Jämförelse av svetseffekten av laser med olika kärndiameter

Laserbehandlingen av metallmaterial är huvudsakligen baserad på termisk bearbetning av den fototermiska effekten. När lasern bestrålar materialets yta kommer olika förändringar att ske i materialets yta under olika effekttätheter. Dessa förändringar inkluderar ökad yttemperatur, smältning, förångning, nyckelhålsbildning och fotoinducerad plasmagenerering. Dessutom påverkar förändringar i det fysiska tillståndet hos materialets ytarea i hög grad absorptionen av lasern av materialet. I allmänhet gäller att ju högre temperatur, desto högre absorptionshastighet för materialet till lasern. Med ökningen av effekttäthet och verkanstid kommer metallmaterial att genomgå följande förändringar i fysiska tillstånd.

Kärnan i lasersvetsning är två: värmeöverföring och värmeledning. Värmeöverföring är relaterad till värmekälla, effekttäthet och linjeenergi. Värmeledning är huvudsakligen relaterad till materialets värmeavledning och värmeöverföringshastighet, vilket hör till materialets inneboende egenskaper, och kan i allmänhet finjusteras av vattenkylningsarmaturer och skyddande gasflöde. I svetsprocessen justeras huvudsakligen värmekällan, effekttätheten och linjeenergin. Processparametrarna som är involverade är: laserkärndiameter, effekt, hastighet, oskärpa och så vidare.

Det finns två huvudtyper av lasersvetsning beroende på svetsprocessens absorptionshastighet. En är värmeledande svetsning (djup-till-bredd-förhållande < 1, laserabsorptionshastighet för rött ljus inom 20 %, olika våglängder har skillnader). Den andra är djup penetrationssvetsning (djup-till-bredd-förhållande > 1, absorptionshastigheten är större än absorptionshastigheten för materialsmältpoolen, mer än 60%, främst laserns multipelreflektionsabsorption i nyckelhålet).

Lasersvetsning för värmeledning:

Olika laserstrålning kommer att orsaka olika förändringar i materialtillståndet, vilket återspeglas i svetsprocessen som två typiska svetslägen: laservärmeledningssvetsning och laserdjupsvetsning. Värmeöverföringsprocessen, svetsbildningsmekanismen, tekniska egenskaper och tillämpningsområde för de två är mycket olika.

Laservärmeledningssvetsningsläge:

Under värmeledande svetsning är laserstrålningen på arbetsstyckets yta i intervallet 10E4~10E6W/cm. Laserenergin absorberas av det tunna skiktet av ytskiktet på 10 ~ 100m, och laserenergin i ytskiktet överförs till det inre av materialet genom värmeledning, och lasern kan inte vidröras direkt. Efter en viss period av laserbestrålning når ytan smältning, och denna smältisoterm fortplantar sig djupt in i materialet och yttemperaturen fortsätter att stiga. Den högsta kan dock bara nå materialets kokpunkt, och ju högre temperatur kommer materialet att förångas och bilda en grop. Den stabila värmeledningssvetsprocessen kommer att skadas, svetspoolen kommer att oscillera och materialet kommer att brännas. I allmänhet används värmeledande svetsning mest i tunna plåtar, och denna situation måste elimineras. Med den relativa rörelsen av laserstrålen och arbetsstycket bildas en grund och bred svets, som visas i figuren nedan. Svetsens djup-till-bredd-förhållande är litet, och svetsbredden är i allmänhet mer än 2 gånger penetrationsdjupet. Följande figur visar profilen för en typisk laservärmekonduktivitetssvets, och svetsformen är ungefär halvsfärisk.

laser djup penetrationssvetsning:

När irradiansen är större än 10E7W/cm smälter materialets yta och förångas under inverkan av lasern, och det genererade ångrekyltrycket slår den smälta poolen nedåt för att bilda nyckelhålet. Ljusstrålen verkar direkt på botten av nyckelhålet och smälter och förångar metallen ytterligare. Högtrycksgas genereras kontinuerligt från insidan av nyckelhålet och bryter kontinuerligt ut utåt, vilket fördjupar hålet ytterligare. Strålen går också djupare och djupare, och laservärmekällan verkar också inuti materialet och överför värme från insidan av nyckelhålet till materialet för att bilda en djupare värmepåverkad zon. Samtidigt fylls nyckelhålet med plasma som delvis joniserats av högtemperaturånga, och ett visst antal plasmamoln bildas ovanför nyckelhålets utgång.

Nyckelhålseffekten spelar en viktig roll i absorptionen av laser i lasersvetsprocessen. Laserstrålen som kommer in i nyckelhålet absorberas nästan helt genom flera reflektioner av hålväggen. Som visas i figuren, om nyckelhålet är en konisk yta (med en vinkel på ∅), reflekteras en ljusstråle som infaller längs den koniska axeln rakt genom könen mot botten av nyckelhålet och reflekteras, vilket reflekterar totalt av 180 grader /∅. Absorptionen av stål är cirka 13 % per reflektion. När P=10-graden är inställd når den totala absorptionsförmågan 92 % i 18 reflektioner, vilket är avsevärt förbättrat jämfört med värmeledningsförmågan på 13 %. Skillnaden mellan värmeledningsförmåga och djupsmältning är i allmänhet enligt det metallurgiska smältdjupet: smältbredden är större än 1, vilket kan betraktas som djupsmältning, eftersom utseendet på nyckelhål förbättrar absorptionshastigheten. Denna enkla metod är lämplig för enkellasersvetsning. Komposit lämpar sig inte för denna bedömning, som i allmänhet är djupsvetsning, och mittbalken har en nyckelhålseffekt.

