Lazerių su skirtingais šerdies skersmenimis suvirinimo efektų palyginimas

Lazerinis suvirinimasgalima pasiekti naudojant nuolatinius arba impulsinius lazerio spindulius. Principailazerinis suvirinimasGalima suskirstyti į šilumos laidumo suvirinimą ir lazerinį giluminio įsiskverbimo suvirinimą. Kai galios tankis yra mažesnis nei 104–105 W/cm2, tai yra šilumos laidumo suvirinimas. Šiuo atveju įsiskverbimo gylis yra mažas, o suvirinimo greitis – mažas; kai galios tankis yra didesnis nei 105–107 W/cm2, metalo paviršius dėl karščio įgaubtas į „skyles“, susidarant giluminio įsiskverbimo suvirinimui, kuris pasižymi dideliu suvirinimo greičiu ir dideliu kraštinių santykiu. Šilumos laidumo principaslazerinis suvirinimasyra toks: lazerio spinduliuotė kaitina apdorojamą paviršių, o paviršiaus šiluma per šilumos laidumą pasklinda į vidų. Valdant lazerio parametrus, tokius kaip lazerio impulsų plotis, energija, didžiausia galia ir pasikartojimo dažnis, ruošinys išlydomas, suformuojant specifinį išlydyto metalo telkinį.

Lazerinis giluminio įsiskverbimo suvirinimas paprastai naudoja nepertraukiamą lazerio spindulį medžiagoms sujungti. Jo metalurginis fizikinis procesas labai panašus į elektronų pluošto suvirinimą, t. y. energijos konversijos mechanizmas užbaigiamas per „rakto skylutės“ struktūrą.

Veikiant pakankamai didelio galios tankio lazerio spinduliuote, medžiaga išgaruoja ir susidaro mažos skylutės. Ši maža, garais užpildyta skylutė yra tarsi juodas kūnas, sugeriantis beveik visą krintančio spindulio energiją. Skylės pusiausvyros temperatūra siekia apie 2500°C. Šiluma perduodama iš aukštos temperatūros skylės išorinės sienelės, todėl skylę supantis metalas išsilydo. Maža skylė užpildoma aukštos temperatūros garais, susidarančiais nuolat garuojant sienelės medžiagai veikiant šviesos spinduliuotei. Mažos skylės sieneles supa išlydytas metalas, o skystą metalą – kietos medžiagos (daugumoje įprastų suvirinimo procesų ir lazerinio laidumo suvirinimo energija pirmiausia nusėda ant ruošinio paviršiaus, o po to perduodama į vidų). Skysčio srautas už skylės sienelės ribų ir sienelės sluoksnio paviršiaus įtempimas sutampa su nuolat generuojamu garų slėgiu skylės ertmėje ir palaiko dinaminę pusiausvyrą. Šviesos spindulys nuolat patenka į mažą skylę, o medžiaga už mažos skylės ribų nuolat teka. Šviesos spinduliui judant, maža skylė visada yra stabilioje tekėjimo būsenoje.

Kitaip tariant, maža skylutė ir ją supantis išlydytas metalas juda į priekį kartu su pilotinės sijos greičiu. Išlydytas metalas užpildo tarpą, likusį pašalinus mažą skylutę, atitinkamai kondensuojasi ir 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 gilaus įsiskverbimo suvirinimo sąvokas, atliksime skirtingų šerdies skersmenų galios tankio ir metalografinių fazių lyginamąją analizę.

Suvirinimo eksperimentų, pagrįstų įprastais rinkoje esančiais lazerio šerdies skersmenimis, palyginimas:

Lazerių su skirtingais šerdies skersmenimis 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. Lyginant lazerį su aštriu peiliu, kuo mažesnis šerdies skersmuo, tuo lazeris aštresnis. 14 μm šerdies skersmens lazerio galios tankis yra daugiau nei 50 kartų didesnis nei 100 μm šerdies skersmens lazerio, o apdorojimo galimybės yra didesnės. Tuo pačiu metu čia apskaičiuotas galios tankis yra tik paprastas vidutinis tankis. Tikrasis energijos pasiskirstymas yra apytikslis Gauso pasiskirstymas, o centrinė energija bus kelis kartus didesnė už vidutinį galios tankį.

Lazerio energijos pasiskirstymo schema su skirtingais šerdies skersmenimis

Energijos pasiskirstymo diagramos spalva rodo energijos pasiskirstymą. Kuo raudonesnė spalva, tuo didesnė energija. Raudona energija žymi vietą, kurioje energija sutelkta. Žvelgiant į skirtingo šerdies skersmens lazerio spindulių energijos pasiskirstymą, matyti, kad lazerio spindulio frontas nėra aštrus, o pats lazerio spindulys yra aštrus. Kuo mažesnis, kuo labiau energija sutelkta viename taške, tuo ji ryškesnė ir tuo stipresnis jos prasiskverbimo gebėjimas.

Lazerių su skirtingais šerdies skersmenimis suvirinimo efektų palyginimas

Lazerių su skirtingais šerdies skersmenimis palyginimas:

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

(2) Kuo didesnis šerdies skersmuo, tuo didesnis lydymosi plotis, tuo didesnė karščio paveikta zona ir tuo mažesnis vieneto galios tankis. Kai šerdies skersmuo viršija 200 μm, sunku pasiekti įsiskverbimo gylį didelės reakcijos lydiniuose, tokiuose kaip aliuminis ir varis, o didesnis gilus įsiskverbimo gylis gali būti pasiektas tik esant didelei galiai;

(3) Mažo branduolio lazeriai pasižymi dideliu galios tankiu ir gali greitai išmušti rakto skylutes medžiagų paviršiuje, turinčiose didelę energiją ir mažas karščio paveiktas zonas. Tačiau tuo pačiu metu suvirinimo paviršius yra šiurkštus, o rakto skylutės sugriuvimo tikimybė mažo greičio suvirinimo metu yra didelė, o suvirinimo ciklo metu rakto skylutė yra uždara. Ciklas yra ilgas, todėl gali atsirasti defektų, tokių kaip defektai ir poros. Jie tinka 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, plakiravimui, atkaitinimui ir kitiems procesams.