Farklı çekirdek çaplarına sahip lazerlerin kaynak etkilerinin karşılaştırılması
Metal malzemelerin lazerle işlenmesi esas olarak fototermal etkiye dayalı termal işlemdir. Lazer malzemenin yüzeyine ışın verdiğinde malzemenin yüzey alanı farklı güç yoğunlukları altında çeşitli değişikliklere uğrayacaktır. Bu değişiklikler arasında artan yüzey sıcaklığı, erime, buharlaşma, anahtar deliği oluşumu ve fotoplazma oluşumu yer alır. Ayrıca malzeme yüzey bölgesinin fiziksel durumunun değişmesi, malzemenin lazer ışığını absorbe etmesini büyük ölçüde etkiler. Genel olarak konuşursak, sıcaklık ne kadar yüksek olursa malzemenin lazer ışığını emme oranı da o kadar yüksek olur. Güç yoğunluğunun ve hareket süresinin artmasıyla birlikte metal malzeme Şekil 1'de gösterildiği gibi aşağıdaki fiziksel durum değişikliklerine uğrayacaktır [1].
Lazer kaynağının iki çekirdeği vardır: ısı transferi ve ısı iletimi. Isı transferi ısı kaynağı, güç yoğunluğu ve hat enerjisi ile ilgilidir; İnce ayar yapmak için hava akışı. Kaynak işleminde esas olarak ısı kaynağı, güç yoğunluğu ve hat enerjisi ayarlanır. İlgili işlem parametreleri şunları içerir: lazer çekirdeği çapının, gücünün, hızının ve odaklanma miktarının seçimi. Bu makalenin esas olarak farklı çekirdek çaplarına sahip lazerlere odaklandığı ve esas olarak farklı güç yoğunluklarını içerdiği göz önüne alındığında, Şekil 2'de güç yoğunluğunun basit hesaplama formülü gösterilmektedir:
Kaynak işleminin emilim oranına göre iki ana lazer kaynağı türü vardır, biri ısı iletimli kaynaktır (derinlik-genişlik oranı).<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).
Lazer ısı iletimli kaynak:
Farklı lazer ışınımı, malzemenin durumunda farklı değişikliklere neden olur ve bu da kaynak işlemine iki tipik kaynak modu olarak yansır: lazer ısı iletimli kaynak ve lazer derin nüfuzlu kaynak. İkisinin ısı transfer prosesi, kaynak oluşum mekanizması, proses karakteristikleri ve uygulama aralıkları çok farklıdır.
Lazer ısı iletimli kaynak modu:
Isı iletimli kaynak sırasında, iş parçasının yüzeyine ışınlanan lazer ışınımı 10E4~10E6W/cm aralığındadır ve lazer enerjisi, yüzeydeki 10~100m'lik ince tabaka tarafından emilir. Yüzeydeki lazer enerjisi ısı iletimi yoluyla malzemenin iç kısmına iletilir ve lazere doğrudan dokunulamaz. Belirli bir lazer ışınımı süresinden sonra yüzey erimeye ulaşır ve bu erime izotermi malzemenin derinliklerine doğru yayılır ve yüzey sıcaklığı artmaya devam eder. Ancak en yüksek sıcaklık yalnızca malzemenin kaynama noktasına ulaşabilir, sıcaklık ne kadar yüksek olursa olsun, malzeme buharlaşacak ve çukurlar oluşturacak, kararlı ısı iletimi kaynak işlemi bozulacak, erimiş havuz salınacak ve malzeme yandı. Genellikle ısı iletim kaynağı çoğunlukla ince levhalarda kullanılır. Bu durumda buna bir son vermek gerekiyor. Lazer ışınının ve iş parçasının göreceli hareketi ile Şekil 3'te gösterildiği gibi sığ ve geniş bir kaynak dikişi oluşur. Kaynak dikişinin derinlik-genişlik oranı küçüktür ve kaynak dikişinin genişliği genellikle nüfuz derinliğinin iki katından fazla. Aşağıdaki şekil tipik bir lazer ısı iletimli kaynak dikişinin kesit görünümünü göstermektedir ve kaynak dikişinin şekli yaklaşık olarak yarım küre şeklindedir.
