Σύγκριση επιδράσεων συγκόλλησης λέιζερ με διαφορετικές διαμέτρους πυρήνα

Συγκόλληση με λέιζερμπορεί να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας συνεχείς ή παλμικές ακτίνες λέιζερ. Οι αρχές τουσυγκόλληση με λέιζερμπορεί να χωριστεί σε συγκόλληση αγωγιμότητας θερμότητας και συγκόλληση βαθιάς διείσδυσης με λέιζερ. Όταν η πυκνότητα ισχύος είναι μικρότερη από 104~105 W/cm2, είναι συγκόλληση αγωγιμότητας θερμότητας. Αυτή τη στιγμή, το βάθος διείσδυσης είναι μικρό και η ταχύτητα συγκόλλησης είναι αργή. όταν η πυκνότητα ισχύος είναι μεγαλύτερη από 105~107 W/cm2, η μεταλλική επιφάνεια είναι κοίλη σε «τρύπες» λόγω θερμότητας, σχηματίζοντας συγκόλληση βαθιάς διείσδυσης, η οποία έχει τα χαρακτηριστικά της γρήγορης ταχύτητας συγκόλλησης και του μεγάλου λόγου διαστάσεων. Η αρχή της θερμικής αγωγιμότηταςσυγκόλληση με λέιζερείναι: η ακτινοβολία λέιζερ θερμαίνει την προς επεξεργασία επιφάνεια και η επιφανειακή θερμότητα διαχέεται στο εσωτερικό μέσω της θερμικής αγωγιμότητας. Με τον έλεγχο των παραμέτρων λέιζερ όπως το πλάτος του παλμού λέιζερ, η ενέργεια, η μέγιστη ισχύς και η συχνότητα επανάληψης, το τεμάχιο τήκεται για να σχηματιστεί μια συγκεκριμένη δεξαμενή λιωμένου.

Η συγκόλληση με βαθιά διείσδυση με λέιζερ χρησιμοποιεί γενικά μια συνεχή δέσμη λέιζερ για να ολοκληρώσει τη σύνδεση των υλικών. Η μεταλλουργική του φυσική διαδικασία μοιάζει πολύ με αυτή της συγκόλλησης με δέσμη ηλεκτρονίων, δηλαδή ο μηχανισμός μετατροπής ενέργειας ολοκληρώνεται μέσω μιας δομής «κλειδιού-τρύπας».

Υπό ακτινοβολία λέιζερ με αρκετά υψηλή πυκνότητα ισχύος, το υλικό εξατμίζεται και δημιουργούνται μικρές οπές. Αυτή η μικρή τρύπα γεμάτη ατμούς μοιάζει με μαύρο σώμα, που απορροφά σχεδόν όλη την ενέργεια της προσπίπτουσας δέσμης. Η θερμοκρασία ισορροπίας στην τρύπα φτάνει περίπου τους 2500°Γ. Η θερμότητα μεταφέρεται από το εξωτερικό τοίχωμα της οπής υψηλής θερμοκρασίας, προκαλώντας την τήξη του μετάλλου που περιβάλλει την οπή. Η μικρή τρύπα γεμίζει με ατμό υψηλής θερμοκρασίας που παράγεται από τη συνεχή εξάτμιση του υλικού του τοίχου υπό την ακτινοβολία της δέσμης. Τα τοιχώματα της μικρής οπής περιβάλλονται από λιωμένο μέταλλο και το υγρό μέταλλο περιβάλλεται από στερεά υλικά (στις περισσότερες συμβατικές διαδικασίες συγκόλλησης και συγκόλληση αγωγιμότητας με λέιζερ, η ενέργεια πρώτα εναποτίθεται στην επιφάνεια του τεμαχίου εργασίας και στη συνέχεια μεταφέρεται στο εσωτερικό με μεταφορά ). Η ροή του υγρού έξω από το τοίχωμα της οπής και η επιφανειακή τάση του στρώματος τοιχώματος βρίσκονται σε φάση με τη συνεχώς παραγόμενη πίεση ατμού στην κοιλότητα της οπής και διατηρούν μια δυναμική ισορροπία. Η δέσμη φωτός εισέρχεται συνεχώς στη μικρή τρύπα και το υλικό έξω από τη μικρή τρύπα ρέει συνεχώς. Καθώς η δέσμη φωτός κινείται, η μικρή τρύπα είναι πάντα σε σταθερή κατάσταση ροής.

Δηλαδή, η μικρή οπή και το λιωμένο μέταλλο που περιβάλλει το τοίχωμα της οπής κινούνται προς τα εμπρός με την προς τα εμπρός ταχύτητα της δοκού πιλότου. Το λιωμένο μέταλλο γεμίζει το κενό που έχει απομείνει μετά την αφαίρεση της μικρής οπής και συμπυκνώνεται ανάλογα και σχηματίζεται η συγκόλληση. Όλα αυτά συμβαίνουν τόσο γρήγορα που οι ταχύτητες συγκόλλησης μπορούν εύκολα να φτάσουν αρκετά μέτρα ανά λεπτό.

