1. Princip laserskog zavarivanja: interakcija između materijala
Laserska obrada metalnih materijala uglavnom se zasniva na termičkoj obradi fototermalnog efekta. Kada laser ozrači površinu materijala, na površini materijala će se pojaviti različite promjene pod različitim gustoćama snage. Ove promjene uključuju povećanje površinske temperature, topljenje, isparavanje, formiranje ključaonice i foto-inducirano stvaranje plazme. Štoviše, promjene u fizičkom stanju površine materijala uvelike utiču na apsorpciju lasera od strane materijala. Općenito, što je temperatura viša, to je veća stopa apsorpcije materijala na laser. Sa povećanjem gustine snage i vremena djelovanja, metalni materijali će pretrpjeti sljedeće promjene u fizičkim stanjima.
Jezgro laserskog zavarivanja su dvije: prijenos topline i provodljivost topline. Prijenos topline je povezan s izvorom topline, gustinom snage i energijom linije. Provođenje topline je uglavnom povezano s disipacijom topline i brzinom prijenosa topline materijala, što pripada svojstvima materijala, i općenito se može fino podesiti pomoću rashladnih uređaja vode i protoka zaštitnog plina. U procesu zavarivanja se uglavnom prilagođava izvor topline, gustina snage i energija linije. Uključeni parametri procesa su: prečnik jezgre lasera, snaga, brzina, defokus i tako dalje.
Postoje dvije glavne vrste laserskog zavarivanja prema stopi apsorpcije procesa zavarivanja. Jedno je toplotno provodljivo zavarivanje (odnos dubine i širine < 1, stopa laserske apsorpcije crvene svetlosti unutar 20%, različite talasne dužine imaju razlike). Drugi je zavarivanje dubokog prodiranja (odnos dubine i širine > 1, stopa apsorpcije je veća od stope apsorpcije bazena rastopljenog materijala, više od 60%, uglavnom apsorpcija višestruke refleksije lasera u ključaonici).
Lasersko toplotno provodljivo zavarivanje:
Različito lasersko zračenje će uzrokovati različite promjene u stanju materijala, što se odražava u procesu zavarivanja kao dva tipična načina zavarivanja: lasersko zavarivanje toplinske provodljivosti i lasersko zavarivanje dubokog prodora. Proces prijenosa topline, mehanizam formiranja zavara, tehnološke karakteristike i opseg primjene su vrlo različiti.
Način laserskog termičkog zavarivanja:
Tokom termičkog provodljivog zavarivanja, lasersko zračenje na površini radnog komada je u rasponu od 10E4~10E6W/cm. Laserska energija se apsorbira u tankom sloju površinskog sloja od 10 ~100m, a laserska energija površinskog sloja se prenosi u unutrašnjost materijala toplinskom provodljivošću, a laser se ne može direktno dodirnuti. Nakon određenog perioda laserskog zračenja, površina dolazi do topljenja, a ova izoterma topljenja se širi duboko u materijal, a temperatura površine nastavlja rasti. Međutim, najviša može doseći samo tačku ključanja materijala, a što je viša temperatura, materijal će ispariti i formirati jamu. Stabilan proces termičke provodljivosti zavarivanja će biti oštećen, zavareni bazen će oscilirati, a materijal će izgorjeti. Općenito, toplotno provodljivo zavarivanje se uglavnom koristi u tankim limovima i tu situaciju treba eliminirati. Relativnim kretanjem laserskog snopa i radnog komada formira se plitak i širok zavar, kao što je prikazano na donjoj slici. Odnos dubine i širine zavara je mali, a širina zavara je generalno više od 2 puta veća od dubine prodiranja. Sljedeća slika prikazuje profil tipičnog laserskog zavarivanja toplinske provodljivosti, a oblik vara je približno hemisferičan.
