So sánh hiệu quả hàn của laser với các đường kính lõi khác nhau
Gia công laser vật liệu kim loại chủ yếu là xử lý nhiệt dựa trên hiệu ứng quang nhiệt. Khi tia laser chiếu xạ lên bề mặt vật liệu, diện tích bề mặt của vật liệu sẽ trải qua những thay đổi khác nhau dưới các mật độ năng lượng khác nhau. Những thay đổi này bao gồm nhiệt độ bề mặt tăng lên, sự tan chảy, sự bay hơi, hình thành lỗ khóa và tạo ra photoplasma. Hơn nữa, sự thay đổi trạng thái vật lý của vùng bề mặt vật liệu ảnh hưởng lớn đến sự hấp thụ ánh sáng laser của vật liệu. Nói chung, nhiệt độ càng cao thì tốc độ hấp thụ ánh sáng laser của vật liệu càng cao. Với sự gia tăng mật độ năng lượng và thời gian tác động, vật liệu kim loại sẽ trải qua những thay đổi trạng thái vật lý sau đây, như trong Hình 1 [1].
Có hai lõi hàn laser: truyền nhiệt và dẫn nhiệt. Truyền nhiệt liên quan đến nguồn nhiệt, mật độ công suất và năng lượng đường dây; Luồng khí để tinh chỉnh. Trong quá trình hàn, nguồn nhiệt, mật độ công suất và năng lượng đường dây chủ yếu được điều chỉnh. Các thông số quy trình liên quan bao gồm: lựa chọn đường kính lõi laser, công suất, tốc độ và mức độ mất nét. Xét rằng bài viết này chủ yếu tập trung vào các tia laser có đường kính lõi khác nhau và chủ yếu liên quan đến mật độ năng lượng khác nhau, Hình 2 cho thấy công thức tính mật độ năng lượng đơn giản:
Có hai loại hàn laser chính theo tốc độ hấp thụ của quá trình hàn, một là hàn dẫn nhiệt (tỷ lệ chiều sâu và chiều rộng<1, laser absorption rate of red light is within 20%, and different wavelengths are different), and the other is deep penetration welding (Aspect ratio > 1, the absorption rate is greater than the absorption rate of the molten pool of the material, more than 60%, mainly due to the multiple reflection and absorption of the laser in the keyhole).
Hàn dẫn nhiệt bằng laser:
Bức xạ laser khác nhau sẽ gây ra những thay đổi khác nhau về trạng thái của vật liệu, điều này được thể hiện trong quá trình hàn dưới hai chế độ hàn điển hình: hàn dẫn nhiệt laser và hàn xuyên sâu laser. Quá trình truyền nhiệt, cơ chế hình thành mối hàn, đặc điểm quy trình và phạm vi ứng dụng của cả hai rất khác nhau.
Chế độ hàn dẫn nhiệt bằng laser:
Trong quá trình hàn dẫn nhiệt, bức xạ laser chiếu lên bề mặt phôi nằm trong khoảng 10E4 ~ 10E6W/cm và năng lượng laser được hấp thụ bởi lớp mỏng 10 ~ 100m trên bề mặt. Năng lượng laser trên bề mặt được truyền vào bên trong vật liệu bằng cách dẫn nhiệt và không thể chạm trực tiếp vào tia laser. Sau một thời gian chiếu xạ laser nhất định, bề mặt đạt đến trạng thái nóng chảy và đường đẳng nhiệt nóng chảy này truyền sâu vào vật liệu và nhiệt độ bề mặt tiếp tục tăng. Nhưng cao nhất chỉ có thể đạt đến nhiệt độ sôi của vật liệu, dù nhiệt độ có cao đến đâu thì vật liệu cũng sẽ bốc hơi và hình thành các vết rỗ, quá trình hàn dẫn nhiệt ổn định sẽ bị phá hủy, vũng nóng chảy sẽ dao động và vật liệu sẽ bị biến dạng. bị đốt cháy. Nói chung, hàn dẫn nhiệt chủ yếu được sử dụng ở các tấm mỏng. Trong trường hợp này Cần phải chấm dứt nó. Với sự chuyển động tương đối của chùm tia laser và phôi, một đường hàn nông và rộng được hình thành, như trong Hình 3. Tỷ lệ chiều sâu trên chiều rộng của đường hàn nhỏ và chiều rộng của đường hàn nói chung là hơn hai lần độ sâu thâm nhập. Hình dưới đây cho thấy hình dạng mặt cắt ngang của đường hàn dẫn nhiệt bằng laser điển hình và hình dạng của đường hàn gần như hình bán cầu.
