Perbandingan kesan kimpalan laser dengan diameter teras yang berbeza

Kimpalan laserboleh dicapai menggunakan pancaran laser berterusan atau berdenyut. Prinsip-prinsipkimpalan laserboleh dibahagikan kepada kimpalan pengaliran haba dan kimpalan penembusan laser yang mendalam. Apabila ketumpatan kuasa kurang daripada 104 ~ 105 W/cm2, ia adalah kimpalan pengaliran haba. Pada masa ini, kedalaman penembusan adalah cetek dan kelajuan kimpalan adalah perlahan; apabila ketumpatan kuasa lebih besar daripada 105 ~ 107 W/cm2, permukaan logam cekung menjadi "lubang" kerana haba, membentuk kimpalan penembusan yang mendalam, yang mempunyai ciri-ciri kelajuan kimpalan yang cepat dan nisbah aspek yang besar. Prinsip pengaliran habakimpalan laserialah: sinaran laser memanaskan permukaan yang hendak diproses, dan haba permukaan meresap ke bahagian dalam melalui pengaliran terma. Dengan mengawal parameter laser seperti lebar denyut laser, tenaga, kuasa puncak dan frekuensi pengulangan, bahan kerja dicairkan untuk membentuk kolam lebur tertentu.

Kimpalan penembusan mendalam laser secara amnya menggunakan pancaran laser berterusan untuk melengkapkan sambungan bahan. Proses fizikal metalurginya sangat serupa dengan kimpalan pancaran elektron, iaitu mekanisme penukaran tenaga diselesaikan melalui struktur "lubang kunci".

Di bawah penyinaran laser dengan ketumpatan kuasa yang cukup tinggi, bahan tersebut tersejat dan lubang-lubang kecil terbentuk. Lubang kecil yang dipenuhi dengan wap ini seperti jasad hitam, menyerap hampir semua tenaga pancaran datang. Suhu keseimbangan dalam lubang mencapai kira-kira 2500°C. Haba dipindahkan dari dinding luar lubang suhu tinggi, menyebabkan logam yang mengelilingi lubang itu cair. Lubang kecil itu diisi dengan stim suhu tinggi yang dihasilkan oleh penyejatan berterusan bahan dinding di bawah penyinaran rasuk. Dinding lubang kecil dikelilingi oleh logam cair, dan logam cecair dikelilingi oleh bahan pepejal (dalam kebanyakan proses kimpalan konvensional dan kimpalan konduksi laser, tenaga pertama kali dimendapkan pada permukaan bahan kerja dan kemudian diangkut ke bahagian dalam melalui pemindahan). Aliran cecair di luar dinding lubang dan tegangan permukaan lapisan dinding berada dalam fasa dengan tekanan stim yang dihasilkan secara berterusan dalam rongga lubang dan mengekalkan keseimbangan dinamik. Rasuk cahaya terus memasuki lubang kecil, dan bahan di luar lubang kecil terus mengalir. Semasa rasuk cahaya bergerak, lubang kecil sentiasa berada dalam keadaan aliran yang stabil.

Maksudnya, lubang kecil dan logam cair yang mengelilingi dinding lubang bergerak ke hadapan dengan kelajuan hadapan rasuk pandu. Logam cair mengisi jurang yang ditinggalkan selepas lubang kecil dikeluarkan dan memeluwap sewajarnya, dan kimpalan terbentuk. Semua ini berlaku begitu cepat sehingga kelajuan kimpalan boleh mencapai beberapa meter seminit dengan mudah.

Selepas memahami konsep asas ketumpatan kuasa, kimpalan kekonduksian terma dan kimpalan penembusan dalam, kita seterusnya akan menjalankan analisis perbandingan ketumpatan kuasa dan fasa metalografi bagi diameter teras yang berbeza.

Perbandingan eksperimen kimpalan berdasarkan diameter teras laser biasa di pasaran:

Ketumpatan kuasa kedudukan titik fokus laser dengan diameter teras yang berbeza

Dari perspektif ketumpatan kuasa, di bawah kuasa yang sama, semakin kecil diameter teras, semakin tinggi kecerahan laser dan semakin pekat tenaganya. Jika laser dibandingkan dengan pisau tajam, semakin kecil diameter teras, semakin tajam laser tersebut. Ketumpatan kuasa laser berdiameter teras 14um adalah lebih daripada 50 kali ganda daripada laser berdiameter teras 100um, dan keupayaan pemprosesannya lebih kuat. Pada masa yang sama, ketumpatan kuasa yang dikira di sini hanyalah ketumpatan purata yang mudah. ​​Taburan tenaga sebenar adalah taburan Gaussian anggaran, dan tenaga pusat akan menjadi beberapa kali ganda daripada ketumpatan kuasa purata.

Gambarajah skematik pengagihan tenaga laser dengan diameter teras yang berbeza

Warna gambar rajah taburan tenaga ialah taburan tenaga. Semakin merah warnanya, semakin tinggi tenaganya. Tenaga merah ialah tempat tenaga tertumpu. Melalui taburan tenaga laser pancaran laser dengan diameter teras yang berbeza, dapat dilihat bahawa bahagian hadapan pancaran laser tidak tajam dan pancaran laser juga tajam. Semakin kecil, semakin tertumpu tenaga pada satu titik, semakin tajam dan semakin kuat keupayaan penembusannya.

Perbandingan kesan kimpalan laser dengan diameter teras yang berbeza

Perbandingan laser dengan diameter teras yang berbeza:

(1) Eksperimen ini menggunakan kelajuan 150mm/s, kimpalan kedudukan fokus, dan bahannya ialah aluminium siri 1, tebal 2mm;

(2) Semakin besar diameter teras, semakin besar lebar lebur, semakin besar zon yang terjejas haba, dan semakin kecil ketumpatan kuasa unit. Apabila diameter teras melebihi 200um, bukanlah mudah untuk mencapai kedalaman penembusan pada aloi tindak balas tinggi seperti aluminium dan kuprum, dan kimpalan penembusan mendalam yang lebih tinggi hanya boleh dicapai dengan kuasa tinggi;

(3) Laser teras kecil mempunyai ketumpatan kuasa yang tinggi dan boleh menebuk lubang kunci dengan cepat pada permukaan bahan dengan tenaga tinggi dan zon kecil yang terjejas haba. Walau bagaimanapun, pada masa yang sama, permukaan kimpalan adalah kasar, dan kebarangkalian keruntuhan lubang kunci adalah tinggi semasa kimpalan berkelajuan rendah, dan lubang kunci ditutup semasa kitaran kimpalan. Kitaran ini panjang, dan kecacatan seperti kecacatan dan liang pori mudah berlaku. Ia sesuai untuk pemprosesan berkelajuan tinggi atau pemprosesan dengan trajektori ayunan;

(4) Laser berdiameter teras besar mempunyai tompok cahaya yang lebih besar dan tenaga yang lebih tersebar, menjadikannya lebih sesuai untuk peleburan semula permukaan laser, pelapisan, penyepuhlindapan dan proses lain.