Vergleich der Schweißeffekte von Lasern mit unterschiedlichen Kerndurchmessern
Die Laserbearbeitung von Metallwerkstoffen ist hauptsächlich eine thermische Bearbeitung, die auf dem photothermischen Effekt basiert. Wenn der Laser die Oberfläche des Materials bestrahlt, erfährt die Oberfläche des Materials bei unterschiedlichen Leistungsdichten verschiedene Veränderungen. Zu diesen Veränderungen gehören erhöhte Oberflächentemperatur, Schmelzen, Verdampfung, Schlüssellochbildung und Photoplasmenbildung. Darüber hinaus hat die Änderung des physikalischen Zustands des Materialoberflächenbereichs großen Einfluss auf die Absorption von Laserlicht durch das Material. Im Allgemeinen gilt: Je höher die Temperatur, desto höher ist die Absorptionsrate des Laserlichts durch das Material. Mit zunehmender Leistungsdichte und Einwirkzeit erfährt das Metallmaterial die folgenden physikalischen Zustandsänderungen, wie in Abbildung 1 dargestellt [1].
Beim Laserschweißen gibt es zwei Kerne: Wärmeübertragung und Wärmeleitung. Die Wärmeübertragung hängt von der Wärmequelle, der Leistungsdichte und der Leitungsenergie ab. Luftstrom zur Feinabstimmung. Beim Schweißprozess werden hauptsächlich Wärmequelle, Leistungsdichte und Leitungsenergie angepasst. Zu den beteiligten Prozessparametern gehören: die Auswahl des Laserkerndurchmessers, der Leistung, der Geschwindigkeit und des Ausmaßes der Defokussierung. Da sich dieser Artikel hauptsächlich auf Laser mit unterschiedlichen Kerndurchmessern und hauptsächlich unterschiedlichen Leistungsdichten konzentriert, zeigt Abbildung 2 die einfache Berechnungsformel der Leistungsdichte:
Abhängig von der Absorptionsrate des Schweißprozesses gibt es zwei Hauptarten des Laserschweißens: das Wärmeleitungsschweißen (Tiefen-Breiten-Verhältnis).<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).
Laser-Wärmeleitungsschweißen:
Unterschiedliche Laserbestrahlungsstärken führen zu unterschiedlichen Zustandsänderungen des Materials, die sich im Schweißprozess in zwei typischen Schweißmodi widerspiegeln: Laser-Wärmeleitungsschweißen und Laser-Tiefschweißen. Der Wärmeübertragungsprozess, der Mechanismus der Schweißnahtbildung, die Prozesseigenschaften und der Anwendungsbereich der beiden sind sehr unterschiedlich.
Laser-Wärmeleitungsschweißmodus:
Beim Wärmeleitungsschweißen liegt die auf die Oberfläche des Werkstücks gestrahlte Laserstrahlung im Bereich von 10E4~10E6W/cm und die Laserenergie wird von der dünnen Schicht von 10~100 m auf der Oberfläche absorbiert. Die Laserenergie auf der Oberfläche wird durch Wärmeleitung in das Innere des Materials übertragen und der Laser kann nicht direkt berührt werden. Nach einer bestimmten Dauer der Laserbestrahlung schmilzt die Oberfläche und diese Schmelzisotherme breitet sich tief in das Material aus und die Oberflächentemperatur steigt weiter an. Aber das Höchste kann nur den Siedepunkt des Materials erreichen, egal wie hoch die Temperatur ist, das Material verdampft und bildet Gruben, der stabile Wärmeleitungsschweißprozess wird zerstört, das Schmelzbad oszilliert und das Material wird verbrannt. Im Allgemeinen wird das Wärmeleitungsschweißen hauptsächlich bei dünnen Blechen eingesetzt. In diesem Fall muss dem ein Ende gesetzt werden. Durch die relative Bewegung des Laserstrahls und des Werkstücks entsteht eine flache und breite Schweißnaht, wie in Abbildung 3 dargestellt. Das Verhältnis von Tiefe zu Breite der Schweißnaht ist gering und die Breite der Schweißnaht im Allgemeinen mehr als die doppelte Eindringtiefe. Die folgende Abbildung zeigt das Querschnittsbild einer typischen Laser-Wärmeleitungsschweißnaht. Die Form der Schweißnaht ist ungefähr halbkugelförmig.
