Jämförelse av svetseffekter hos lasrar med olika kärndiametrar

Lasersvetsningkan uppnås med hjälp av kontinuerliga eller pulserade laserstrålar. Principerna förlasersvetsningkan delas in i värmeledningssvetsning och laserdjupsvetsning. När effekttätheten är mindre än 104~105 W/cm2 är det värmeledningssvetsning. Vid denna tidpunkt är penetrationsdjupet grunt och svetshastigheten är låg; när effekttätheten är större än 105~107 W/cm2 är metallytan konkav till "hål" på grund av värme, vilket bildar djupsvetsning, vilket har egenskaperna av snabb svetshastighet och stort bildförhållande. Principen för värmeledninglasersvetsningär: laserstrålning värmer upp ytan som ska bearbetas, och ytvärmen diffunderar till det inre genom värmeledning. Genom att styra laserparametrar som laserpulsbredd, energi, toppeffekt och repetitionsfrekvens smälts arbetsstycket för att bilda en specifik smältpool.

Laserdjupsvetsning använder vanligtvis en kontinuerlig laserstråle för att slutföra sammanfogningen av material. Dess metallurgiska fysikaliska process är mycket lik den för elektronstrålesvetsning, det vill säga att energiomvandlingsmekanismen slutförs genom en "nyckelhålsstruktur".

Under laserbestrålning med tillräckligt hög effekttäthet avdunstar materialet och små hål bildas. Detta lilla hål fyllt med ånga är som en svart kropp som absorberar nästan all energi från den infallande strålen. Jämviktstemperaturen i hålet når cirka 2500°F.°C. Värmen överförs från ytterväggen av högtemperaturhålet, vilket gör att metallen som omger hålet smälter. Det lilla hålet fylls med högtemperaturånga som genereras genom kontinuerlig avdunstning av väggmaterialet under strålens bestrålning. Väggarna i det lilla hålet är omgivna av smält metall, och den flytande metallen är omgiven av fasta material (i de flesta konventionella svetsprocesser och laserledningssvetsning avsätts energin först på arbetsstyckets yta och transporteras sedan till det inre genom överföring). Vätskeflödet utanför hålväggen och ytspänningen i vägglagret är i fas med det kontinuerligt genererade ångtrycket i hålhåligheten och upprätthåller en dynamisk balans. Ljusstrålen kommer kontinuerligt in i det lilla hålet, och materialet utanför det lilla hålet flödar kontinuerligt. När ljusstrålen rör sig är det lilla hålet alltid i ett stabilt flödestillstånd.

Det vill säga att det lilla hålet och den smälta metallen som omger hålväggen rör sig framåt med pilotstrålens framåthastighet. Den smälta metallen fyller gapet som lämnas efter att det lilla hålet har tagits bort och kondenserar därefter, och svetsen bildas. Allt detta sker så snabbt att svetshastigheterna lätt kan nå flera meter per minut.

Efter att ha förstått de grundläggande begreppen effekttäthet, värmeledningsförmåga och djupsvetsning, kommer vi härnäst att genomföra en jämförande analys av effekttätheten och de metallografiska faserna för olika kärndiametrar.

Jämförelse av svetsningsexperiment baserade på vanliga laserkärndiametrar på marknaden:

Effekttätheten för fokuspunktens position hos lasrar med olika kärndiametrar

Ur effektdensitetsperspektiv, vid samma effekt, ju mindre kärndiameter, desto högre laserns ljusstyrka och desto mer koncentrerad energi. Om lasern jämförs med en vass kniv, ju mindre kärndiameter, desto vassare är lasern. Effektdensiteten för en laser med kärndiameter på 14 µm är mer än 50 gånger högre än för en laser med kärndiameter på 100 µm, och bearbetningsförmågan är starkare. Samtidigt är effektdensiteten som beräknas här bara en enkel genomsnittlig densitet. Den faktiska energifördelningen är en ungefärlig Gaussisk fördelning, och den centrala energin kommer att vara flera gånger den genomsnittliga effektdensiteten.

Schematiskt diagram över laserenergifördelning med olika kärndiametrar

Färgen på energifördelningsdiagrammet är energifördelningen. Ju rödare färgen är, desto högre energi. Den röda energin är den plats där energin är koncentrerad. Genom laserenergifördelningen av laserstrålar med olika kärndiametrar kan man se att laserstrålens front inte är skarp och att laserstrålen är skarp. Ju mindre, desto mer koncentrerad energin är på en punkt, desto skarpare är den och desto starkare är dess penetrationsförmåga.

Jämförelse av svetseffekter hos lasrar med olika kärndiametrar

Jämförelse av lasrar med olika kärndiametrar:

(1) Experimentet använder en hastighet på 150 mm/s, fokuspositionssvetsning och materialet är 1-serie aluminium, 2 mm tjockt;

(2) Ju större kärndiametern är, desto större smältvidd, desto större värmepåverkad zon och desto mindre enhetseffektdensitet. När kärndiametern överstiger 200 µm är det inte lätt att uppnå ett penetrationsdjup på högreaktionslegeringar som aluminium och koppar, och en högre djuppenetrationssvetsning kan endast uppnås med hög effekt;

(3) Småkärniga lasrar har hög effekttäthet och kan snabbt stansa nyckelhål på ytan av material med hög energi och små värmepåverkade zoner. Samtidigt är svetsytan ojämn, och sannolikheten för nyckelhålskollaps är hög vid låghastighetssvetsning, och nyckelhålet är stängt under svetscykeln. Cykeln är lång, och defekter som defekter och porer är benägna att uppstå. Den är lämplig för höghastighetsbearbetning eller bearbetning med en svängbana;

(4) Lasrar med stor kärndiameter har större ljusfläckar och mer spridd energi, vilket gör dem mer lämpliga för laserytsmältning, plätering, glödgning och andra processer.