Eri ydinhalkaisimilla varustettujen lasereiden hitsausvaikutusten vertailu

Laserhitsausvoidaan saavuttaa jatkuvilla tai pulssilasersäteillä. Periaatteetlaserhitsausvoidaan jakaa lämmönjohtavuushitsaukseen ja lasersyvähitsaukseen. Kun tehotiheys on alle 104–105 W/cm2, kyseessä on lämmönjohtavuushitsaus. Tällöin tunkeutumissyvyys on pieni ja hitsausnopeus hidas; kun tehotiheys on yli 105–107 W/cm2, metallin pinta on lämmön vaikutuksesta kovera ja muodostaa "reikiä", mikä muodostaa syvähitsauksen. Sillä on nopea hitsausnopeus ja suuri sivusuhde. Lämmönjohtavuuden periaatelaserhitsauson: lasersäteily lämmittää käsiteltävää pintaa, ja pintalämpö diffundoituu sisään lämmönjohtumisen kautta. Ohjaamalla laserparametreja, kuten laserpulssin leveyttä, energiaa, huipputehoa ja toistotaajuutta, työkappale sulatetaan muodostaen tietynlainen sula allas.

Laserhitsauksessa käytetään yleensä jatkuvaa lasersädettä materiaalien liittämiseen. Sen metallurginen fysikaalinen prosessi on hyvin samanlainen kuin elektronisuihkuhitsauksessa, eli energianmuunnosmekanismi suoritetaan "avaimenreikä"-rakenteen kautta.

Riittävän suuren tehotiheyden omaavan lasersäteilyn vaikutuksesta materiaali höyrystyy ja muodostuu pieniä reikiä. Tämä höyryllä täytetty pieni reikä on kuin musta kappale, joka absorboi lähes kaiken tulevan säteen energian. Reiän tasapainolämpötila saavuttaa noin 2500 °C.°C. Lämpö siirtyy korkean lämpötilan reiän ulkoseinämästä, jolloin reikää ympäröivä metalli sulaa. Pieni reikä täyttyy korkean lämpötilan höyryllä, joka syntyy seinämateriaalin jatkuvasta haihtumisesta säteen vaikutuksesta. Pienen reiän seinämät ovat sulan metallin ympäröimiä, ja nestemäistä metallia ympäröivät kiinteät materiaalit (useimmissa perinteisissä hitsausprosesseissa ja laserjohtamishitsauksessa energia ensin kerrostuu työkappaleen pinnalle ja siirtyy sitten sisäänpäin). Reiän seinämän ulkopuolella virtaava neste ja seinämäkerroksen pintajännitys ovat samassa tahdissa reiän ontelossa jatkuvasti syntyvän höyrynpaineen kanssa ja ylläpitävät dynaamista tasapainoa. Valonsäde saapuu jatkuvasti pieneen reikään, ja pienen reiän ulkopuolella oleva materiaali virtaa jatkuvasti. Valonsäteen liikkuessa pieni reikä on aina vakaassa virtaustilassa.

Toisin sanoen pieni reikä ja reiän seinämää ympäröivä sula metalli liikkuvat eteenpäin ohjauspalkin eteenpäin suuntautuvalla nopeudella. Sula metalli täyttää pienen reiän poistamisen jälkeen jäljelle jäävän aukon ja tiivistyy vastaavasti, jolloin hitsi muodostuu. Kaikki tämä tapahtuu niin nopeasti, että hitsausnopeudet voivat helposti saavuttaa useita metrejä minuutissa.

Ymmärrettyämme tehotiheyden, lämmönjohtavuushitsauksen ja syvätunkeumahitsauksen peruskäsitteet, suoritamme seuraavaksi vertailevan analyysin eri ydinhalkaisijoiden tehotiheydestä ja metallografisista vaiheista.

Hitsauskokeiden vertailu markkinoilla yleisten laserytimien halkaisijoiden perusteella:

Eri ydinhalkaisijoiden omaavien lasereiden polttopisteen sijainnin tehotiheys

Tehotiheyden näkökulmasta samalla teholla laserin kirkkaus on suurempi ja energia keskittyneempi, mitä pienempi ytimen halkaisija on. Jos laseria verrataan terävään veitseen, mitä pienempi ytimen halkaisija on, sitä terävämpi laser on. 14 μm:n ytimen halkaisijan omaavan laserin tehotiheys on yli 50 kertaa suurempi kuin 100 μm:n ytimen halkaisijan omaavan laserin, ja prosessointikyky on parempi. Samalla tässä laskettu tehotiheys on vain yksinkertainen keskimääräinen tiheys. Todellinen energiajakauma on likimääräinen Gaussin jakauma, ja keskeinen energia on moninkertainen keskimääräiseen tehotiheyteen verrattuna.

Kaaviokuva laserenergian jakautumisesta eri ytimen halkaisijoilla

Energiajakaumakaavion väri kuvaa energiajakaumaa. Mitä punaisempi väri, sitä suurempi energia. Punainen energia kuvaa paikkaa, johon energia on keskittynyt. Eri ydinhalkaisijoiden omaavien lasersäteiden laserenergiajakaumasta voidaan nähdä, että lasersäteen etuosa ei ole terävä ja lasersäde on terävä. Mitä pienempi, sitä keskittyneempi energia on yhdessä pisteessä, sitä terävämpi se on ja sitä voimakkaampi sen läpäisykyky.

Eri ydinhalkaisimilla varustettujen lasereiden hitsausvaikutusten vertailu

Eri ydinhalkaisimilla varustettujen lasereiden vertailu:

(1) Kokeessa käytetään 150 mm/s nopeutta, polttopistehitsausta ja materiaalina on 2 mm paksua 1-sarjan alumiinia;

(2) Mitä suurempi ytimen halkaisija, sitä suurempi sulamisleveys, sitä suurempi lämpövaikutusalue ja sitä pienempi yksikön tehotiheys. Kun ytimen halkaisija ylittää 200 μm, ei ole helppo saavuttaa tunkeutumissyvyyttä korkean reaktiokyvyn omaavissa seoksissa, kuten alumiinissa ja kuparissa, ja suurempi tunkeutumissyvyyden hitsaus voidaan saavuttaa vain suurella teholla;

(3) Pieniytimisillä lasereilla on suuri tehotiheys ja ne voivat nopeasti tehdä avaimenreikiä korkeaenergisten ja pienten lämpövaikutusalueiden materiaalien pintaan. Samalla hitsauspinta on kuitenkin karkea ja avaimenreiän romahtamistodennäköisyys on suuri hitsausnopeudella, ja avaimenreikä sulkeutuu hitsaussyklin aikana. Sykli on pitkä ja vikoja, kuten vikoja ja huokosia, esiintyy alttiita. Ne soveltuvat suurnopeuskäsittelyyn tai heilahdusradalla tapahtuvaan käsittelyyn;

(4) Suuren ytimen halkaisijan omaavilla lasereilla on suuremmat valopisteet ja enemmän hajautunutta energiaa, minkä vuoksi ne soveltuvat paremmin laserpintojen uudelleensulattamiseen, pinnoitukseen, hehkutukseen ja muihin prosesseihin.