Porovnanie zváracích účinkov laserov s rôznymi priemermi jadra

Laserové zváraniemožno dosiahnuť pomocou kontinuálnych alebo pulzných laserových lúčov. Princípylaserové zváraniemožno rozdeliť na tepelnovodivé zváranie a laserové hlbokopenetračné zváranie. Keď je hustota výkonu menšia ako 104~105 W/cm2, ide o tepelnovodivé zváranie. V tomto prípade je hĺbka penetrácie malá a rýchlosť zvárania je pomalá; keď je hustota výkonu väčšia ako 105~107 W/cm2, kovový povrch je v dôsledku tepla konkávny do „dier“, čím vzniká hlbokopenetračné zváranie, ktoré sa vyznačuje vysokou rýchlosťou zvárania a veľkým pomerom strán. Princíp tepelnej vodivostilaserové zváranieje: laserové žiarenie ohrieva opracovávaný povrch a povrchové teplo sa rozptyľuje dovnútra prostredníctvom tepelnej vodivosti. Riadením laserových parametrov, ako je šírka laserového impulzu, energia, špičkový výkon a opakovacia frekvencia, sa obrobok roztaví a vytvorí špecifický roztavený kúpeľ.

Laserové hlbokopenetračné zváranie vo všeobecnosti využíva na dokončenie spojenia materiálov kontinuálny laserový lúč. Jeho metalurgicko-fyzikálny proces je veľmi podobný zváraniu elektrónovým lúčom, to znamená, že mechanizmus premeny energie sa vykonáva prostredníctvom štruktúry „kľúčovej dierky“.

Pri laserovom ožiarení s dostatočne vysokou hustotou výkonu sa materiál odparuje a vytvárajú sa malé otvory. Tento malý otvor naplnený parou pôsobí ako čierne teleso a absorbuje takmer všetku energiu dopadajúceho lúča. Rovnovážna teplota v otvore dosahuje približne 2500 °C.°C. Teplo sa prenáša z vonkajšej steny vysokoteplotného otvoru, čo spôsobuje roztavenie kovu okolo otvoru. Malý otvor je naplnený vysokoteplotnou parou, ktorá vzniká neustálym odparovaním materiálu steny pod ožiarením lúčom. Steny malého otvoru sú obklopené roztaveným kovom a tekutý kov je obklopený pevnými materiálmi (pri väčšine konvenčných zváracích procesov a laserového vodivého zvárania sa energia najprv ukladá na povrch obrobku a potom sa prenosom prenáša do vnútra). Prúd kvapaliny mimo steny otvoru a povrchové napätie vrstvy steny sú v fáze s nepretržite generovaným tlakom pary v dutine otvoru a udržiavajú dynamickú rovnováhu. Svetelný lúč nepretržite vstupuje do malého otvoru a materiál mimo malého otvoru nepretržite prúdi. Keď sa svetelný lúč pohybuje, malý otvor je vždy v stabilnom stave prúdenia.

To znamená, že malý otvor a roztavený kov obklopujúci stenu otvoru sa pohybujú vpred s rýchlosťou pilotného lúča. Roztavený kov vyplní medzeru, ktorá zostane po odstránení malého otvoru, a zodpovedajúcim spôsobom kondenzuje, čím sa vytvorí zvar. Toto všetko sa deje tak rýchlo, že rýchlosť zvárania môže ľahko dosiahnuť niekoľko metrov za minútu.

Po pochopení základných konceptov hustoty výkonu, zvárania tepelnou vodivosťou a zvárania hlbokým prievarom vykonáme následne porovnávaciu analýzu hustoty výkonu a metalografických fáz rôznych priemerov jadra.

Porovnanie zváracích experimentov založených na bežných priemeroch laserových jadier na trhu:

Hustota výkonu ohniskovej polohy laserov s rôznymi priemermi jadra

Z hľadiska hustoty výkonu, pri rovnakom výkone platí, že čím menší je priemer jadra, tým vyšší je jas laseru a tým je energia koncentrovanejšia. Ak porovnáme laser s ostrým nožom, čím menší je priemer jadra, tým je laser ostrejší. Hustota výkonu laseru s priemerom jadra 14 μm je viac ako 50-krát väčšia ako u laseru s priemerom jadra 100 μm a spracovateľská kapacita je silnejšia. Zároveň je tu vypočítaná hustota výkonu iba jednoduchou priemernou hustotou. Skutočné rozdelenie energie je približné Gaussovo rozdelenie a centrálna energia bude niekoľkonásobne väčšia ako priemerná hustota výkonu.

Schematický diagram rozloženia laserovej energie s rôznymi priemermi jadra

Farba diagramu rozloženia energie predstavuje rozloženie energie. Čím červenšia je farba, tým vyššia je energia. Červená energia predstavuje miesto, kde je energia koncentrovaná. Prostredníctvom rozloženia laserovej energie laserových lúčov s rôznymi priemermi jadra je vidieť, že čelo laserového lúča nie je ostré a laserový lúč je ostrý. Čím je lúč menší, tým je energia koncentrovanejšia v jednom bode, tým je ostrejšia a tým silnejšia je jej prenikavá schopnosť.

Porovnanie zváracích účinkov laserov s rôznymi priemermi jadra

Porovnanie laserov s rôznymi priemermi jadra:

(1) Experiment používa rýchlosť 150 mm/s, zváranie v zaostrenej polohe a materiál je hliník série 1 s hrúbkou 2 mm;

(2) Čím väčší je priemer jadra, tým väčšia je šírka tavenia, tým väčšia je tepelne ovplyvnená zóna a tým menšia je hustota výkonu jednotky. Keď priemer jadra presiahne 200 μm, nie je ľahké dosiahnuť hĺbku prieniku do vysoko reakčných zliatin, ako je hliník a meď, a vyššiu hĺbku prieniku je možné dosiahnuť iba s vysokým výkonom;

(3) Malé jadrové lasery majú vysokú hustotu výkonu a dokážu rýchlo vyraziť kľúčové dierky na povrchu materiálov s vysokou energiou a malými tepelne ovplyvnenými zónami. Zároveň je však povrch zvaru drsný a pravdepodobnosť zrútenia kľúčovej dierky je vysoká pri nízkorýchlostnom zváraní a kľúčová dierka je počas zváracieho cyklu uzavretá. Cyklus je dlhý a náchylný na výskyt defektov, ako sú defekty a póry. Sú vhodné na vysokorýchlostné spracovanie alebo spracovanie s výkyvnou trajektóriou;

(4) Lasery s veľkým priemerom jadra majú väčšie svetelné škvrny a viac rozptýlenú energiu, vďaka čomu sú vhodnejšie na pretavovanie laserových povrchov, plátovanie, žíhanie a iné procesy.