Különböző magátmérőjű lézerek hegesztési hatásainak összehasonlítása

Lézeres hegesztésfolyamatos vagy impulzusos lézersugarakkal érhető el. Az alapelveklézeres hegesztésHővezetéses hegesztésre és lézeres mélyhegesztésre osztható. Ha a teljesítménysűrűség kisebb, mint 104~105 W/cm2, akkor hővezetéses hegesztésről van szó. Ekkor a behatolási mélység sekély, és a hegesztési sebesség alacsony; ha a teljesítménysűrűség nagyobb, mint 105~107 W/cm2, a fém felülete a hő hatására homorúvá válik, „lyukakká” válik, ami mélyhegesztést eredményez. Jellemzői a gyors hegesztési sebesség és a nagy képarány. A hővezetés elve.lézeres hegesztésa következőképpen működik: a lézersugárzás felmelegíti a megmunkálandó felületet, és a felületi hő hővezetés útján diffundál a belső térbe. A lézerparaméterek, például a lézerimpulzus szélessége, az energia, a csúcsteljesítmény és az ismétlési frekvencia szabályozásával a munkadarab megolvasztható, és egy adott olvadékfürdőt hoz létre.

A lézeres mélyhegesztés általában folyamatos lézersugarat használ az anyagok összekapcsolásához. Metallurgiai fizikai folyamata nagyon hasonlít az elektronsugaras hegesztéshez, azaz az energiaátalakítási mechanizmus egy „kulcslyuk” szerkezeten keresztül valósul meg.

Megfelelően nagy teljesítménysűrűségű lézerbesugárzás alatt az anyag elpárolog, és apró lyukak keletkeznek. Ez a gőzzel töltött apró lyuk egy fekete testhez hasonlít, amely a beeső sugár szinte teljes energiáját elnyeli. A lyuk egyensúlyi hőmérséklete eléri a 2500 °C körüli értéket.°C. A hő a magas hőmérsékletű furat külső faláról adódik át, ami megolvasztja a furatot körülvevő fémet. A kis furatot magas hőmérsékletű gőz tölti ki, amely a fal anyagának a sugár besugárzása alatti folyamatos párolgása által keletkezik. A kis furat falát olvadt fém veszi körül, a folyékony fémet pedig szilárd anyagok (a legtöbb hagyományos hegesztési eljárásban és a lézeres vezetéses hegesztésben az energia először a munkadarab felületére rakódik le, majd átvitellel a belsejébe jut). A furat falán kívüli folyadékáramlás és a falréteg felületi feszültsége fázisban van a furat üregében folyamatosan keletkező gőznyomással, és dinamikus egyensúlyt tart fenn. A fénysugár folyamatosan belép a kis furatba, és a kis furaton kívüli anyag folyamatosan áramlik. Ahogy a fénysugár mozog, a kis furat mindig stabil áramlási állapotban van.

Vagyis a kis lyuk és a lyukfalat körülvevő olvadt fém a vezetőgerenda előrehaladási sebességével mozog előre. Az olvadt fém kitölti a kis lyuk eltávolítása után keletkező rést, ennek megfelelően kondenzálódik, és létrejön a hegesztés. Mindez olyan gyorsan történik, hogy a hegesztési sebesség könnyen elérheti a percenkénti több métert.

Miután megértettük a teljesítménysűrűség, a hővezető képességű hegesztés és a mélypenetrációs hegesztés alapfogalmait, a következőkben összehasonlító elemzést végzünk a különböző magátmérők teljesítménysűrűségéről és metallográfiai fázisairól.

Hegesztési kísérletek összehasonlítása a piacon kapható gyakori lézermag-átmérők alapján:

Különböző magátmérőjű lézerek fókuszpontjának teljesítménysűrűsége

A teljesítménysűrűség szempontjából azonos teljesítmény mellett minél kisebb a magátmérő, annál nagyobb a lézer fényessége és annál koncentráltabb az energia. Ha a lézert egy éles késhez hasonlítjuk, minél kisebb a magátmérő, annál élesebb a lézer. A 14 μm-es magátmérőjű lézer teljesítménysűrűsége több mint 50-szerese a 100 μm-es magátmérőjű lézerének, és a feldolgozási képesség is erősebb. Ugyanakkor az itt kiszámított teljesítménysűrűség csak egy egyszerű átlagos sűrűség. A tényleges energiaeloszlás egy közelítő Gauss-eloszlás, és a központi energia többszöröse lesz az átlagos teljesítménysűrűségnek.

A lézerenergia-eloszlás vázlatos rajza különböző magátmérők esetén

Az energiaeloszlási diagram színe az energiaeloszlást jelöli. Minél vörösebb a szín, annál nagyobb az energia. A vörös energia az a hely, ahol az energia koncentrálódik. A különböző magátmérőjű lézersugarak lézerenergia-eloszlásán keresztül látható, hogy a lézersugár frontja nem éles, és a lézersugár éles. Minél kisebb, minél koncentráltabb az energia egy ponton, annál élesebb és annál erősebb az áthatolóképessége.

Különböző magátmérőjű lézerek hegesztési hatásainak összehasonlítása

Különböző magátmérőjű lézerek összehasonlítása:

(1) A kísérlet 150 mm/s sebességgel, fókuszpozíciós hegesztéssel történik, az anyag pedig 2 mm vastag 1-es sorozatú alumínium;

(2) Minél nagyobb a mag átmérője, annál nagyobb az olvadási szélesség, annál nagyobb a hőhatásövezet, és annál kisebb az egységnyi teljesítménysűrűség. Ha a mag átmérője meghaladja a 200 μm-t, a nagy reakcióképességű ötvözeteken, például az alumíniumon és a rézön nem könnyű behatolási mélységet elérni, és a nagyobb behatolási mélységű hegesztés csak nagy teljesítménnyel érhető el.

(3) A kismagos lézerek nagy teljesítménysűrűséggel rendelkeznek, és gyorsan képesek kulcslyukakat készíteni a nagy energiájú és kis hőhatásövezetű anyagok felületén. Ugyanakkor a hegesztés felülete érdes, és a kulcslyuk összeomlásának valószínűsége nagy alacsony sebességű hegesztés során, és a kulcslyuk a hegesztési ciklus alatt bezárul. A ciklus hosszú, és hajlamos hibák, például hibák és pórusok előfordulására. Alkalmas nagy sebességű megmunkáláshoz vagy lengőpályás megmunkáláshoz;

(4) A nagy magátmérőjű lézerek nagyobb fényfoltokkal és jobban diszpergált energiával rendelkeznek, így alkalmasabbak lézeres felület újraolvasztásra, plattírozásra, lágyításra és egyéb folyamatokra.