So sánh các laser có đường kính lõi khác nhau:
(1) Tốc độ thí nghiệm là 150mm / s, vị trí tiêu điểm được hàn, vật liệu là nhôm 1 series và độ dày là 2 mm;
(2) Đường kính lõi càng lớn thì chiều rộng nhiệt hạch càng lớn, vùng chịu ảnh hưởng nhiệt càng lớn và mật độ công suất đơn vị càng nhỏ. Khi đường kính lõi vượt quá 200um, không dễ đạt được độ sâu thâm nhập trên các hợp kim có phản ứng cao như nhôm và đồng, và yêu cầu Công suất cao hơn mới có thể đạt được mối hàn xuyên sâu;
(3) Laser có đường kính lõi nhỏ có mật độ năng lượng cao, có thể nhanh chóng đục lỗ khóa trên bề mặt vật liệu với năng lượng cao và có vùng chịu ảnh hưởng nhiệt nhỏ, nhưng đồng thời bề mặt mối hàn gồ ghề, xác suất sập lỗ khóa cao khi hàn tốc độ thấp và lỗ khóa bị đóng trong chu trình hàn Chu kỳ dài, dễ tạo ra khuyết tật, lỗ chân lông và các khuyết tật khác, thích hợp cho xử lý tốc độ cao hoặc xử lý theo đường xoay;
(4) Laser có đường kính lớn thích hợp hơn cho việc làm lại bề mặt laser, phủ, ủ và các quá trình khác do điểm lớn và năng lượng phân tán hơn.
Vật liệu phản chiếu cao: nhôm, đồng, thép không gỉ, niken, molypden, v.v.;
(1) Vật liệu có độ phản chiếu cao cần chọn tia laser có đường kính nhỏ. Sử dụng chùm tia laser mật độ năng lượng cao để nhanh chóng làm nóng vật liệu đến trạng thái hóa lỏng hoặc bay hơi, cải thiện tốc độ hấp thụ tia laser của vật liệu và đạt được quá trình xử lý hiệu quả và nhanh chóng. Thật dễ dàng để chọn một tia laser có đường kính lõi lớn. Dẫn đến độ phản xạ cao, dẫn đến hàn ảo, thậm chí làm cháy tia laser;
Vật liệu nhạy cảm với vết nứt: niken, đồng mạ niken, nhôm, thép không gỉ, hợp kim titan, v.v.
(2) Loại vật liệu này thường yêu cầu kiểm soát chặt chẽ vùng chịu ảnh hưởng nhiệt và yêu cầu một bể nóng chảy nhỏ. Sẽ thích hợp hơn khi chọn tia laser có đường kính nhỏ;
Xử lý laser tốc độ cao:
(3) Hàn xuyên sâu đòi hỏi phải xử lý laser tốc độ cao và cần chọn loại laser có mật độ năng lượng cao để đảm bảo năng lượng đường đủ để làm nóng chảy vật liệu ở tốc độ cao, đặc biệt là hàn chồng, hàn xuyên và các lõi nhỏ khác yêu cầu độ sâu thâm nhập cao. Laser xuyên tâm phù hợp hơn.
Advantages and applications of large core lasers (>100um):
Đường kính lõi lớn và điểm lớn, diện tích bao phủ nhiệt lớn, bề mặt tác động rộng và chỉ đạt được sự nóng chảy vi mô trên bề mặt vật liệu, rất thích hợp cho các ứng dụng trong lớp phủ laser, nấu chảy lại bằng laser, ủ laser, làm cứng bằng laser, v.v. các khu vực, điểm lớn có nghĩa là năng suất cao hơn và khuyết tật thấp hơn (hàn dẫn nhiệt hầu như không có khuyết tật).
Về mặt hàn, điểm lớn chủ yếu được sử dụng để hàn composite, được sử dụng để kết hợp với laser có đường kính lõi nhỏ: điểm lớn làm cho bề mặt vật liệu tan chảy nhẹ, chuyển từ rắn sang lỏng, giúp cải thiện đáng kể tốc độ hấp thụ của vật liệu tới tia laser, sau đó sử dụng lõi nhỏ. Trong quá trình này, do quá trình gia nhiệt trước của điểm lớn, xử lý sau và độ dốc nhiệt độ lớn được cung cấp cho bể nóng chảy, vật liệu không dễ bị nứt các khuyết tật gây ra bằng cách làm nóng nhanh và làm lạnh nhanh. Nó có thể làm cho bề ngoài của mối hàn mịn hơn, đồng thời đạt được độ bắn tóe thấp hơn so với giải pháp laser đơn lẻ.