lasersko zavarivanje dubokog prodiranja:
Kada je zračenje veće od 10E7W/cm, površina materijala se topi i isparava pod dejstvom lasera, a generisani povratni pritisak pare utiče na rastopljeni bazen prema dole da bi se formirala ključaonica. Svjetlosni snop djeluje direktno na dno ključaonice, dalje topi i isparava metal. Plin pod visokim pritiskom se kontinuirano stvara iz unutrašnjosti ključaonice i kontinuirano izbija prema van, produbljujući tako rupu. Zraka također ide sve dublje i dublje, a laserski izvor topline također djeluje unutar materijala, prenoseći toplinu iz unutrašnjosti ključaonice na materijal kako bi se formirala dublja zona utjecaja topline. Istovremeno, ključaonica se puni plazmom djelimično ioniziranom parom visoke temperature, a iznad izlaza iz ključaonice formira se određeni raspon oblaka plazme.
Efekt ključaonice igra važnu ulogu u apsorpciji lasera u procesu laserskog zavarivanja. Laserski snop koji ulazi u ključaonicu se gotovo u potpunosti apsorbira kroz višestruke refleksije zida rupe. Kao što je prikazano na slici, ako je ključaonica konusna površina (sa uglom od ∅), svjetlosni snop koji pada duž osi konusa reflektira se ravno kroz konus prema dnu ključaonice i reflektira, reflektirajući ukupni od 180 stepeni /∅. Apsorpcija čelika je oko 13% po refleksiji. Kada je P=10 stepen postavljen, ukupna apsorpcija dostiže 92% u 18 refleksija, što je znatno poboljšano u poređenju sa toplotnom provodljivošću od 13%. Razlika između toplinske provodljivosti i dubokog topljenja općenito je prema metalurškoj dubini topljenja: širina topljenja je veća od 1, što se može smatrati dubokim topljenjem, jer pojava ključaonica poboljšava brzinu apsorpcije. Ova jednostavna metoda je pogodna za jednostruko lasersko zavarivanje. Kompozit nije prikladan za ovu procjenu, što je općenito zavarivanje dubokog prodora, a središnja greda ima efekat ključaonice.
2. Metalografsko poređenje lasera za zavarivanje sa različitim prečnikima jezgra
Nakon razumijevanja osnovne gustine snage, zavarivanja toplinske provodljivosti, koncepata zavarivanja dubokog prodiranja, zatim gustine snage različitih promjera jezgre i metalografske usporedne analize. Ovaj eksperiment zavarivanja provodi se za uobičajeni promjer laserske jezgre na tržištu.
Sa tačke gledišta gustine snage, pod istom snagom, što je prečnik jezgre manji, što je veća svetlost lasera, to je energija koncentrisana. Ako se laser uporedi sa oštrim nožem, što je manji prečnik jezgra lasera, to je oštriji. Gustoća snage prečnika jezgre od 14um je više od 50 puta veća od laserskog prečnika jezgre od 100um, a kapacitet obrade je jači. U isto vrijeme, ovdje izračunata gustina snage je jednostavno prosječna gustina. Stvarna raspodjela energije je približno Gausova, a centralna energija će biti nekoliko puta veća od prosječne gustine snage.
Poređenje lasera sa različitim prečnikom jezgre:
(1) Brzina eksperimenta je 150 mm/s, pozicija fokusa je zavarena, materijal je aluminijum serije 1, debljine 2 mm.
(2) Što je veći prečnik jezgra, veća je širina topljenja, veća je zona toplotnog uticaja i manja je gustina snage jedinice. Kada promjer jezgre premašuje 200 um, nije lako igrati duboku penetraciju na legurama s visokim stepenom obrnutosti kao što su aluminij i bakar, a potrebna je veća snaga da bi se postiglo zavarivanje dubokog prodora.
