Comparación dos efectos de soldadura de láseres con diferentes diámetros de núcleo

Soldadura láserpódese conseguir usando raios láser continuos ou pulsados. Os principios desoldadura láserpódese dividir en soldadura por condución térmica e soldadura por penetración profunda con láser. Cando a densidade de potencia é inferior a 10⁴~10⁵ W/cm², trátase de soldadura por condución térmica. Neste momento, a profundidade de penetración é superficial e a velocidade de soldadura é lenta; cando a densidade de potencia é superior a 10⁵~10⁷ W/cm², a superficie metálica é cóncava en "buratos" debido á calor, formando soldadura por penetración profunda, que ten as características de velocidade de soldadura rápida e gran relación de aspecto. O principio da condución térmicasoldadura láseré: a radiación láser quenta a superficie a procesar e a calor superficial difúndese ao interior por condución térmica. Ao controlar os parámetros do láser, como o ancho do pulso láser, a enerxía, a potencia máxima e a frecuencia de repetición, a peza fúndese para formar un baño fundido específico.

A soldadura por penetración profunda con láser xeralmente emprega un raio láser continuo para completar a conexión dos materiais. O seu proceso físico metalúrxico é moi similar ao da soldadura por feixe de electróns, é dicir, o mecanismo de conversión de enerxía realízase mediante unha estrutura de "burato de chave".

Baixo a irradiación láser cunha densidade de potencia suficientemente alta, o material evapórase e fórmanse pequenos buratos. Este pequeno burato cheo de vapor é como un corpo negro, absorbendo case toda a enerxía do feixe incidente. A temperatura de equilibrio no burato alcanza uns 2500°C. A calor transfírese desde a parede exterior do burato de alta temperatura, facendo que o metal que o rodea se funda. O pequeno burato énchese con vapor de alta temperatura xerado pola evaporación continua do material da parede baixo a irradiación do feixe. As paredes do pequeno burato están rodeadas de metal fundido e o metal líquido está rodeado de materiais sólidos (na maioría dos procesos de soldadura convencionais e da soldadura por condución láser, a enerxía primeiro deposítase na superficie da peza e logo transpórtase ao interior por transferencia). O fluxo de líquido fóra da parede do burato e a tensión superficial da capa da parede están en fase coa presión de vapor xerada continuamente na cavidade do burato e manteñen un equilibrio dinámico. O feixe de luz entra continuamente no pequeno burato e o material fóra do pequeno burato flúe continuamente. A medida que o feixe de luz se move, o pequeno burato sempre está nun estado de fluxo estable.

É dicir, o pequeno burato e o metal fundido que rodea a parede do burato móvense cara adiante coa velocidade de avance do feixe piloto. O metal fundido enche o oco que queda despois de retirar o pequeno burato e condénsase en consecuencia, e fórmase a soldadura. Todo isto ocorre tan rápido que as velocidades de soldadura poden alcanzar facilmente varios metros por minuto.

Despois de comprender os conceptos básicos de densidade de potencia, soldadura por condutividade térmica e soldadura por penetración profunda, realizaremos a continuación unha análise comparativa da densidade de potencia e as fases metalográficas de diferentes diámetros de núcleo.

Comparación de experimentos de soldadura baseados en diámetros de núcleo de láser comúns no mercado:

Densidade de potencia da posición do punto focal de láseres con diferentes diámetros de núcleo

Desde a perspectiva da densidade de potencia, coa mesma potencia, canto menor sexa o diámetro do núcleo, maior será o brillo do láser e máis concentrada será a enerxía. Se se compara o láser cun coitelo afiado, canto menor sexa o diámetro do núcleo, máis afiado será o láser. A densidade de potencia do láser de 14 µm de diámetro de núcleo é máis de 50 veces maior que a do láser de 100 µm de diámetro de núcleo, e a capacidade de procesamento é maior. Ao mesmo tempo, a densidade de potencia calculada aquí é só unha densidade media simple. A distribución de enerxía real é unha distribución gaussiana aproximada, e a enerxía central será varias veces a densidade de potencia media.

Diagrama esquemático da distribución da enerxía láser con diferentes diámetros de núcleo

A cor do diagrama de distribución de enerxía é a distribución de enerxía. Canto máis vermella sexa a cor, maior será a enerxía. A enerxía vermella é o lugar onde se concentra a enerxía. A través da distribución da enerxía láser de feixes láser con diferentes diámetros de núcleo, pódese ver que a fronte do feixe láser non é nítida e que o feixe láser é nítido. Canto menor sexa, canto máis concentrada estea a enerxía nun punto, máis nítida será e maior será a súa capacidade de penetración.

Comparación dos efectos de soldadura de láseres con diferentes diámetros de núcleo

Comparación de láseres con diferentes diámetros de núcleo:

(1) O experimento emprega unha velocidade de 150 mm/s, soldadura en posición focal e o material é aluminio da serie 1, de 2 mm de grosor;

(2) Canto maior sexa o diámetro do núcleo, maior será o ancho de fusión, maior será a zona afectada pola calor e menor será a densidade de potencia unitaria. Cando o diámetro do núcleo supera os 200 µm, non é doado conseguir unha profundidade de penetración en aliaxes de alta reacción como o aluminio e o cobre, e unha soldadura de penetración profunda máis alta só se pode conseguir con alta potencia;

(3) Os láseres de núcleo pequeno teñen unha alta densidade de potencia e poden perforar rapidamente buratos de chave na superficie de materiais con alta enerxía e pequenas zonas afectadas pola calor. Non obstante, ao mesmo tempo, a superficie da soldadura é rugosa e a probabilidade de colapso do burato da chave é alta durante a soldadura a baixa velocidade, e o burato da chave péchase durante o ciclo de soldadura. O ciclo é longo e é probable que se produzan defectos como defectos e poros. É axeitado para o procesamento de alta velocidade ou o procesamento cunha traxectoria de oscilación;

(4) Os láseres de gran diámetro de núcleo teñen puntos de luz máis grandes e enerxía máis dispersa, o que os fai máis axeitados para a refundición de superficies láser, o revestimento, o recocido e outros procesos.