Лазерно заваряванеможе да се постигне с помощта на непрекъснати или импулсни лазерни лъчи. Принципите налазерно заваряванеможе да се раздели на топлопроводимо заваряване и лазерно дълбокопроникващо заваряване. Когато плътността на мощността е по-малка от 104~105 W/cm2, това е топлопроводимо заваряване. В този случай дълбочината на проникване е малка, а скоростта на заваряване е бавна; когато плътността на мощността е по-голяма от 105~107 W/cm2, металната повърхност е вдлъбната в „дупки“ поради топлината, образувайки дълбокопроникващо заваряване, което се характеризира с висока скорост на заваряване и голямо съотношение на страните. Принципът на топлопроводимостлазерно заваряванее: лазерното лъчение нагрява повърхността, която ще се обработва, а повърхностната топлина се разпространява във вътрешността чрез топлопроводимост. Чрез контролиране на лазерни параметри като ширина на лазерния импулс, енергия, пикова мощност и честота на повторение, детайлът се разтопява, за да образува специфична разтопена вана.
Лазерното заваряване с дълбоко проникване обикновено използва непрекъснат лазерен лъч за завършване на свързването на материалите. Металургичният физически процес е много подобен на този при електроннолъчевото заваряване, т.е. механизмът на преобразуване на енергията се осъществява чрез структура „ключова дупка“.
Под въздействието на лазерно облъчване с достатъчно висока плътност на мощността, материалът се изпарява и се образуват малки дупки. Тази малка дупка, запълнена с пара, е като черно тяло, абсорбиращо почти цялата енергия на падащия лъч. Равновесната температура в дупката достига около 2500°F (2500°F).°C. Топлината се пренася от външната стена на високотемпературния отвор, което води до топене на метала около отвора. Малкият отвор се запълва с високотемпературна пара, генерирана от непрекъснатото изпаряване на материала на стената под облъчването на лъча. Стените на малкия отвор са обградени от разтопен метал, а течният метал е обграден от твърди материали (при повечето конвенционални заваръчни процеси и лазерно проводимо заваряване, енергията първо се отлага върху повърхността на детайла и след това се пренася във вътрешността чрез пренос). Потокът на течност извън стената на отвора и повърхностното напрежение на стенния слой са във фаза с непрекъснато генерираното налягане на парата в кухината на отвора и поддържат динамичен баланс. Светлинният лъч непрекъснато навлиза в малкия отвор и материалът извън малкия отвор непрекъснато тече. Докато светлинният лъч се движи, малкият отвор винаги е в стабилно състояние на поток.
Тоест, малкият отвор и разтопеният метал, обграждащ стената на отвора, се движат напред със скоростта на пилотния лъч. Разтопеният метал запълва празнината, останала след отстраняването на малкия отвор, и кондензира съответно, като по този начин се образува заварката. Всичко това се случва толкова бързо, че скоростта на заваряване може лесно да достигне няколко метра в минута.
След като разберем основните понятия за плътност на мощността, топлопроводимо заваряване и заваряване с дълбоко проникване, ще проведем сравнителен анализ на плътността на мощността и металографските фази с различни диаметри на сърцевината.
Сравнение на заваръчни експерименти, базирани на често срещани диаметри на лазерни ядра на пазара:
Плътност на мощността на фокусното петно на лазери с различни диаметри на сърцевината
От гледна точка на плътността на мощността, при една и съща мощност, колкото по-малък е диаметърът на ядрото, толкова по-висока е яркостта на лазера и толкова по-концентрирана е енергията. Ако лазерът се сравни с остър нож, колкото по-малък е диаметърът на ядрото, толкова по-остър е лазерът. Плътността на мощността на лазера с диаметър на ядрото 14μm е повече от 50 пъти по-голяма от тази на лазера с диаметър на ядрото 100μm, а капацитетът за обработка е по-силен. В същото време, изчислената тук плътност на мощността е просто средна плътност. Действителното разпределение на енергията е приблизително Гаусово разпределение, а централната енергия ще бъде няколко пъти по-голяма от средната плътност на мощността.
Схематична диаграма на разпределението на лазерната енергия с различни диаметри на ядрото
Цветът на диаграмата за разпределение на енергията е разпределението на енергията. Колкото по-червен е цветът, толкова по-висока е енергията. Червената енергия е мястото, където е концентрирана енергията. Чрез разпределението на лазерната енергия на лазерни лъчи с различни диаметри на сърцевината може да се види, че фронтът на лазерния лъч не е остър, а самият лазерен лъч е остър. Колкото по-малък е лазерът, толкова по-концентрирана е енергията в една точка, толкова по-остър е той и толкова по-силна е проникващата му способност.
Сравнение на заваръчните ефекти на лазери с различни диаметри на сърцевината
Сравнение на лазери с различни диаметри на сърцевината:
(1) Експериментът използва скорост от 150 мм/с, заваряване във фокусна позиция, а материалът е алуминий от серия 1 с дебелина 2 мм;
(2) Колкото по-голям е диаметърът на сърцевината, толкова по-голяма е ширината на топене, толкова по-голяма е зоната на топлинно въздействие и толкова по-малка е плътността на мощността на единицата. Когато диаметърът на сърцевината надвишава 200μm, не е лесно да се постигне дълбочина на проникване във високореактивни сплави като алуминий и мед, а по-дълбоко проникване може да се постигне само с висока мощност;
(3) Лазерите с малка сърцевина имат висока плътност на мощността и могат бързо да пробиват ключови отвори в повърхността на материали с висока енергия и малки зони, засегнати от топлина. В същото време обаче повърхността на заваръчния шев е грапава и вероятността от срутване на ключалката е висока при нискоскоростно заваряване, а ключалката се затваря по време на цикъла на заваряване. Цикълът е дълъг и е склонен към поява на дефекти като дефекти и пори. Подходящи са за високоскоростна обработка или обработка с траектория на люлеене;
(4) Лазерите с голям диаметър на сърцевината имат по-големи светлинни петна и по-разпръсната енергия, което ги прави по-подходящи за лазерно претопяване на повърхности, плакиране, отгряване и други процеси.
Време на публикуване: 06 октомври 2023 г.
