Vergelijking van laseffecten van lasers met verschillende kerndiameters
Laserverwerking van metalen materialen is voornamelijk thermische verwerking op basis van het fotothermische effect. Wanneer de laser het oppervlak van het materiaal bestraalt, zal het oppervlak van het materiaal verschillende veranderingen ondergaan onder verschillende vermogensdichtheden. Deze veranderingen omvatten verhoogde oppervlaktetemperatuur, smelten, verdamping, sleutelgatvorming en het genereren van fotoplasma. Bovendien heeft de verandering van de fysieke toestand van het materiaaloppervlak een grote invloed op de absorptie van laserlicht door het materiaal. Over het algemeen geldt dat hoe hoger de temperatuur, hoe hoger de absorptiesnelheid van laserlicht door het materiaal. Met de toename van de vermogensdichtheid en de actietijd zal het metalen materiaal de volgende fysieke toestandsveranderingen ondergaan, zoals weergegeven in figuur 1 [1].
Er zijn twee kernen bij laserlassen: warmteoverdracht en warmtegeleiding. Warmteoverdracht houdt verband met de warmtebron, vermogensdichtheid en lijnenergie; Luchtstroom om nauwkeurig af te stemmen. Tijdens het lasproces worden voornamelijk de warmtebron, de vermogensdichtheid en de lijnenergie aangepast. De betrokken procesparameters omvatten: de selectie van de laserkerndiameter, het vermogen, de snelheid en de mate van onscherpte. Aangezien dit artikel zich voornamelijk richt op lasers met verschillende kerndiameters en voornamelijk betrekking heeft op verschillende vermogensdichtheden, toont Figuur 2 de eenvoudige berekeningsformule van de vermogensdichtheid:
Er zijn twee hoofdtypen laserlassen, afhankelijk van de absorptiesnelheid van het lasproces. Eén daarvan is warmtegeleidingslassen (diepte-breedteverhouding<1, laser absorption rate of red light is within 20%, and different wavelengths are different), and the other is deep penetration welding (Aspect ratio > 1, the absorption rate is greater than the absorption rate of the molten pool of the material, more than 60%, mainly due to the multiple reflection and absorption of the laser in the keyhole).
Laser-warmtegeleidingslassen:
Verschillende laserinstraling zal verschillende veranderingen in de toestand van het materiaal veroorzaken, wat in het lasproces wordt weerspiegeld als twee typische lasmodi: laserwarmtegeleidingslassen en laserlassen met diepe penetratie. Het warmteoverdrachtsproces, het lasvormingsmechanisme, de proceskarakteristieken en het toepassingsbereik van de twee zijn zeer verschillend.
Lasmodus laserwarmtegeleiding:
Tijdens warmtegeleidingslassen ligt de laserstraling die op het oppervlak van het werkstuk wordt uitgestraald in het bereik van 10E4 ~ 10E6W/cm, en wordt de laserenergie geabsorbeerd door de dunne laag van 10 ~ 100 m op het oppervlak. De laserenergie op het oppervlak wordt door warmtegeleiding naar de binnenkant van het materiaal overgebracht en de laser kan niet rechtstreeks worden aangeraakt. Na een bepaalde periode van laserbestraling bereikt het oppervlak het smeltpunt, en deze smeltisotherm plant zich diep in het materiaal voort, en de oppervlaktetemperatuur blijft stijgen. Maar de hoogste kan alleen het kookpunt van het materiaal bereiken, hoe hoog de temperatuur ook is, het materiaal zal verdampen en putten vormen, het stabiele lasproces met warmtegeleiding zal worden vernietigd, het gesmolten zwembad zal oscilleren en het materiaal zal worden verbrand. Over het algemeen wordt warmtegeleidingslassen meestal gebruikt in dunne platen. In dit geval moet er een einde aan worden gemaakt. Door de relatieve beweging van de laserstraal en het werkstuk wordt een ondiepe en brede lasnaad gevormd, zoals weergegeven in figuur 3. De verhouding tussen diepte en breedte van de lasnaad is klein en de breedte van de lasnaad is over het algemeen meer dan tweemaal de penetratiediepte. De onderstaande afbeelding toont het uiterlijk in dwarsdoorsnede van een typische laser-warmtegeleidingslasnaad, en de vorm van de lasnaad is ongeveer halfbolvormig.
