1. Laserkeevituse põhimõte: materjalide vastastikune mõju
Metallmaterjalide lasertöötlus põhineb peamiselt fototermilise efekti termilisel töötlemisel. Kui laser kiiritab materjali pinda, tekivad materjali pindalas erinevad muutused erinevate võimsustiheduste korral. Need muutused hõlmavad pinnatemperatuuri tõusu, sulamist, aurustumist, võtmeaukude moodustumist ja fotoga indutseeritud plasma teket. Lisaks mõjutavad materjali pinna füüsikalise oleku muutused suurel määral laseri neeldumist materjali poolt. Üldiselt, mida kõrgem on temperatuur, seda suurem on materjali neeldumiskiirus laseriga. Võimsuse tiheduse ja toimeaja suurenemisega toimuvad metallmaterjalide füüsikalises olekus järgmised muutused.
Laserkeevituse tuumaks on kaks: soojusülekanne ja soojusjuhtivus. Soojusülekanne on seotud soojusallika, võimsustiheduse ja liinienergiaga. Soojusjuhtivus on peamiselt seotud materjali soojuse hajumise ja soojusülekande kiirusega, mis kuulub materjali olemuslike omaduste hulka ning mida saab üldiselt peenhäälestada vesijahutusseadmete ja kaitsva gaasivoolu abil. Keevitusprotsessis reguleeritakse peamiselt soojusallikat, võimsustihedust ja liini energiat. Protsessi parameetrid on järgmised: lasersüdamiku läbimõõt, võimsus, kiirus, defookus ja nii edasi.
Vastavalt keevitusprotsessi neeldumiskiirusele on kaks peamist laserkeevitamise tüüpi. Üks on soojusjuhtiv keevitamine (sügavuse ja laiuse suhe < 1, punase valguse laseri neeldumismäär 20% piires, erinevatel lainepikkustel on erinevused). Teine on sügava läbitungimisega keevitamine (sügavuse ja laiuse suhe> 1, neeldumiskiirus on suurem kui materjali sulamisbasseini neeldumiskiirus, üle 60%, peamiselt laseri mitmekordse peegelduse neeldumine võtmeaugus).
Lasersoojusjuhtivusega keevitamine:
Erinevad laserikiirgused põhjustavad materjali olekus erinevaid muutusi, mis kajastuvad keevitusprotsessis kahe tüüpilise keevitusrežiimina: soojusjuhtivusega laserkeevitus ja lasersügavkeevitus. Soojusülekande protsess, keevisõmbluse moodustamise mehhanism, tehnoloogilised omadused ja nende kahe kasutusala on väga erinevad.
Lasersoojusjuhtivusega keevitusrežiim:
Soojust juhtiva keevitamise ajal on laseri kiirgusintensiivsus tooriku pinnal vahemikus 10E4-10E6W/cm. Laseri energia neelab õhuke pinnakihi kiht 10–100 m ja pinnakihi laserenergia edastatakse soojusjuhtivuse teel materjali sisemusse ja laserit ei saa otseselt puudutada. Teatud laserkiirguse perioodi järel jõuab pind sulamiseni ja see sulamisisoterm levib sügavale materjali ning pinnatemperatuur jätkab tõusmist. Kuid kõrgeim võib jõuda ainult materjali keemistemperatuurini ja mida kõrgem on temperatuur, materjal aurustub, moodustades süvendi. Stabiilne soojusjuhtivusega keevitusprotsess saab kahjustatud, keevisvann võngub ja materjal põleb. Üldiselt kasutatakse soojusjuhtivat keevitamist enamasti õhukeste lehtede puhul ja see olukord tuleb kõrvaldada. Laserkiire ja tooriku suhtelise liikumisega moodustub madal ja lai keevisõmblus, nagu on näidatud alloleval joonisel. Keevisõmbluse sügavuse ja laiuse suhe on väike ja keevisõmbluse laius on üldiselt rohkem kui 2 korda suurem läbitungimissügavusest. Järgmisel joonisel on kujutatud tüüpilise lasersoojusjuhtivusega keevisõmbluse profiil ja keevisõmbluse kuju on ligikaudu poolkerakujuline.
