Primerjava varilnih učinkov laserjev z različnimi premeri jedra

Lasersko varjenjeje mogoče doseči z uporabo neprekinjenih ali pulzirajočih laserskih žarkov. Načelalasersko varjenjeLahko se razdeli na varjenje s toplotno prevodnostjo in lasersko varjenje z globoko penetracijo. Ko je gostota moči manjša od 104~105 W/cm2, gre za varjenje s toplotno prevodnostjo. Pri tem je globina penetracije plitva in hitrost varjenja počasna; ko je gostota moči večja od 105~107 W/cm2, se kovinska površina zaradi toplote vboči v "luknje", kar povzroči varjenje z globoko penetracijo, ki ima značilnosti visoke hitrosti varjenja in velikega razmerja stranic. Načelo toplotne prevodnostilasersko varjenjeje: lasersko sevanje segreva površino, ki jo je treba obdelati, površinska toplota pa se s toplotno prevodnostjo razprši v notranjost. Z nadzorom laserskih parametrov, kot so širina laserskega impulza, energija, najvišja moč in frekvenca ponavljanja, se obdelovanec tali v specifično staljeno bazo.

Lasersko varjenje z globoko penetracijo običajno uporablja neprekinjen laserski žarek za dokončanje povezave materialov. Njegov metalurško-fizikalni postopek je zelo podoben varjenju z elektronskim žarkom, kar pomeni, da se mehanizem pretvorbe energije izvede preko strukture "ključavnične luknje".

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

To pomeni, da se majhna luknja in staljena kovina, ki obdaja steno luknje, premikata naprej s hitrostjo pilotnega žarka. Staljena kovina zapolni vrzel, ki ostane po odstranitvi majhne luknje, in se ustrezno kondenzira, s čimer se oblikuje zvar. Vse to se zgodi tako hitro, da lahko hitrosti varjenja zlahka dosežejo več metrov na minuto.

Po razumevanju osnovnih konceptov gostote moči, varjenja s toplotno prevodnostjo in varjenja z globokim vdorom bomo v nadaljevanju izvedli primerjalno analizo gostote moči in metalografskih faz različnih premerov jedra.

Primerjava varilnih poskusov na podlagi običajnih premerov laserskih jeder na trgu:

Gostota moči položaja goriščne točke laserjev z različnimi premeri jedra

Z vidika gostote moči, pri enaki moči, manjši kot je premer jedra, večja je svetlost laserja in bolj koncentrirana je energija. Če laser primerjamo z ostrim nožem, manjši kot je premer jedra, ostrejši je laser. Gostota moči laserja s premerom jedra 14 μm je več kot 50-krat večja od laserja s premerom jedra 100 μm, 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 predstavlja porazdelitev energije. Bolj rdeča kot je barva, višja je energija. Rdeča energija predstavlja mesto, kjer je energija koncentrirana. Skozi porazdelitev laserske energije laserskih žarkov z različnimi premeri jedra je razvidno, da fronta laserskega žarka ni ostra, laserski žarek pa je oster. Manjši kot je premer, bolj koncentrirana je energija na eni točki, ostrejši je in močnejša je njegova prodorna sposobnost.

Primerjava varilnih učinkov laserjev z različnimi premeri jedra

Primerjava laserjev z različnimi premeri jedra:

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

(2) Večji kot je premer jedra, večja je širina taljenja, večje je območje toplotnega vpliva in manjša je gostota moči enote. Ko premer jedra preseže 200 μm, ni enostavno doseči globine prodiranja v visoko reaktivne zlitine, kot sta aluminij in baker, in varjenje z večjo globino prodiranja je mogoče 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 conami, ki jih je prizadela toplota. Hkrati pa je površina zvara hrapava, verjetnost porušitve ključavnice pa je velika med varjenjem pri nizki hitrosti, ključavnica pa se med ciklom varjenja zapre. Cikel je dolg in nagnjen k pojavu napak, kot so napake in pore. Primeren je za obdelavo pri visokih hitrostih ali obdelavo z nihajno trajektorijo;

(4) Laserji z velikim premerom jedra imajo večje svetlobne pege in bolj razpršeno energijo, zaradi česar so primernejši za lasersko pretaljevanje površin, oblaganje, žarjenje in druge postopke.