Vergelijking van lasers met verschillende kerndiameters:
(1) De snelheid van het experiment is 150 mm/s, de focuspositie is gelast, het materiaal is aluminium uit de 1-serie en de dikte is 2 mm;
(2) Hoe groter de kerndiameter, hoe groter de smeltbreedte, hoe groter de door hitte beïnvloede zone en hoe kleiner de vermogensdichtheid van de eenheid. Wanneer de kerndiameter groter is dan 200um, is het niet eenvoudig om penetratiediepte te bereiken op hoogreactielegeringen zoals aluminium en koper, en is er een hoger vermogen nodig om diep penetratielassen te bereiken;
(3) De laser met kleine kerndiameter heeft een hoge vermogensdichtheid, kan snel met hoge energie sleutelgaten op het oppervlak van het materiaal ponsen en heeft een kleine door hitte beïnvloede zone, maar tegelijkertijd is het oppervlak van de las ruw, de de kans op het instorten van het sleutelgat is hoog tijdens lassen met lage snelheid, en het sleutelgat wordt gesloten tijdens de lascyclus. Lange cyclus, gemakkelijk te produceren defecten, poriën en andere defecten, geschikt voor snelle verwerking of verwerking met zwenkbaan;
(4) Lasers met een grote diameter zijn geschikter voor het opnieuw smelten van laseroppervlakken, cladden, uitgloeien en andere processen vanwege hun grote vlek en meer verspreide energie.
Hoogreflecterende materialen: aluminium, koper, roestvrij staal, nikkel, molybdeen, enz.;
(1) Bij hoogreflecterende materialen moet een laser met een kleine diameter worden gekozen. Gebruik een laserstraal met hoge vermogensdichtheid om het materiaal snel tot een vloeibare of verdampte toestand te verwarmen, de laserabsorptiesnelheid van het materiaal te verbeteren en een efficiënte en snelle verwerking te bereiken. Het kiezen van een laser met een grote kerndiameter is eenvoudig. Leidt tot hoge reflectie, leidt tot virtueel lassen en zelfs het doorbranden van de laser;
Scheurgevoelige materialen: nikkel, vernikkeld koper, aluminium, roestvrij staal, titaniumlegering, enz.
(2) Dit soort materiaal vereist doorgaans strikte controle van de door hitte beïnvloede zone en vereist een klein gesmolten bad. Het is geschikter om een laser met een kleine diameter te kiezen;
Laserverwerking met hoge snelheid:
(3) Diep penetratielassen vereist laserverwerking op hoge snelheid, en het is noodzakelijk om een laser met een hoge energiedichtheid te selecteren om ervoor te zorgen dat de lijnenergie voldoende is om het materiaal op hoge snelheid te smelten, vooral voor laplassen, penetratielassen en andere kleine kernen die een hoge penetratiediepte vereisen. Radiale lasers zijn geschikter.
Advantages and applications of large core lasers (>100um):
Grote kerndiameter en grote vlek, groot warmtedekkingsgebied, breed actieoppervlak en bereiken alleen micro-smelten op het oppervlak van het materiaal, zeer geschikt voor toepassingen in lasercladding, laserhersmelten, lasergloeien, laserharden, enz. In deze gebieden betekent een grote plek een hogere productiviteit en minder defecten (solderen met warmtegeleiding is vrijwel defectvrij).
Wat het lassen betreft, wordt de grote plek voornamelijk gebruikt voor composietlassen, dat wordt gebruikt voor compounderen met een laser met een kleine kerndiameter: de grote plek zorgt ervoor dat het oppervlak van het materiaal lichtjes smelt en transformeert van vast naar vloeibaar, wat de absorptiesnelheid aanzienlijk verbetert. van het materiaal naar de laser en gebruikt vervolgens een kleine kern. Bij dit proces is het materiaal, vanwege de voorverwarming van de grote plek, de nabewerking en de grote temperatuurgradiënt die aan het gesmolten bad wordt gegeven, niet vatbaar voor scheurdefecten die worden veroorzaakt door snelle verwarming en snelle afkoeling. Het kan het uiterlijk van de las gladder maken en tegelijkertijd minder spatten veroorzaken dan de enkele laseroplossing.