Laser-sügavkeevitus:
Kui kiirgustihedus on suurem kui 10E7W/cm, siis materjali pind sulab ja aurustub laseri toimel ning tekkiv auru tagasilöögirõhk mõjutab sulabasseini allapoole, moodustades võtmeaugu. Valguskiir mõjub otse võtmeaugu põhja, sulatades ja aurustades metalli veelgi. Võtmeaugu sisemusest tekib pidevalt kõrgsurvegaas, mis purskab pidevalt väljapoole, süvendades seega auku veelgi. Kiir läheb ka aina sügavamale ja lasersoojusallikas toimib ka materjali sees, kandes soojust võtmeaugu sisemusest materjalile, moodustades sügavama kuumusest mõjutatud tsooni. Samal ajal täitub lukuauk kõrgtemperatuurse auruga osaliselt ioniseeritud plasmaga ning lukuaugu väljapääsu kohale moodustub teatud ulatus plasmapilve.
Võtmeaugu efekt mängib laserkeevitusprotsessis laseri neeldumisel olulist rolli. Võtmeauku sisenev laserkiir neeldub peaaegu täielikult läbi ava seina mitmekordse peegelduse. Nagu on näidatud joonisel, kui võtmeauk on kooniline pind (nurgaga ∅), peegeldub piki koonuse telge langev valguskiir otse läbi koonuse võtmeaugu põhja poole ja peegeldub, peegeldades kogusummat. 180 kraadi /∅. Terase neeldumine on umbes 13% peegelduse kohta. Kui P=10 aste on seatud, jõuab koguneelduvus 18 peegelduse korral 92%-ni, mis on tunduvalt parem võrreldes soojusjuhtivusega 13%. Soojusjuhtivus ja sügavsulamine eristatakse üldiselt metallurgilise sulamissügavuse järgi: sulamislaius on suurem kui 1, mida võib lugeda sügavsulamiseks, sest võtmeaukude ilmumine parandab neeldumiskiirust. See lihtne meetod sobib ühe laserkeevitamiseks. Komposiit ei sobi selle otsuse jaoks, milleks on üldiselt sügav läbitungiv keevitamine, ja kesktalal on võtmeaugu efekt.
2. Erineva südamiku läbimõõduga laseri keevitamise metallograafiline võrdlus
Pärast põhilise võimsustiheduse, soojusjuhtivusega keevitamise, sügava läbitungimisega keevitamise kontseptsioonide mõistmist, seejärel erinevate südamiku läbimõõtude võimsustihedust ja metallograafilist võrdlusanalüüsi. See keevituskatse viiakse läbi turul levinud lasersüdamiku läbimõõduga.
Võimsustiheduse seisukohalt on sama võimsuse all nii, et mida peenem on südamiku läbimõõt, mida suurem on laseri heledus, seda kontsentreeritum on energia. Kui laserit võrrelda terava noaga, siis mida väiksem on laseri südamiku läbimõõt, seda teravam. 14 um südamiku läbimõõduga laseri võimsustihedus on rohkem kui 50 korda suurem kui 100 um südamiku läbimõõduga laseril ja töötlemisvõimsus on suurem. Samas on siin arvutatud võimsustihedus lihtsalt keskmine tihedus. Tegelik energiajaotus on ligikaudu Gaussi jaotus ja keskne energia on mitu korda suurem kui keskmine võimsustihedus.
Erineva südamiku läbimõõduga laseri võrdlus:
(1) Katse kiirus on 150mm/s, fookusasend on keevitatud, materjal on 1-seeria alumiinium, paksusega 2mm.
(2) Mida suurem on südamiku läbimõõt, seda suurem on sulamislaius, seda suurem on kuumusest mõjutatud tsoon ja seda väiksem on ühiku võimsustihedus. Kui südamiku läbimõõt ületab 200 um, ei ole lihtne läbi viia sügavat läbitungimist kõrgetel pöördsulamitel, nagu alumiinium ja vask, ning sügava läbitungimiskeevituse saavutamiseks on vaja suuremat võimsust.