Vergleich verschiedener Kerndurchmesserlaser:
(1) Die Geschwindigkeit des Experiments beträgt 150 mm/s, die Fokusposition ist geschweißt, das Material ist Aluminium der Serie 1 und die Dicke beträgt 2 mm;
(2) Je größer der Kerndurchmesser, desto größer die Fusionsbreite, desto größer die Wärmeeinflusszone und desto kleiner die Einheitsleistungsdichte. Wenn der Kerndurchmesser 200 µm überschreitet, ist es nicht einfach, bei hochreaktionsfähigen Legierungen wie Aluminium und Kupfer eine Eindringtiefe zu erreichen, und es ist eine höhere Leistung erforderlich, um ein tiefes Eindringschweißen zu erreichen.
(3) Der Laser mit kleinem Kerndurchmesser hat eine hohe Leistungsdichte, kann mit hoher Energie schnell Schlüssellöcher in die Oberfläche des Materials stanzen und hat eine kleine Wärmeeinflusszone, aber gleichzeitig ist die Oberfläche der Schweißnaht rau Die Wahrscheinlichkeit, dass das Schlüsselloch zusammenbricht, ist beim Schweißen mit niedriger Geschwindigkeit hoch und das Schlüsselloch ist während des Schweißzyklus geschlossen. Langer Zyklus, leicht zu erzeugende Fehler, Poren und andere Fehler, geeignet für Hochgeschwindigkeitsverarbeitung oder Verarbeitung mit Schwenkbahn;
(4) Laser mit großem Durchmesser eignen sich aufgrund ihres großen Punkts und der stärker verteilten Energie besser für das Umschmelzen, Auftragen, Glühen und andere Prozesse von Laseroberflächen.
Hochreflektierende Materialien: Aluminium, Kupfer, Edelstahl, Nickel, Molybdän usw.;
(1) Für hochreflektierende Materialien muss ein Laser mit kleinem Durchmesser gewählt werden. Verwendung eines Laserstrahls mit hoher Leistungsdichte, um das Material schnell in einen verflüssigten oder verdampften Zustand zu erhitzen, die Laserabsorptionsrate des Materials zu verbessern und eine effiziente und schnelle Verarbeitung zu erreichen. Es ist einfach, einen Laser mit einem großen Kerndurchmesser zu wählen. Führen zu starker Reflexion, zu virtuellem Schweißen und sogar zum Durchbrennen des Lasers;
Rissempfindliche Materialien: Nickel, vernickeltes Kupfer, Aluminium, Edelstahl, Titanlegierung usw.
(2) Diese Art von Material erfordert im Allgemeinen eine strenge Kontrolle der Wärmeeinflusszone und erfordert ein kleines Schmelzbad. Es ist sinnvoller, einen Laser mit kleinem Durchmesser zu wählen;
Hochgeschwindigkeits-Laserbearbeitung:
(3) Tiefschweißen erfordert eine Hochgeschwindigkeits-Laserbearbeitung, und es ist notwendig, einen Laser mit hoher Energiedichte auszuwählen, um sicherzustellen, dass die Linienenergie ausreicht, um das Material mit hoher Geschwindigkeit zu schmelzen, insbesondere beim Überlappschweißen, Durchdringschweißen usw andere kleine Kerne, die eine hohe Eindringtiefe erfordern. Radiallaser sind besser geeignet.
Advantages and applications of large core lasers (>100um):
Großer Kerndurchmesser und großer Punkt, große Wärmeabdeckungsfläche, große Wirkungsfläche und Mikroschmelzen nur auf der Oberfläche des Materials, sehr gut geeignet für Anwendungen beim Laserauftragschweißen, Laserumschmelzen, Laserglühen, Laserhärten usw. In diesen Flächen bedeutet ein großer Spot eine höhere Produktivität und weniger Defekte (Wärmeleitungslöten ist nahezu fehlerfrei).
In Bezug auf das Schweißen wird der große Punkt hauptsächlich zum Verbundschweißen verwendet, das zum Compoundieren mit Lasern mit kleinem Kerndurchmesser verwendet wird: Der große Punkt lässt die Oberfläche des Materials leicht schmelzen und von fest in flüssig umwandeln, was die Absorptionsrate erheblich verbessert des Materials zum Laser und verwendet dann einen kleinen Kern. Bei diesem Verfahren ist das Material aufgrund der Vorwärmung des großen Flecks, der Nachbearbeitung und des großen Temperaturgradienten, der dem Schmelzbad gegeben ist, nicht anfällig für Rissdefekte durch schnelles Erhitzen und schnelles Abkühlen. Dadurch kann die Schweißnaht glatter aussehen und gleichzeitig weniger Spritzer entstehen als bei der Einzellaserlösung.