Αφού κατανοήσουμε τις βασικές έννοιες της πυκνότητας ισχύος, της συγκόλλησης θερμικής αγωγιμότητας και της συγκόλλησης βαθιάς διείσδυσης, θα διεξαγάγουμε στη συνέχεια μια συγκριτική ανάλυση της πυκνότητας ισχύος και των μεταλλογραφικών φάσεων διαφορετικών διαμέτρων πυρήνα.

Σύγκριση πειραμάτων συγκόλλησης με βάση κοινές διαμέτρους πυρήνα λέιζερ στην αγορά:

Πυκνότητα ισχύος θέσης εστιακού σημείου λέιζερ με διαφορετικές διαμέτρους πυρήνα

Από την άποψη της πυκνότητας ισχύος, με την ίδια ισχύ, όσο μικρότερη είναι η διάμετρος του πυρήνα, τόσο μεγαλύτερη είναι η φωτεινότητα του λέιζερ και τόσο πιο συγκεντρωμένη είναι η ενέργεια. Εάν το λέιζερ συγκρίνεται με ένα κοφτερό μαχαίρι, όσο μικρότερη είναι η διάμετρος του πυρήνα, τόσο πιο αιχμηρό είναι το λέιζερ. Η πυκνότητα ισχύος του λέιζερ διαμέτρου πυρήνα 14um είναι περισσότερο από 50 φορές μεγαλύτερη από αυτή του λέιζερ διαμέτρου πυρήνα 100um και η ικανότητα επεξεργασίας είναι ισχυρότερη. Ταυτόχρονα, η πυκνότητα ισχύος που υπολογίζεται εδώ είναι απλώς μια απλή μέση πυκνότητα. Η πραγματική κατανομή ενέργειας είναι μια κατά προσέγγιση κατανομή Gauss, και η κεντρική ενέργεια θα είναι αρκετές φορές η μέση πυκνότητα ισχύος.

Σχηματικό διάγραμμα κατανομής ενέργειας λέιζερ με διαφορετικές διαμέτρους πυρήνα

Το χρώμα του διαγράμματος κατανομής ενέργειας είναι η κατανομή ενέργειας. Όσο πιο κόκκινο είναι το χρώμα, τόσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια. Η κόκκινη ενέργεια είναι το μέρος όπου συγκεντρώνεται η ενέργεια. Μέσω της κατανομής ενέργειας λέιζερ των ακτίνων λέιζερ με διαφορετικές διαμέτρους πυρήνα, μπορεί να φανεί ότι το μέτωπο της δέσμης λέιζερ δεν είναι αιχμηρό και η δέσμη λέιζερ είναι αιχμηρή. Όσο μικρότερη, όσο πιο συγκεντρωμένη είναι η ενέργεια σε ένα σημείο, τόσο πιο αιχμηρή είναι και τόσο ισχυρότερη είναι η διεισδυτική της ικανότητα.

Σύγκριση επιδράσεων συγκόλλησης λέιζερ με διαφορετικές διαμέτρους πυρήνα

Σύγκριση λέιζερ με διαφορετικές διαμέτρους πυρήνα:

(1) Το πείραμα χρησιμοποιεί ταχύτητα 150 mm/s, συγκόλληση θέσης εστίασης και το υλικό είναι αλουμίνιο 1 σειράς, πάχους 2 mm.

(2) Όσο μεγαλύτερη είναι η διάμετρος του πυρήνα, τόσο μεγαλύτερο είναι το πλάτος τήξης, τόσο μεγαλύτερη είναι η ζώνη που επηρεάζεται από τη θερμότητα και τόσο μικρότερη είναι η πυκνότητα ισχύος της μονάδας. Όταν η διάμετρος του πυρήνα υπερβαίνει τα 200um, δεν είναι εύκολο να επιτευχθεί βάθος διείσδυσης σε κράματα υψηλής αντίδρασης όπως το αλουμίνιο και ο χαλκός, και η συγκόλληση με υψηλότερη βαθιά διείσδυση μπορεί να επιτευχθεί μόνο με υψηλή ισχύ.

(3) Τα λέιζερ μικρού πυρήνα έχουν υψηλή πυκνότητα ισχύος και μπορούν γρήγορα να τρυπήσουν κλειδαρότρυπα στην επιφάνεια υλικών με υψηλή ενέργεια και μικρές ζώνες που επηρεάζονται από τη θερμότητα. Ωστόσο, ταυτόχρονα, η επιφάνεια της συγκόλλησης είναι τραχιά και η πιθανότητα κατάρρευσης της κλειδαρότρυπας είναι υψηλή κατά τη συγκόλληση χαμηλής ταχύτητας και η κλειδαρότρυπα είναι κλειστή κατά τη διάρκεια του κύκλου συγκόλλησης. Ο κύκλος είναι μακρύς και ελαττώματα όπως ελαττώματα και πόροι είναι επιρρεπείς σε εμφάνιση. Είναι κατάλληλο για επεξεργασία υψηλής ταχύτητας ή επεξεργασία με τροχιά αιώρησης.

(4) Τα λέιζερ μεγάλης διαμέτρου πυρήνα έχουν μεγαλύτερα σημεία φωτός και περισσότερη διασπαρμένη ενέργεια, καθιστώντας τα πιο κατάλληλα για επανατήξη επιφανειών λέιζερ, επένδυση, ανόπτηση και άλλες διεργασίες.