Farklı çekirdek çaplı lazerlerin karşılaştırılması:
(1) Deneyin hızı 150 mm/s'dir, odak konumu kaynaklanmıştır, malzeme 1 serisi alüminyumdur ve kalınlık 2 mm'dir;
(2) Çekirdek çapı ne kadar büyük olursa, füzyon genişliği de o kadar büyük olur, ısıdan etkilenen bölge o kadar büyük olur ve birim güç yoğunluğu o kadar küçük olur. Çekirdek çapı 200um'u aştığında, alüminyum ve bakır gibi yüksek reaksiyonlu alaşımlarda nüfuz derinliğini elde etmek kolay değildir ve derin nüfuzlu kaynak elde etmek için daha yüksek Güç gerektirir;
(3) Küçük çekirdek çaplı lazer yüksek güç yoğunluğuna sahiptir, malzemenin yüzeyindeki anahtar deliklerini yüksek enerjiyle hızlı bir şekilde delebilir ve ısıdan etkilenen küçük bir bölgeye sahiptir, ancak aynı zamanda kaynağın yüzeyi pürüzlüdür, düşük hızlı kaynak sırasında anahtar deliği çökme olasılığı yüksektir ve kaynak döngüsü sırasında anahtar deliği kapatılır Uzun döngü, kusurların, gözeneklerin ve diğer kusurların üretilmesi kolay, yüksek hızlı işleme veya salınım yolu ile işleme için uygundur;
(4) Büyük çaplı lazerler, geniş noktaları ve daha fazla dağılmış enerjileri nedeniyle lazerli yüzey yeniden eritme, kaplama, tavlama ve diğer işlemler için daha uygundur.
Yüksek yansıtıcı malzemeler: alüminyum, bakır, paslanmaz çelik, nikel, molibden vb.;
(1) Yüksek yansıtıcı malzemelerin küçük çaplı bir lazer seçmesi gerekir. Malzemeyi hızlı bir şekilde sıvılaştırılmış veya buharlaştırılmış bir duruma ısıtmak için yüksek güç yoğunluklu bir lazer ışını kullanmak, malzemenin lazer emilim oranını artırmak ve verimli ve hızlı işleme sağlamak. Büyük çekirdek çapına sahip bir lazeri seçmek kolaydır. Yüksek yansımaya, sanal kaynağa ve hatta lazerin yanmasına neden olur;
Çatlamaya duyarlı malzemeler: nikel, nikel kaplı bakır, alüminyum, paslanmaz çelik, titanyum alaşımı vb.
(2) Bu tür malzemeler genellikle ısıdan etkilenen bölgenin sıkı kontrolünü gerektirir ve küçük bir eriyik havuzu gerektirir. Küçük çaplı bir lazer seçmek daha uygundur;
Yüksek hızlı lazer işleme:
(3) Derin nüfuzlu kaynak, yüksek hızlı lazer işleme gerektirir ve hat enerjisinin, özellikle bindirme kaynağı, nüfuz etme kaynağı ve yüksek hızda malzemeyi eritmek için yeterli olmasını sağlamak için yüksek enerji yoğunluğuna sahip bir lazerin seçilmesi gerekir. yüksek penetrasyon derinliği gerektiren diğer küçük çekirdekler. Radyal lazerler daha uygundur.
Advantages and applications of large core lasers (>100um):
Büyük çekirdek çapı ve büyük nokta, geniş ısı kapsama alanı, geniş hareket yüzeyi ve yalnızca malzemenin yüzeyinde mikro erime elde edilir, lazer kaplama, lazerle yeniden eritme, lazer tavlama, lazerle sertleştirme vb. uygulamalar için çok uygundur. Bunlarda büyük bir nokta daha yüksek üretkenlik ve daha az kusur anlamına gelir (ısı iletimli lehimleme neredeyse kusursuzdur).
Kaynak açısından, büyük nokta esas olarak küçük çekirdek çaplı lazerle birleştirme için kullanılan kompozit kaynak için kullanılır: büyük nokta, malzemenin yüzeyinin hafifçe erimesini sağlar, katıdan sıvıya dönüşür, bu da emme oranını büyük ölçüde artırır Malzemenin lazere iletilmesi ve daha sonra küçük bir çekirdek kullanılması Bu işlemde, büyük noktanın ön ısıtılması, son işlem ve erimiş havuza verilen büyük sıcaklık gradyanı nedeniyle malzeme çatlak kusurlarına eğilimli değildir. hızlı ısıtma ve hızlı soğutma ile. Kaynağın görünümünü daha pürüzsüz hale getirebilir ve aynı zamanda tek lazer çözümüne göre daha az sıçrama elde edebilir.
