni laserji.
Advantages and applications of large core lasers (>100um):
Velik premer jedra in velika točka, veliko območje pokritosti s toploto, široka delovna površina in doseganje mikrotaljenja samo na površini materiala, zelo primerno za uporabo pri laserskem oblaganju, laserskem pretaljevanju, laserskem žarjenju, laserskem utrjevanju itd. območja, velika točka pomeni večjo produktivnost in manj napak (spajkanje s toplotno prevodnostjo je skoraj brez napak).
Kar zadeva varjenje, se velika točka uporablja predvsem za kompozitno varjenje, ki se uporablja za mešanje z laserjem z majhnim premerom jedra: velika točka povzroči, da se površina materiala rahlo stopi in se iz trdne snovi spremeni v tekočo, kar močno izboljša stopnjo absorpcije materiala v laser, nato pa uporabi majhno jedro. V tem procesu material zaradi predgretja velike točke, naknadne obdelave in velikega temperaturnega gradienta, ki ga daje staljeni bazen, ni nagnjen k okvaram zaradi razpok. s hitrim segrevanjem in hitrim ohlajanjem. Lahko naredi videz zvara bolj gladek in hkrati doseže manj brizganja kot ena laserska rešitev.