(3) Väikese südamikuga laseril on suur võimsustihedus, see suudab kiiresti materjali pinnale suure energiaga võtmeauke teha ja kuumusest mõjutatud tsoon on väike, kuid samal ajal on keevispind kare ja tõenäosus võtmeaugu kokkuvarisemine on madalal kiirusel keevitamisel suur. Keevitustsükli võtmeaugu sulgemise tsükkel on pikk ja sellel on lihtne tekitada defekte, poorsust ja muid defekte, mis sobib kiireks töötlemiseks või pöördetrajektooriga töötlemiseks.
(4) Suure täpi tõttu on suur südamikuga laser ja energia on hajutatud, mis sobib paremini laserpinna ümbersulatamiseks, katteks, lõõmutamiseks ja muudeks protsessideks.
3. Lihtne rakendusanalüüs
Väikese südamiku laseri eelised ja rakendused (< 100um)
(1) Kõrge pöördmaterjalid: alumiinium, vask, roostevaba teras, nikkel, molübdeen jne.
Kõrge pöördväärtusega materjalid peavad valima väikese südamiku läbimõõduga laseri. Suure võimsusega laserkiirt kasutatakse materjali kiireks kuumutamiseks veeldatud või aurustatud olekusse, materjali laseri neeldumiskiiruse parandamiseks ning tõhusaks ja kiireks töötlemiseks. Valige suure südamiku läbimõõduga laser, mis võib kergesti viia kõrge reaktsioonini, mille tulemuseks on virtuaalne keevitamine ja laseri isegi põlemine.
(2) Pragude suhtes tundlikud materjalid: nikkel, nikeldatud vask, alumiinium, roostevaba teras, titaanisulam jne.
See materjal nõuab üldiselt kuumusest mõjutatud tsooni ranget kontrolli, väikese sulabasseini vajadust ja sobivam on väikese südamiku läbimõõduga laseri valik.
(3) Kiire lasertöötlus:
Sügava läbitungimisega keevitamine nõuab kiiret lasertöötlust. On vaja valida suure energiatihedusega laser tagamaks, et liini energiast piisab materjali suurel kiirusel sulatamiseks, eriti kattuva keevitamise, läbitungkeevituse ja muude suuremate läbitungimisnõuetega väikeste südamikuga laserite puhul.
Advantages and Applications of Large Core Laser (>100 um)
Suur südamiku läbimõõt, suur valguspunkt, suur soojuskatvusala, lai kasutuspind ja ainult materjali pinna mikrosulamise saavutamiseks. See sobib väga hästi kasutamiseks laserkatteks, laseri ümbersulatamiseks, laserlõõmutamiseks, laserkarastamiseks ja nii edasi. Nendes piirkondades tähendavad suured laigud suuremat tootmisefektiivsust ja väiksemaid defekte (soojusjuhtivusega keevitamisel pole peaaegu mingeid defekte).
Keevitamisel kasutatakse suurt kohta peamiselt komposiitkeevitamiseks, mida kasutatakse väikese südamiku läbimõõduga komposiitlaseri jaoks. Suured heledad laigud panevad materjali pinna kergelt sulama, tahkest kuni vedelani, nii et materjali neeldumiskiirus laserile paraneb oluliselt. Seejärel kasutage väikest südamiku läbimõõtu, et augustada võtmeauku ja läbistada läbistussügavus. Selle protsessi käigus ei teki suurte valguslaikude eelsoojendamise ja järeltöötluse ning sulabasseini suure temperatuurigradiendi tõttu materjalile kergesti kiirest kuumenemisest ja kiirest jahtumisest tingitud pragusid ning keevisõmbluse välimus on sujuvam. . Pritsmed on väiksemad kui üksiku laserlahenduse puhul.
Xi'an Guosheng Laser Technology Co., Ltd. on kõrgtehnoloogiline ettevõte, mis on spetsialiseerunud automaatsete laserkattemasinate, kiire laserkattemasina, laserkarastusmasina, laserkeevitusmasina ja laser-3D-printimise seadmete uurimis- ja arendustegevusele, tootmisele ja müügile. Meie tooted on kulutõhusad ja neid müüakse nii kodu- kui välismaal. Kui olete meie toodetest huvitatud, võtke meiega ühendust aadressil bob@gshenglaser.com.