(3) Laser s malom jezgrom ima veliku gustinu snage, može brzo probiti ključaonice na površini materijala pri visokoj energiji, a zona utjecaja topline je mala, ali u isto vrijeme, površina zavara je hrapava, a vjerovatnoća kolaps ključaonice je visok pri zavarivanju malom brzinom. Ciklus zatvaranja ključaonice ciklusa zavarivanja je dug i lako se stvaraju nedostaci, poroznost i drugi nedostaci, što je pogodno za obradu velikom brzinom ili obradu sa putanjom zamaha.
(4) Laser sa velikim jezgrom zbog velike tačke, a energija je više raspršena, što je pogodnije za lasersko površinsko pretapanje, oblaganje, žarenje i druge procese.
3. Jednostavna analiza aplikacije
Prednosti i primjena malih jezgri lasera (< 100um)
(1) Visoko inverzni materijali: aluminijum, bakar, nerđajući čelik, nikal, molibden itd.
Visoko inverzni materijali moraju odabrati laser s malim promjerom jezgre. Laserski snop velike gustine koristi se za brzo zagrijavanje materijala do tečnog ili isparenog stanja, poboljšanje brzine laserske apsorpcije materijala i postizanje efikasne i brze obrade. Odaberite laser sa velikim prečnikom jezgre, što može lako dovesti do visoke reakcije, što rezultira virtuelnim zavarivanjem, pa čak i sagorevanjem lasera.
(2) Materijali osetljivi na pukotine: nikl, niklovani bakar, aluminijum, nerđajući čelik, legura titanijuma itd.
Ovaj materijal općenito zahtijeva strogu kontrolu zone pogođene toplinom, potrebu za malim otopljenim bazenom, a izbor lasera s malim promjerom jezgre je prikladniji.
(3) Laserska obrada velike brzine:
Zavarivanje dubokog prodiranja zahtijeva lasersku obradu velike brzine. Neophodno je odabrati laser velike gustine energije kako bi se osiguralo da je energija linije dovoljna za topljenje materijala velikom brzinom, posebno za zavarivanje sa preklapanjem, zavarivanje penetracijom i druge male lasere sa jezgrom sa većim zahtjevima za penetracijom.
Advantages and Applications of Large Core Laser (>100um)
Veliki prečnik jezgra, velika svetlosna tačka, velika površina pokrivanja toplote, široka površina nanošenja i samo za postizanje mikro-taljenja površine materijala. Veoma je pogodan za primenu u laserskom oblaganju, laserskom pretapanju, laserskom žarenju, laserskom očvršćavanju i tako dalje. U ovim područjima velike tačke znače veću efikasnost proizvodnje i manje defekte (termo provodljivo zavarivanje gotovo da nema nedostataka).
Kod zavarivanja, velika tačka se uglavnom koristi za kompozitno zavarivanje, koje se koristi za kompozitni laser sa malim prečnikom jezgre. Velike svjetlosne mrlje čine da se površina materijala lagano topi, od čvrstog do tekućeg, tako da je brzina apsorpcije materijala u laseru znatno poboljšana. Zatim upotrijebite mali promjer jezgre da probijete ključaonicu i probijete dubinu prodiranja. U ovom procesu, zbog predgrijavanja i naknadne obrade velikih svjetlosnih mrlja i velikog temperaturnog gradijenta rastopljenog bazena, na materijalu se ne mogu lako pojaviti pukotine uzrokovane brzim zagrijavanjem i brzim hlađenjem, a izgled vara je glatkiji. . Prskanje je manje nego kod jednog laserskog rješenja.
Xi'an Guosheng Laser Technology Co., Ltd. je visokotehnološko poduzeće specijalizirano za istraživanje i razvoj, proizvodnju i prodaju automatskih mašina za lasersko oblaganje, brzih laserskih mašina za oblaganje, mašina za lasersko gašenje, mašina za lasersko zavarivanje i opreme za lasersko 3D štampanje. Naši proizvodi su isplativi i prodaju se u zemlji i inostranstvu. Ako ste zainteresovani za naše proizvode, kontaktirajte nas na bob@gshenglaser.com.