Primerjava varilnih učinkov laserjev z različnimi premeri jedra

Lasersko varjenjelahko dosežemo z neprekinjenimi ali impulznimi laserskimi žarki. Načelalasersko varjenjelahko razdelimo na toplotno prevodno varjenje in lasersko varjenje z globokim prebojem. Ko je gostota moči manjša od 104~105 W/cm2, gre za toplotno prevodno varjenje. V tem času je globina penetracije majhna in hitrost varjenja je počasna; ko je gostota moči večja od 105~107 W/cm2, je kovinska površina konkavna v "luknje" zaradi toplote, kar tvori varjenje z globokim prebojem, ki ima Značilnosti visoke hitrosti varjenja in velikega razmerja stranic. Načelo toplotne prevodnostilasersko varjenjeje: lasersko sevanje segreje površino, ki jo obdelujemo, površinska toplota pa se skozi toplotno prevodnost razprši v notranjost. Z nadzorovanjem laserskih parametrov, kot so širina laserskega impulza, energija, konična moč in frekvenca ponavljanja, se obdelovanec stopi, da se oblikuje specifičen staljeni bazen.

Lasersko globoko penetracijsko varjenje na splošno uporablja neprekinjen laserski žarek za dokončanje povezave materialov. Njegov metalurški fizikalni postopek je zelo podoben varjenju z elektronskim žarkom, kar pomeni, da se mehanizem za pretvorbo energije zaključi skozi strukturo "ključavnice".

Pri laserskem obsevanju z dovolj visoko gostoto moči material izhlapi in nastanejo majhne luknje. Ta majhna luknja, napolnjena s hlapi, je kot črno telo, ki absorbira skoraj vso energijo vpadnega žarka. Ravnotežna temperatura v luknji doseže približno 2500°C. Toplota se prenaša z zunanje stene visokotemperaturne luknje, zaradi česar se kovina, ki obdaja luknjo, stopi. Majhna luknja je napolnjena z visokotemperaturno paro, ki nastane zaradi neprekinjenega izhlapevanja materiala stene pod obsevanjem žarka. Stene majhne luknje so obdane s staljeno kovino, tekoča kovina pa je obdana s trdnimi materiali (pri večini običajnih varilnih postopkov in laserskem prevodnem varjenju se energija najprej odloži na površino obdelovanca in nato prenese v notranjost s prenosom ). Pretok tekočine zunaj stene luknje in površinska napetost stenske plasti sta v fazi z nenehno ustvarjenim tlakom pare v votlini luknje in vzdržujeta dinamično ravnovesje. Svetlobni žarek nenehno vstopa v majhno luknjo, material zunaj majhne luknje pa nenehno teče. Ko se svetlobni žarek premika, je majhna luknja vedno v stabilnem stanju toka.

To pomeni, da se majhna luknja in staljena kovina, ki obdaja steno luknje, premikata naprej s hitrostjo vodilnega žarka. Staljena kovina zapolni vrzel, ki ostane po odstranitvi majhne luknje, in ustrezno kondenzira, tako da nastane zvar. Vse to se zgodi tako hitro, da lahko hitrost varjenja zlahka doseže nekaj metrov na minuto.

Po razumevanju osnovnih konceptov gostote moči, varjenja s toplotno prevodnostjo in varjenja z globokim prebojem bomo nato izvedli primerjalno analizo gostote moči in metalografskih faz različnih premerov jeder.

Primerjava varilnih poskusov na podlagi pogostih premerov laserskega jedra na trgu:

Gostota moči položaja žarišča laserjev z različnimi premeri jedra

Z vidika gostote moči, pri enaki moči, manjši kot je premer jedra, večja je svetlost laserja in bolj koncentrirana energija. Če laser primerjamo z ostrim nožem, manjši kot je premer jedra, ostrejši je laser. Gostota moči laserja s premerom jedra 14 um je več kot 50-krat večja od gostote moči laserja s premerom jedra 100 um, zmogljivost obdelave pa je večja. Hkrati je tukaj izračunana gostota moči le preprosta povprečna gostota. Dejanska porazdelitev energije je približna Gaussova porazdelitev, centralna energija pa bo večkrat večja od povprečne gostote moči.

Shematski diagram porazdelitve laserske energije z različnimi premeri jedra

Barva diagrama porazdelitve energije je porazdelitev energije. Bolj kot je barva rdeča, večja je energija. Rdeča energija je kraj, kjer je energija koncentrirana. Skozi porazdelitev laserske energije laserskih žarkov z različnimi premeri jedra je razvidno, da sprednja stran laserskega žarka ni ostra in da je laserski žarek oster. Manjša kot je, bolj je energija koncentrirana na eni točki, ostrejša je in močnejša je njena prodorna sposobnost.

Primerjava varilnih učinkov laserjev z različnimi premeri jedra

Primerjava laserjev z različnimi premeri jedra:

(1) Eksperiment uporablja hitrost 150 mm/s, varjenje v položaju fokusa, material pa je aluminij serije 1, debeline 2 mm;

(2) Večji kot je premer jedra, večja je širina taljenja, večja je toplotno prizadeta cona in manjša je gostota moči enote. Ko premer jedra preseže 200 um, ni enostavno doseči globine preboja na visokoreakcijskih zlitinah, kot sta aluminij in baker, višjo globinsko prebojno varjenje pa je mogoče doseči le z visoko močjo;

(3) Laserji z majhnim jedrom imajo visoko gostoto moči in lahko hitro preluknjajo ključavnice na površini materialov z visoko energijo in majhnimi toplotno prizadetimi conami. Hkrati pa je površina zvara hrapava in verjetnost zrušitve ključavnice je velika med varjenjem pri nizki hitrosti, ključavnica pa je med varilnim ciklom zaprta. Cikel je dolg in nagnjeni so k pojavu napak, kot so defekti in pore. Primeren je za hitro obdelavo ali obdelavo z nihajno trajektorijo;

(4) Laserji z velikim premerom jedra imajo večje svetlobne lise in bolj razpršeno energijo, zaradi česar so primernejši za lasersko površinsko taljenje, oplaščenje, žarjenje in druge postopke.