Laserové svařovánílze dosáhnout pomocí kontinuálních nebo pulzních laserových paprsků. Principylaserové svařováníLze rozdělit na tepelné vedení svařování a laserové hluboké průvarové svařování. Pokud je hustota výkonu menší než 104~105 W/cm2, jedná se o tepelné vedení svařování. V tomto případě je hloubka průvaru malá a rychlost svařování pomalá; pokud je hustota výkonu větší než 105~107 W/cm2, kovový povrch je v důsledku tepla konkávní do „otvorů“, čímž vzniká hluboké průvarové svařování, které se vyznačuje vysokou rychlostí svařování a velkým poměrem stran. Princip tepelného vedenílaserové svařováníje: laserové záření ohřívá opracovávaný povrch a povrchové teplo se šíří dovnitř prostřednictvím tepelného vedení. Řízením parametrů laseru, jako je šířka laserového pulzu, energie, špičkový výkon a opakovací frekvence, se obrobek roztaví a vytvoří specifickou taveninu.
Laserové svařování hlubokým průnikem obecně využívá k dokončení spojení materiálů nepřetržitý laserový paprsek. Jeho metalurgicko-fyzikální proces je velmi podobný svařování elektronovým paprskem, to znamená, že mechanismus přeměny energie se provádí prostřednictvím struktury „klíčové dírky“.
Při laserovém ozáření s dostatečně vysokou hustotou výkonu se materiál odpařuje a vznikají malé otvory. Tento malý otvor naplněný párou je jako černé těleso, které absorbuje téměř veškerou energii dopadajícího paprsku. Rovnovážná teplota v otvoru dosahuje přibližně 2500 °C.°C. Teplo se přenáší z vnější stěny vysokoteplotního otvoru, což způsobuje tavení kovu obklopujícího otvor. Malý otvor je naplněn vysokoteplotní párou, která vzniká neustálým odpařováním materiálu stěny pod vlivem paprsku. Stěny malého otvoru jsou obklopeny roztaveným kovem a tekutý kov je obklopen pevnými materiály (u většiny konvenčních svařovacích procesů a laserového svařování se energie nejprve ukládá na povrch obrobku a poté se přenosem přenáší dovnitř). Proud kapaliny vně stěny otvoru a povrchové napětí vrstvy stěny jsou ve fázi s nepřetržitě generovaným tlakem páry v dutině otvoru a udržují dynamickou rovnováhu. Světelný paprsek nepřetržitě vstupuje do malého otvoru a materiál vně malého otvoru nepřetržitě proudí. Jak se světelný paprsek pohybuje, malý otvor je vždy ve stabilním stavu proudění.
To znamená, že malý otvor a roztavený kov obklopující stěnu otvoru se pohybují vpřed s rychlostí pilotního paprsku. Roztavený kov vyplní mezeru, která zůstane po odstranění malého otvoru, a odpovídajícím způsobem kondenzuje, čímž se vytvoří svar. To vše se děje tak rychle, že rychlost svařování může snadno dosáhnout několika metrů za minutu.
Po pochopení základních konceptů hustoty výkonu, svařování tepelnou vodivostí a svařování hlubokým průvarem provedeme dále srovnávací analýzu hustoty výkonu a metalografických fází různých průměrů jádra.
Porovnání svařovacích experimentů založených na běžných průměrech laserového jádra na trhu:
Hustota výkonu ohniskové polohy laserů s různými průměry jádra
Z hlediska hustoty výkonu, při stejném výkonu platí, že čím menší je průměr jádra, tím vyšší je jas laseru a tím koncentrovanější je energie. Pokud laser porovnáme s ostrým nožem, čím menší je průměr jádra, tím je laser ostřejší. Hustota výkonu laseru s průměrem jádra 14 µm je více než 50krát větší než u laseru s průměrem jádra 100 µm a výpočetní kapacita je silnější. Zároveň je zde vypočítaná hustota výkonu pouze prostou průměrnou hustotou. Skutečné rozdělení energie je přibližné Gaussovo rozdělení a centrální energie bude několikanásobkem průměrné hustoty výkonu.
Schéma rozložení laserové energie s různými průměry jádra
Barva diagramu rozložení energie představuje rozložení energie. Čím červenější barva, tím vyšší je energie. Červená energie představuje místo, kde je energie koncentrována. Z rozložení laserové energie laserových paprsků s různými průměry jádra je patrné, že čelo laserového paprsku není ostré a laserový paprsek je ostrý. Čím menší je čelo, tím více je energie koncentrována v jednom bodě, tím je ostřejší a tím silnější je její pronikavá schopnost.
Porovnání svařovacích účinků laserů s různými průměry jádra
Porovnání laserů s různými průměry jádra:
(1) Experiment používá rychlost 150 mm/s, svařování v zaostřovací poloze a materiál je hliník řady 1 o tloušťce 2 mm;
(2) Čím větší je průměr jádra, tím větší je šířka tavení, tím větší je tepelně ovlivněná zóna a tím menší je hustota výkonu. Pokud průměr jádra přesáhne 200 μm, není snadné dosáhnout hloubky průvaru u vysoce reaktivních slitin, jako je hliník a měď, a svařování s vyšší hloubkou průvaru lze dosáhnout pouze s vysokým výkonem;
(3) Lasery s malým jádrem mají vysokou hustotu výkonu a dokáží rychle vyrazit klíčové dírky na povrchu materiálů s vysokou energií a malými tepelně ovlivněnými zónami. Zároveň je však povrch svaru drsný a pravděpodobnost zhroucení klíčové dírky je vysoká při nízkorychlostním svařování a klíčová dírka je během svařovacího cyklu uzavřena. Cyklus je dlouhý a náchylný k vadám, jako jsou defekty a póry. Je vhodný pro vysokorychlostní zpracování nebo zpracování s kývavou trajektorií;
(4) Lasery s velkým průměrem jádra mají větší světelné skvrny a více rozptýlenou energii, díky čemuž jsou vhodnější pro přetavování laserových povrchů, plátování, žíhání a další procesy.
Čas zveřejnění: 6. října 2023
