Compararea efectelor de sudare ale laserelor cu diferite diametre de miez

Sudură cu laserpoate fi realizat folosind fascicule laser continue sau pulsate. Principiilesudură cu laserpoate fi împărțită în sudură prin conducție termică și sudură cu penetrare profundă cu laser. Când densitatea de putere este mai mică de 10⁴~10⁵ W/cm², este vorba de sudură prin conducție termică. În acest caz, adâncimea de penetrare este superficială, iar viteza de sudare este lentă; când densitatea de putere este mai mare de 10⁵~10⁷ W/cm², suprafața metalică devine concavă în „găuri” din cauza căldurii, formând sudură cu penetrare profundă, care are caracteristici precum viteză mare de sudare și raport de aspect mare. Principiul conducției termicesudură cu lasereste: radiația laser încălzește suprafața care urmează să fie prelucrată, iar căldura de suprafață se difuzează în interior prin conducție termică. Prin controlul parametrilor laserului, cum ar fi lățimea impulsului laser, energia, puterea de vârf și frecvența de repetiție, piesa de prelucrat este topită pentru a forma o baie de topit specifică.

Sudarea cu laser prin penetrare profundă utilizează, în general, un fascicul laser continuu pentru a finaliza conexiunea materialelor. Procesul său fizic metalurgic este foarte similar cu cel al sudării cu fascicul de electroni, adică mecanismul de conversie a energiei este realizat printr-o structură de tip „gaură de cheie”.

Sub iradiere laser cu o densitate de putere suficient de mare, materialul se evaporă și se formează mici găuri. Această mică gaură umplută cu vapori este ca un corp negru, absorbind aproape toată energia fasciculului incident. Temperatura de echilibru în gaură atinge aproximativ 2500°F.°C. Căldura este transferată de la peretele exterior al găurii la temperatură înaltă, provocând topirea metalului din jurul găurii. Gaura mică este umplută cu abur la temperatură înaltă generat de evaporarea continuă a materialului peretelui sub iradierea fasciculului. Pereții găurii mici sunt înconjurați de metal topit, iar metalul lichid este înconjurat de materiale solide (în majoritatea proceselor de sudare convenționale și a sudării prin conducție laser, energia se depune mai întâi pe suprafața piesei de prelucrat și apoi este transportată în interior prin transfer). Fluxul de lichid în afara peretelui găurii și tensiunea superficială a stratului de perete sunt în fază cu presiunea aburului generată continuu în cavitatea găurii și mențin un echilibru dinamic. Fasciculul de lumină intră continuu în gaura mică, iar materialul din afara găurii mici curge continuu. Pe măsură ce fasciculul de lumină se mișcă, gaura mică se află întotdeauna într-o stare stabilă de curgere.

Adică, gaura mică și metalul topit care înconjoară peretele găurii se deplasează înainte cu viteza de avans a fasciculului pilot. Metalul topit umple golul rămas după îndepărtarea găurii mici și se condensează în consecință, formându-se sudura. Toate acestea se întâmplă atât de repede încât vitezele de sudare pot atinge cu ușurință câțiva metri pe minut.

După înțelegerea conceptelor de bază ale densității de putere, sudării prin conductivitate termică și sudării prin penetrare profundă, vom efectua în continuare o analiză comparativă a densității de putere și a fazelor metalografice ale diferitelor diametre de miez.

Compararea experimentelor de sudare bazate pe diametrele comune ale miezurilor laser de pe piață:

Densitatea de putere a poziției punctului focal al laserelor cu diferite diametre ale miezului

Din perspectiva densității de putere, la aceeași putere, cu cât diametrul miezului este mai mic, cu atât luminozitatea laserului este mai mare și energia este mai concentrată. Dacă laserul este comparat cu un cuțit ascuțit, cu cât diametrul miezului este mai mic, cu atât laserul este mai ascuțit. Densitatea de putere a laserului cu diametrul miezului de 14 µm este de peste 50 de ori mai mare decât cea a laserului cu diametrul miezului de 100 µm, iar capacitatea de procesare este mai mare. În același timp, densitatea de putere calculată aici este doar o densitate medie simplă. Distribuția reală a energiei este o distribuție gaussiană aproximativă, iar energia centrală va fi de câteva ori mai mare decât densitatea medie de putere.

Schema distribuției energiei laserului cu diferite diametre ale miezului

Culoarea diagramei de distribuție a energiei reprezintă distribuția energiei. Cu cât culoarea este mai roșie, cu atât energia este mai mare. Energia roșie reprezintă locul în care energia este concentrată. Prin intermediul distribuției energiei laser a fasciculelor laser cu diferite diametre ale miezului, se poate observa că frontul fasciculului laser nu este ascuțit, iar fasciculul laser este ascuțit. Cu cât energia este mai mică, cu atât este mai concentrată într-un singur punct, cu atât este mai ascuțită și cu atât capacitatea sa de penetrare este mai puternică.

Compararea efectelor de sudare ale laserelor cu diferite diametre de miez

Comparație între lasere cu diferite diametre ale miezului:

(1) Experimentul utilizează o viteză de 150 mm/s, sudură în poziție focală, iar materialul este aluminiu din seria 1, cu grosimea de 2 mm;

(2) Cu cât diametrul miezului este mai mare, cu atât lățimea de topire este mai mare, cu atât zona afectată termic este mai mare și cu atât densitatea de putere unitară este mai mică. Când diametrul miezului depășește 200 µm, nu este ușor să se obțină o adâncime de penetrare pe aliaje cu reacție ridicată, cum ar fi aluminiul și cuprul, iar o sudură cu penetrare profundă mai mare poate fi realizată doar cu putere mare;

(3) Laserele cu miez mic au o densitate mare de putere și pot perfora rapid găuri de cheie pe suprafața materialelor cu energie ridicată și zone mici afectate termic. Cu toate acestea, în același timp, suprafața sudurii este rugoasă, iar probabilitatea de prăbușire a găurii de cheie este mare în timpul sudării la viteză mică, iar gaura de cheie este închisă în timpul ciclului de sudare. Ciclul este lung, iar defectele precum defectele și porii sunt predispuse la apariția lor. Sunt potrivite pentru procesarea de mare viteză sau procesarea cu o traiectorie oscilantă;

(4) Laserele cu diametru mare al miezului au spoturi luminoase mai mari și o energie mai dispersată, ceea ce le face mai potrivite pentru retopirea suprafeței cu laser, placare, recoacere și alte procese.