Efter att ha förstått den grundläggande effekttätheten, termisk konduktivitetssvetsning, djup penetrationssvetskoncept, sedan effekttätheten för olika kärndiametrar och metallografisk jämförelseanalys. Detta svetsexperiment utförs för den vanliga laserkärndiametern på marknaden.

Ur effekttäthetssynpunkt, under samma effekt, ju finare kärndiameter, desto högre laserljusstyrka, desto mer koncentrerad energi. Om lasern jämförs med en vass kniv, ju mindre kärndiametern på lasern är, desto vassare. Effekttätheten för 14um kärndiameter är mer än 50 gånger den för 100um kärndiameter laser, och bearbetningskapaciteten är starkare. Samtidigt är den här beräknade effekttätheten helt enkelt medeldensiteten. Den faktiska energifördelningen är ungefär Gaussisk, och den centrala energin kommer att vara flera gånger den genomsnittliga effekttätheten.

Laserjämförelse med olika kärndiameter:

(1) Experimentets hastighet är 150 mm/s, fokuspositionen är svetsad, materialet är 1 serie aluminium, 2 mm tjockt.

(2) Ju större kärndiametern är, desto större är smältbredden, desto större är den värmepåverkade zonen och desto mindre blir enhetens effekttäthet. När kärndiametern överstiger 200um är det inte lätt att spela djup penetration på höga omvända legeringar som aluminium och koppar, och högre effekt krävs för att uppnå djup penetrationssvetsning.

(3) Den lilla kärnlasern har hög effekttäthet, kan snabbt slå nyckelhål på materialets yta med hög energi, och den värmepåverkade zonen är liten, men samtidigt är svetsytan grov och sannolikheten för Nyckelhålskollapsen är hög vid låghastighetssvetsning. Svetscykelns nyckelhålsstängningscykel är lång och är lätt att producera defekter, porositet och andra defekter, vilket är lämpligt för höghastighetsbearbetning eller bearbetning med svängbana.

(4) Stor kärnlaser på grund av den stora fläcken, och energin är mer spridd, vilket är mer lämpligt för laserytomsmältning, beklädnad, glödgning och andra processer.

Fördelar och tillämpningar med Small Core Laser (< 100um)

(1) Höga omvända material: aluminium, koppar, rostfritt stål, nickel, molybden, etc.
Höga omvända material måste välja en laser med liten kärndiameter. Laserstrålen med hög effekttäthet används för att snabbt värma materialet till flytande eller förångat tillstånd, förbättra materialets laserabsorptionshastighet och uppnå effektiv och snabb bearbetning. Välj en laser med stor kärndiameter, vilket lätt kan leda till hög reaktion, vilket resulterar i virtuell svetsning och till och med bränning av lasern.

(2) Sprickkänsliga material: nickel, nickelpläterad koppar, aluminium, rostfritt stål, titanlegering, etc.

Detta material kräver i allmänhet strikt kontroll av den värmepåverkade zonen, behovet av en liten smält pool och valet av en laser med liten kärndiameter är mer lämpligt.

(3) Höghastighets laserbehandling:

Djup penetrationssvetsning kräver höghastighets laserbehandling. Det är nödvändigt att välja en laser med hög energitäthet för att säkerställa att linjeenergin är tillräcklig för att smälta materialet med hög hastighet, speciellt för överlappssvetsning, penetrationssvetsning och andra små kärnlasrar med högre penetrationskrav.

Advantages and Applications of Large Core Laser (>100um)

Stor kärndiameter, stor ljuspunkt, stor värmetäckningsområde, bred applikationsyta, och endast för att uppnå materialytans mikrosmältning. Den är mycket lämplig för applicering i laserbeklädnad, laseromsmältning, laserglödgning, laserhärdning och så vidare. I dessa områden betyder stora fläckar högre produktionseffektivitet och lägre defekter (värmeledande svetsning har nästan inga defekter).

Vid svetsning används den stora punkten främst för kompositsvetsning, som används för kompositlaser med små kärndiametrar. Stora ljusfläckar gör att materialets yta smälter något, från fast till flytande, så att absorptionshastigheten för materialet till lasern förbättras avsevärt. Använd sedan en liten kärndiameter för att stansa nyckelhålet och stansa inträngningsdjupet. I denna process, på grund av förvärmning och efterbearbetning av stora ljusfläckar och den stora temperaturgradienten hos den smälta poolen, är materialet inte lätt att uppstå sprickor orsakade av snabb uppvärmning och snabb kylning, och svetsens utseende är jämnare . Stänket är lägre än det för en enda laserlösning.

Xi'an Guosheng Laser Technology Co., Ltd. är ett högteknologiskt företag som specialiserat sig på FoU, tillverkning och försäljning av automatisk laserbeklädnadsmaskin, höghastighetslaserbeklädnadsmaskin, lasersläckningsmaskin, lasersvetsmaskin och laser 3D-utskriftsutrustning. Våra produkter är kostnadseffektiva och säljs inrikes och utomlands. Om du är intresserad av våra produkter, vänligen kontakta oss på bob@gshenglaser.com.