Skirtingo šerdies skersmens lazerių suvirinimo efektų palyginimas

Lazerinis suvirinimasgalima pasiekti naudojant nuolatinius arba impulsinius lazerio spindulius. Principaisuvirinimas lazeriuGalima suskirstyti į šilumos laidumo suvirinimą ir giluminį suvirinimą lazeriu. Kai galios tankis yra mažesnis nei 104–105 W/cm2, tai yra šilumos laidumo suvirinimas. Šiuo metu įsiskverbimo gylis yra mažas, o suvirinimo greitis yra lėtas; kai galios tankis yra didesnis nei 105–107 W/cm2, metalo paviršius dėl karščio įgaubtas į „skyles“, suformuojant gilų įsiskverbimo suvirinimą, kuris pasižymi dideliu suvirinimo greičiu ir dideliu kraštinių santykiu. Šilumos laidumo principassuvirinimas lazeriuyra: lazerio spinduliuotė šildo apdorotą paviršių, o paviršiaus šiluma pasklinda į vidų per šilumos laidumą. Valdant lazerio parametrus, tokius kaip lazerio impulso plotis, energija, didžiausia galia ir pasikartojimo dažnis, ruošinys išlydomas, kad susidarytų konkretus išlydytas telkinys.

Lazerinio giluminio įsiskverbimo suvirinimo metu paprastai naudojamas nepertraukiamas lazerio spindulys, kad užbaigtų medžiagų sujungimą. Jo metalurginis fizinis procesas yra labai panašus į elektronų pluošto suvirinimo procesą, tai yra, energijos konversijos mechanizmas užbaigiamas per "rakto skylės" struktūrą.

Švitinant lazeriu pakankamai dideliu galios tankiu, medžiaga išgaruoja ir susidaro mažos skylutės. Ši maža skylė, užpildyta garais, yra tarsi juodas kūnas, sugeriantis beveik visą krintančio spindulio energiją. Pusiausvyros temperatūra skylėje siekia apie 2500°C. Šiluma perduodama iš aukštos temperatūros skylės išorinės sienelės, todėl skylę supantis metalas išsilydo. Maža skylė užpildyta aukštos temperatūros garais, susidarančiais nuolat išgarinant sienos medžiagą, apšvitinant siją. Mažos skylės sienelės yra apsuptos išlydyto metalo, o skystas metalas – kietomis medžiagomis (atliekant daugumą įprastų suvirinimo procesų ir laidinio suvirinimo lazeriu, energija pirmiausia nusėda ant ruošinio paviršiaus, o po to pernešama į vidų. ). Skysčio srautas už skylės sienelės ir sienos sluoksnio paviršiaus įtempimas yra fazėje su nuolat generuojamu garo slėgiu skylės ertmėje ir palaiko dinaminę pusiausvyrą. Šviesos spindulys nuolat patenka į mažą skylę, o medžiaga, esanti už mažos skylės, nuolat teka. Kai šviesos spindulys juda, maža skylė visada yra stabilaus srauto būsenoje.

Tai reiškia, kad maža skylė ir išlydytas metalas, supantis skylės sienelę, juda pirmyn pilotinio pluošto greičiu. Išlydytas metalas užpildo tarpą, likusį pašalinus mažą skylutę, ir atitinkamai kondensuojasi, susidaro suvirinimo siūlė. Visa tai vyksta taip greitai, kad suvirinimo greitis gali lengvai pasiekti kelis metrus per minutę.

Supratę pagrindines galios tankio, šilumos laidumo suvirinimo ir giluminio įsiskverbimo suvirinimo sąvokas, toliau atliksime skirtingų šerdies skersmenų galios tankio ir metalografinių fazių lyginamąją analizę.

Suvirinimo eksperimentų, pagrįstų rinkoje įprastu lazerio šerdies skersmeniu, palyginimas:

Skirtingo šerdies skersmens lazerių židinio taško padėties galios tankis

Galios tankio požiūriu, esant tokiai pačiai galiai, kuo mažesnis šerdies skersmuo, tuo didesnis lazerio ryškumas ir tuo labiau koncentruota energija. Jei lazeris lyginamas su aštriu peiliu, kuo mažesnis šerdies skersmuo, tuo lazeris aštresnis. 14 um šerdies skersmens lazerio galios tankis yra daugiau nei 50 kartų didesnis nei 100 um šerdies skersmens lazerio, o apdorojimo galimybės yra stipresnės. Tuo pačiu metu čia apskaičiuotas galios tankis yra tik paprastas vidutinis tankis. Faktinis energijos pasiskirstymas yra apytikslis Gauso skirstinys, o centrinė energija kelis kartus viršys vidutinį galios tankį.

Lazerio energijos pasiskirstymo su skirtingais šerdies skersmenimis schema

Energijos pasiskirstymo diagramos spalva yra energijos pasiskirstymas. Kuo raudonesnė spalva, tuo didesnė energija. Raudonoji energija yra ta vieta, kur koncentruojasi energija. Skirtingo šerdies skersmens lazerio spindulių energijos paskirstymas matosi, kad lazerio spindulio priekis nėra aštrus, o lazerio spindulys yra aštrus. Kuo mažesnė, tuo labiau sutelkta energija viename taške, tuo ji aštresnė ir stipresnis jos įsiskverbimas.

Skirtingo šerdies skersmens lazerių suvirinimo efektų palyginimas

Lazerių su skirtingais šerdies skersmenimis palyginimas:

(1) Eksperimente naudojamas 150 mm/s greitis, fokusavimo padėties suvirinimas, o medžiaga yra 1 serijos aliuminis, 2 mm storio;

(2) Kuo didesnis šerdies skersmuo, tuo didesnis lydymosi plotis, tuo didesnė šilumos paveikta zona ir mažesnis vieneto galios tankis. Kai šerdies skersmuo viršija 200 um, nėra lengva pasiekti stiprios reakcijos lydinių, tokių kaip aliuminis ir varis, įsiskverbimo gylį, o didesnį gilų įsiskverbimo suvirinimą galima pasiekti tik naudojant didelę galią;

(3) Mažo branduolio lazeriai turi didelį galios tankį ir gali greitai išmušti raktų skylutes ant medžiagų, turinčių daug energijos ir mažų karščio paveiktų zonų, paviršiaus. Tačiau tuo pačiu metu suvirinimo siūlės paviršius yra šiurkštus, o rakto skylutės griūties tikimybė suvirinant mažu greičiu yra didelė, o suvirinimo ciklo metu rakto skylė uždaroma. Ciklas yra ilgas, todėl gali atsirasti defektų, tokių kaip defektai ir poros. Jis tinkamas greitam apdorojimui arba apdorojimui su svyravimo trajektorija;

(4) Didelio šerdies skersmens lazeriai turi didesnes šviesos dėmes ir labiau išsklaidytą energiją, todėl jie labiau tinka lazeriniam paviršiaus perlydymui, dengimui, atkaitinimui ir kitiems procesams.