Eri halkaisijaltaan erilaisten lasereiden hitsausvaikutusten vertailu
Metallimateriaalien laserkäsittely on pääasiassa fototermiseen vaikutukseen perustuvaa lämpökäsittelyä. Kun laser säteilyttää materiaalin pintaa, materiaalin pinta-ala muuttuu erilaisilla tehotiheyksillä. Näitä muutoksia ovat pintalämpötilan nousu, sulaminen, höyrystyminen, avaimenreikien muodostuminen ja valoplasman muodostuminen. Lisäksi materiaalin pinta-alueen fysikaalisen tilan muutos vaikuttaa suuresti materiaalin laservalon absorptioon. Yleisesti ottaen mitä korkeampi lämpötila, sitä korkeampi materiaalin laservalon absorptionopeus. Tehon tiheyden ja toiminta-ajan kasvaessa metallimateriaali käy läpi seuraavat fysikaalisen tilan muutokset, kuten kuvassa 1 on esitetty [1].
Laserhitsauksessa on kaksi ydintä: lämmönsiirto ja lämmönjohtavuus. Lämmönsiirto liittyy lämmönlähteeseen, tehotiheyteen ja linjaenergiaan; Ilmavirta hienosäätääksesi. Hitsausprosessissa säädellään pääasiassa lämmönlähdettä, tehotiheyttä ja linjaenergiaa. Prosessiparametreja ovat: laserytimen halkaisijan, tehon, nopeuden ja defocus-määrän valinta. Ottaen huomioon, että tämä artikkeli keskittyy pääasiassa lasereihin, joilla on eri ytimen halkaisija ja pääasiassa erilaisia tehotiheyksiä, kuva 2 näyttää yksinkertaisen tehotiheyden laskentakaavan:
Laserhitsausta on kahta päätyyppiä hitsausprosessin absorptionopeuden mukaan, toinen on lämmönjohtamishitsaus (syvyys-leveyssuhde<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).
Laser-lämmönjohtohitsaus:
Erilainen lasersäteilytys aiheuttaa erilaisia muutoksia materiaalin tilassa, mikä heijastuu hitsausprosessissa kahtena tyypillisenä hitsausmuotona: laserlämmönjohdehitsaus ja lasersyväläpihitsaus. Lämmönsiirtoprosessi, hitsin muodostusmekanismi, prosessin ominaisuudet ja käyttöalue ovat hyvin erilaisia.
Laser-lämmönjohtohitsaustila:
Lämmönjohtohitsauksen aikana työkappaleen pinnalle säteilytetty lasersäteily on alueella 10E4-10E6W/cm, ja laserenergia absorboituu pinnalla olevaan ohueen 10-100 m kerrokseen. Pinnalla oleva laserenergia välittyy materiaalin sisäpuolelle lämmön johtumisen kautta, eikä laseriin voi koskea suoraan. Tietyn ajan lasersäteilytyksen jälkeen pinta sulaa, ja tämä sulamisisotermi etenee syvälle materiaaliin ja pinnan lämpötila jatkaa nousuaan. Mutta korkein voi saavuttaa vain materiaalin kiehumispisteen, riippumatta siitä kuinka korkea lämpötila on, materiaali höyrystyy ja muodostaa kuoppia, vakaa lämmönjohtamishitsausprosessi tuhoutuu, sula allas värähtelee ja materiaali poltettu. Yleensä lämmönjohtavaa hitsausta käytetään enimmäkseen ohuissa levyissä. Tässä tapauksessa se on lopetettava. Lasersäteen ja työkappaleen suhteellisella liikkeellä muodostuu matala ja leveä hitsisauma, kuten kuvassa 3. Hitsaussauman syvyys-leveyssuhde on pieni ja hitsaussauman leveys on yleensä yli kaksi kertaa tunkeutumissyvyys. Alla oleva kuva esittää tyypillisen laserlämmönjohdehitsaussauman poikkileikkauksen ulkonäön, ja hitsaussauman muoto on suunnilleen puolipallon muotoinen.
