Σύγκριση των αποτελεσμάτων συγκόλλησης λέιζερ με διαφορετικές διαμέτρους πυρήνα

Συγκόλληση με λέιζερμπορεί να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας συνεχείς ή παλμικές δέσμες λέιζερ. Οι αρχές τουσυγκόλληση με λέιζερΜπορεί να χωριστεί σε συγκόλληση με θερμική αγωγιμότητα και συγκόλληση βαθιάς διείσδυσης με λέιζερ. Όταν η πυκνότητα ισχύος είναι μικρότερη από 104~105 W/cm2, πρόκειται για συγκόλληση με θερμική αγωγιμότητα. Σε αυτή τη φάση, το βάθος διείσδυσης είναι μικρό και η ταχύτητα συγκόλλησης αργή. Όταν η πυκνότητα ισχύος είναι μεγαλύτερη από 105~107 W/cm2, η μεταλλική επιφάνεια είναι κοίλη σε "οπές" λόγω της θερμότητας, σχηματίζοντας συγκόλληση βαθιάς διείσδυσης, η οποία έχει χαρακτηριστικά γρήγορης ταχύτητας συγκόλλησης και μεγάλης αναλογίας διαστάσεων. Η αρχή της θερμικής αγωγιμότηταςσυγκόλληση με λέιζερείναι: η ακτινοβολία λέιζερ θερμαίνει την επιφάνεια που πρόκειται να υποστεί επεξεργασία και η επιφανειακή θερμότητα διαχέεται στο εσωτερικό μέσω θερμικής αγωγιμότητας. Ελέγχοντας τις παραμέτρους του λέιζερ, όπως το πλάτος παλμού λέιζερ, την ενέργεια, τη μέγιστη ισχύ και τη συχνότητα επανάληψης, το τεμάχιο εργασίας τήκεται για να σχηματίσει μια συγκεκριμένη λιωμένη δεξαμενή.

Η συγκόλληση βαθιάς διείσδυσης με λέιζερ χρησιμοποιεί γενικά μια συνεχή δέσμη λέιζερ για την ολοκλήρωση της σύνδεσης των υλικών. Η μεταλλουργική φυσική της διαδικασία είναι πολύ παρόμοια με αυτή της συγκόλλησης με δέσμη ηλεκτρονίων, δηλαδή, ο μηχανισμός μετατροπής ενέργειας ολοκληρώνεται μέσω μιας δομής "κλειδαρότρυπας".

Υπό την ακτινοβολία λέιζερ με αρκετά υψηλή πυκνότητα ισχύος, το υλικό εξατμίζεται και σχηματίζονται μικρές οπές. Αυτή η μικρή οπή γεμάτη με ατμούς είναι σαν ένα μέλαν σώμα, απορροφώντας σχεδόν όλη την ενέργεια της προσπίπτουσας δέσμης. Η θερμοκρασία ισορροπίας στην οπή φτάνει περίπου τους 2500°F.°Γ. Η θερμότητα μεταφέρεται από το εξωτερικό τοίχωμα της οπής υψηλής θερμοκρασίας, προκαλώντας την τήξη του μετάλλου που περιβάλλει την οπή. Η μικρή οπή γεμίζει με ατμό υψηλής θερμοκρασίας που παράγεται από τη συνεχή εξάτμιση του υλικού του τοιχώματος υπό την ακτινοβολία της δέσμης. Τα τοιχώματα της μικρής οπής περιβάλλονται από τηγμένο μέταλλο και το υγρό μέταλλο περιβάλλεται από στερεά υλικά (στις περισσότερες συμβατικές διαδικασίες συγκόλλησης και συγκόλλησης με αγωγιμότητα λέιζερ, η ενέργεια πρώτα εναποτίθεται στην επιφάνεια του τεμαχίου εργασίας και στη συνέχεια μεταφέρεται στο εσωτερικό μέσω μεταφοράς). Η ροή υγρού έξω από το τοίχωμα της οπής και η επιφανειακή τάση του στρώματος του τοιχώματος είναι σε φάση με τη συνεχώς παραγόμενη πίεση ατμού στην κοιλότητα της οπής και διατηρούν μια δυναμική ισορροπία. Η δέσμη φωτός εισέρχεται συνεχώς στη μικρή οπή και το υλικό έξω από τη μικρή οπή ρέει συνεχώς. Καθώς η δέσμη φωτός κινείται, η μικρή οπή βρίσκεται 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 ταχύτητα της δοκού-οδηγού. Το λιωμένο μέταλλο γεμίζει το κενό που απομένει μετά την αφαίρεση της μικρής οπής και συμπυκνώνεται ανάλογα, και έτσι 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 διεξάγουμε στη συνέχεια μια συγκριτική ανάλυση της πυκνότητας ισχύος και των μεταλλογραφικών φάσεων διαφορετικών διαμέτρων πυρήνα.

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

Πυκνότητα ισχύος της θέσης εστιακού σημείου λέιζερ με διαφορετικές διαμέτρους πυρήνα

Από την άποψη της πυκνότητας ισχύος, υπό την ίδια ισχύ, όσο μικρότερη είναι η διάμετρος του πυρήνα, τόσο υψηλότερη είναι η φωτεινότητα του λέιζερ και τόσο πιο συγκεντρωμένη είναι η ενέργεια. Εάν το λέιζερ συγκριθεί με ένα κοφτερό μαχαίρι, όσο μικρότερη είναι η διάμετρος του πυρήνα, τόσο πιο αιχμηρό είναι το λέιζερ. Η πυκνότητα ισχύος του λέιζερ διαμέτρου πυρήνα 14 μm είναι περισσότερο από 50 φορές μεγαλύτερη από αυτή του λέιζερ διαμέτρου πυρήνα 100 μm 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 Γκαουσιανή κατανομή 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 υψηλότερη είναι η ενέργεια. Η κόκκινη ενέργεια είναι το σημείο όπου συγκεντρώνεται η ενέργεια. Μέσω της κατανομής ενέργειας λέιζερ 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 έντονη είναι και τόσο ισχυρότερη είναι η διεισδυτική της ικανότητα.

Σύγκριση των αποτελεσμάτων συγκόλλησης λέιζερ με διαφορετικές διαμέτρους πυρήνα

Σύγκριση λέιζερ με διαφορετικές διαμέτρους πυρήνα:

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

(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 200 μm, δεν είναι εύκολο να επιτευχθεί βάθος διείσδυσης σε κράματα υψηλής αντίδρασης όπως το αλουμίνιο και ο χαλκός, και μια υψηλότερη συγκόλληση βαθιάς διείσδυσης μπορεί να επιτευχθεί μόνο με υψηλή ισχύ.

(3) Τα λέιζερ μικρού πυρήνα έχουν υψηλή πυκνότητα ισχύος και μπορούν να ανοίξουν γρήγορα κλειδαρότρυπες 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 είναι επιρρεπής σε ελαττώματα όπως ελαττώματα και πόροι. Είναι κατάλληλο για επεξεργασία υψηλής ταχύτητας ή επεξεργασία με τροχιά ταλάντωσης.

(4) Τα λέιζερ μεγάλης διαμέτρου πυρήνα έχουν μεγαλύτερες φωτεινές κηλίδες και περισσότερη διασπορά ενέργειας, καθιστώντας τα καταλληλότερα για την ανάτηξη επιφανειών με λέιζερ, την επένδυση, την ανόπτηση και άλλες διεργασίες.