Comparació dels efectes de soldadura de làsers amb diferents diàmetres de nucli

Soldadura làseres pot aconseguir mitjançant feixos làser continus o pulsats. Els principis desoldadura làseres pot dividir en soldadura per conducció tèrmica i soldadura per penetració profunda amb làser. Quan la densitat de potència és inferior a 104~105 W/cm2, es tracta de soldadura per conducció tèrmica. En aquest moment, la profunditat de penetració és superficial i la velocitat de soldadura és lenta; quan la densitat de potència és superior a 105~107 W/cm2, la superfície metàl·lica es torna còncava en "forats" a causa de la calor, formant soldadura per penetració profunda, que té les característiques d'una velocitat de soldadura ràpida i una gran relació d'aspecte. El principi de la conducció tèrmicasoldadura làserés a dir: la radiació làser escalfa la superfície a processar i la calor superficial es difon a l'interior a través de la conducció tèrmica. Controlant els paràmetres del làser com l'amplada del pols làser, l'energia, la potència màxima i la freqüència de repetició, la peça es fon per formar un bany fos específic.

La soldadura per penetració profunda amb làser generalment utilitza un feix làser continu per completar la connexió de materials. El seu procés físic metal·lúrgic és molt similar al de la soldadura per feix d'electrons, és a dir, el mecanisme de conversió d'energia es completa mitjançant una estructura de "forat de pany".

Sota irradiació làser amb una densitat de potència prou alta, el material s'evapora i es formen petits forats. Aquest petit forat ple de vapor és com un cos negre, absorbint gairebé tota l'energia del feix incident. La temperatura d'equilibri al forat arriba a uns 2500°C. La calor es transfereix des de la paret exterior del forat d'alta temperatura, fent que el metall que envolta el forat es fongui. El forat petit s'omple amb vapor d'alta temperatura generat per l'evaporació contínua del material de la paret sota la irradiació del feix. Les parets del forat petit estan envoltades de metall fos, i el metall líquid està envoltat de materials sòlids (en la majoria de processos de soldadura convencionals i soldadura per conducció làser, l'energia primer es diposita a la superfície de la peça i després es transporta a l'interior per transferència). El flux de líquid fora de la paret del forat i la tensió superficial de la capa de la paret estan en fase amb la pressió de vapor generada contínuament a la cavitat del forat i mantenen un equilibri dinàmic. El feix de llum entra contínuament al forat petit i el material fora del forat petit flueix contínuament. A mesura que el feix de llum es mou, el forat petit sempre està en un estat de flux estable.

És a dir, el forat petit i el metall fos que envolta la paret del forat es mouen cap endavant amb la velocitat d'avanç del feix pilot. El metall fos omple el buit que queda després de treure el forat petit i es condensa en conseqüència, i es forma la soldadura. Tot això passa tan ràpidament que les velocitats de soldadura poden arribar fàcilment a diversos metres per minut.

Després d'entendre els conceptes bàsics de densitat de potència, soldadura per conductivitat tèrmica i soldadura per penetració profunda, a continuació, realitzarem una anàlisi comparativa de la densitat de potència i les fases metal·logràfiques de diferents diàmetres de nucli.

Comparació d'experiments de soldadura basats en diàmetres de nucli làser comuns al mercat:

Densitat de potència de la posició del punt focal de làsers amb diferents diàmetres de nucli

Des de la perspectiva de la densitat de potència, amb la mateixa potència, com més petit sigui el diàmetre del nucli, més alta serà la brillantor del làser i més concentrada serà l'energia. Si es compara el làser amb un ganivet afilat, com més petit sigui el diàmetre del nucli, més afilat serà el làser. La densitat de potència del làser de 14 µm de diàmetre del nucli és més de 50 vegades superior a la del làser de 100 µm de diàmetre del nucli, i la capacitat de processament és més forta. Al mateix temps, la densitat de potència calculada aquí és només una densitat mitjana simple. La distribució d'energia real és una distribució gaussiana aproximada, i l'energia central serà diverses vegades la densitat de potència mitjana.

Diagrama esquemàtic de la distribució d'energia làser amb diferents diàmetres de nucli

El color del diagrama de distribució d'energia és la distribució d'energia. Com més vermell és el color, més alta és l'energia. L'energia vermella és el lloc on es concentra l'energia. A través de la distribució de l'energia làser dels feixos làser amb diferents diàmetres de nucli, es pot veure que el front del feix làser no és nítid i el feix làser sí que és nítid. Com més petit és, més concentrada és l'energia en un punt, més nítid és i més forta és la seva capacitat de penetració.

Comparació dels efectes de soldadura de làsers amb diferents diàmetres de nucli

Comparació de làsers amb diferents diàmetres de nucli:

(1) L'experiment utilitza una velocitat de 150 mm/s, soldadura en posició focal i el material és alumini de la sèrie 1, de 2 mm de gruix;

(2) Com més gran sigui el diàmetre del nucli, més gran serà l'amplada de fusió, més gran serà la zona afectada per la calor i més petita serà la densitat de potència unitària. Quan el diàmetre del nucli supera els 200 µm, no és fàcil aconseguir una profunditat de penetració en aliatges d'alta reacció com l'alumini i el coure, i només es pot aconseguir una soldadura de penetració profunda més alta amb alta potència;

(3) Els làsers de nucli petit tenen una alta densitat de potència i poden perforar ràpidament forats de pany a la superfície de materials amb alta energia i petites zones afectades per la calor. Tanmateix, al mateix temps, la superfície de la soldadura és rugosa i la probabilitat de col·lapse del forat de pany és alta durant la soldadura a baixa velocitat, i el forat de pany es tanca durant el cicle de soldadura. El cicle és llarg i és probable que es produeixin defectes com ara defectes i porus. És adequat per al processament d'alta velocitat o el processament amb una trajectòria d'oscil·lació;

(4) Els làsers de gran diàmetre de nucli tenen punts de llum més grans i una energia més dispersa, cosa que els fa més adequats per a la refusió superficial de làser, el revestiment, el recuit i altres processos.