Eri ytimen halkaisijaltaan olevien lasereiden vertailu:
(1) Kokeen nopeus on 150 mm/s, tarkennusasento on hitsattu, materiaali on 1-sarjan alumiinia ja paksuus 2 mm;
(2) Mitä suurempi sydämen halkaisija, sitä suurempi fuusioleveys, sitä suurempi on lämmön vaikutusalue ja sitä pienempi yksikkötehotiheys. Kun sydämen halkaisija ylittää 200 um, ei ole helppoa saavuttaa tunkeutumissyvyyttä korkean reaktion metalliseoksilla, kuten alumiinilla ja kuparilla, ja vaatii suurempaa tehoa.
(3) Pienen ytimen halkaisijaltaan laserilla on suuri tehotiheys, se voi nopeasti lyödä avaimenreikiä materiaalin pintaan suurella energialla ja sillä on pieni lämpövaikutusalue, mutta samalla hitsin pinta on karkea, avaimenreiän romahtamisen todennäköisyys on korkea hitsausnopeuden aikana, ja avaimenreikä on suljettu hitsausjakson aikana Pitkä jakso, helppo tuottaa vikoja, huokosia ja muita vikoja, sopii nopeaan käsittelyyn tai käsittelyyn kääntöradalla;
(4) Suuren halkaisijan laserit sopivat paremmin laserpintojen uudelleensulatukseen, päällystykseen, hehkutukseen ja muihin prosesseihin suuren pisteensä ja hajautetumman energiansa vuoksi.
Erittäin heijastavat materiaalit: alumiini, kupari, ruostumaton teräs, nikkeli, molybdeeni jne.;
(1) Erittäin heijastavien materiaalien on valittava halkaisijaltaan pieni laser. Korkean tehotiheyden lasersäteen käyttäminen materiaalin nopeaan lämmittämiseen nesteytettyyn tai höyrystyneeseen tilaan, materiaalin laserin absorptionopeuden parantamiseksi ja tehokkaan ja nopean käsittelyn saavuttamiseksi. On helppo valita laser, jolla on suuri sydämen halkaisija. Aiheuttaa voimakasta heijastusta, johtaa virtuaaliseen hitsaukseen ja jopa polttaa laser;
Halkeiluherkät materiaalit: nikkeli, nikkelipinnoitettu kupari, alumiini, ruostumaton teräs, titaaniseos jne.
(2) Tämäntyyppinen materiaali vaatii yleensä tiukkaa lämpövaikutusalueen hallintaa ja vaatii pienen sulan altaan. On tarkoituksenmukaisempaa valita halkaisijaltaan pieni laser;
Nopea laserkäsittely:
(3) Syväläpäisyhitsaus vaatii nopean laserkäsittelyn, ja on tarpeen valita laser, jolla on korkea energiatiheys, jotta varmistetaan, että linjaenergia on riittävä sulattamaan materiaalia suurella nopeudella, erityisesti kierroshitsauksessa, lävistyshitsauksessa ja muut pienet ytimet, jotka vaativat suurta tunkeutumissyvyyttä. Radiaaliset laserit sopivat paremmin.
Advantages and applications of large core lasers (>100um):
Suuri sydämen halkaisija ja iso piste, suuri lämmönpeittoalue, leveä toimintapinta ja saavuttaa vain mikrosulamisen materiaalin pinnalla, sopii erittäin hyvin laserpinnoitukseen, laseruudelleensulatukseen, laserhehkutukseen, laserkarkaisuun jne. alueilla iso piste tarkoittaa parempaa tuottavuutta ja pienempiä vikoja (lämmönjohtavuusjuotto on lähes virheetöntä).
Hitsauksen kannalta suurta täplää käytetään pääasiassa komposiittihitsaukseen, jota käytetään hitsaukseen pienen ytimen halkaisijaltaan laserilla: suuri piste saa materiaalin pinnan sulamaan hieman, muuttuen kiinteästä nesteeksi, mikä parantaa huomattavasti absorptionopeutta materiaali laserille ja käyttää sitten pientä ydintä. Tässä prosessissa suuren pisteen esilämmityksestä, jälkikäsittelystä ja sulalle altaalle annetusta suuresta lämpötilagradientista johtuen materiaali ei ole alttiina aiheuttamille halkeamille. nopealla lämmityksellä ja nopealla jäähdytyksellä. Se voi tehdä hitsin ulkonäöstä tasaisemman ja samalla saavuttaa vähemmän roiskeita kuin yksi laserratkaisu.
