Confronto degli effetti di saldatura di laser con diversi diametri del nucleo
La lavorazione laser di materiali metallici è principalmente una lavorazione termica basata sull'effetto fototermico. Quando il laser irradia la superficie del materiale, la superficie del materiale subirà vari cambiamenti a diverse densità di potenza. Questi cambiamenti includono l’aumento della temperatura superficiale, la fusione, la vaporizzazione, la formazione del buco della serratura e la generazione di fotoplasma. Inoltre, il cambiamento dello stato fisico della regione superficiale del materiale influisce notevolmente sull'assorbimento della luce laser da parte del materiale. In generale, maggiore è la temperatura, maggiore è il tasso di assorbimento della luce laser da parte del materiale. Con l'aumento della densità di potenza e del tempo di azione, il materiale metallico subirà i seguenti cambiamenti di stato fisico, come mostrato nella Figura 1 [1].
Esistono due nuclei della saldatura laser: trasferimento di calore e conduzione di calore. Il trasferimento di calore è correlato alla fonte di calore, alla densità di potenza e all'energia della linea; Flusso d'aria da ottimizzare. Nel processo di saldatura vengono regolate principalmente la fonte di calore, la densità di potenza e l'energia della linea. I parametri di processo coinvolti includono: la selezione del diametro del nucleo laser, della potenza, della velocità e della quantità di sfocatura. Considerando che questo articolo si concentra principalmente su laser con diversi diametri del nucleo e coinvolge principalmente diverse densità di potenza, la Figura 2 mostra la semplice formula di calcolo della densità di potenza:
Esistono due tipi principali di saldatura laser in base al tasso di assorbimento del processo di saldatura, uno è la saldatura a conduzione di calore (rapporto profondità-larghezza<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).
Saldatura laser a conduzione termica:
Una diversa irradianza laser causerà diversi cambiamenti nello stato del materiale, che si riflettono nel processo di saldatura come due tipiche modalità di saldatura: saldatura a conduzione di calore laser e saldatura a penetrazione profonda del laser. Il processo di trasferimento del calore, il meccanismo di formazione della saldatura, le caratteristiche del processo e il campo di applicazione dei due sono molto diversi.
Modalità di saldatura a conduzione termica laser:
Durante la saldatura a conduzione di calore, l'irradianza laser irradiata sulla superficie del pezzo è compresa tra 10E4 e 10 E6 W/cm e l'energia laser viene assorbita dallo strato sottile di 10 ~ 100 m sulla superficie. L'energia laser sulla superficie viene trasmessa all'interno del materiale mediante conduzione termica e il laser non può essere toccato direttamente. Dopo un certo periodo di irradiazione laser, la superficie raggiunge la fusione e questa isoterma di fusione si propaga in profondità nel materiale e la temperatura superficiale continua ad aumentare. Ma il punto più alto può raggiungere solo il punto di ebollizione del materiale, non importa quanto sia alta la temperatura, il materiale vaporizzerà e formerà buchi, il processo di saldatura stabile a conduzione termica verrà distrutto, la pozza fusa oscillerà e il materiale sarà bruciato. In generale, la saldatura a conduzione termica viene utilizzata principalmente su lamiere sottili. In questo caso è necessario porre fine a tutto ciò. Con il movimento relativo del raggio laser e del pezzo in lavorazione, si forma un cordone di saldatura poco profondo e largo, come mostrato nella Figura 3. Il rapporto profondità-larghezza del cordone di saldatura è piccolo e la larghezza del cordone di saldatura è generalmente più del doppio della profondità di penetrazione. La figura seguente mostra l'aspetto in sezione trasversale di un tipico cordone di saldatura a conduzione termica laser e la forma del cordone di saldatura è approssimativamente emisferica.
Confronto tra laser con diametro del nucleo diverso:
(1) La velocità dell'esperimento è di 150 mm/s, la posizione di messa a fuoco è saldata, il materiale è alluminio serie 1 e lo spessore è di 2 mm;
(2) Maggiore è il diametro del nucleo, maggiore è la larghezza di fusione, maggiore è la zona influenzata dal calore e minore è la densità di potenza dell'unità. Quando il diametro del nucleo supera i 200um, non è facile ottenere una profondità di penetrazione su leghe ad alta reazione come alluminio e rame e richiede una potenza maggiore per ottenere una saldatura a penetrazione profonda;
(3) Il laser dal diametro del nucleo piccolo ha un'elevata densità di potenza, può perforare rapidamente fori sulla superficie del materiale con elevata energia e ha una piccola zona influenzata dal calore, ma allo stesso tempo la superficie della saldatura è ruvida, il la probabilità di collasso del buco della serratura è elevata durante la saldatura a bassa velocità e il buco della serratura viene chiuso durante il ciclo di saldatura Ciclo lungo, difetti, pori e altri difetti facili da produrre, adatti per la lavorazione ad alta velocità o la lavorazione con binario oscillante;
(4) I laser di grande diametro sono più adatti per la rifusione superficiale, il rivestimento, la ricottura e altri processi laser a causa del loro spot di grandi dimensioni e della maggiore energia dispersa.
Materiali altamente riflettenti: alluminio, rame, acciaio inossidabile, nichel, molibdeno, ecc.;
(1) I materiali altamente riflettenti devono scegliere un laser di piccolo diametro. Utilizzando un raggio laser ad alta densità di potenza per riscaldare rapidamente il materiale allo stato liquefatto o vaporizzato, migliorare il tasso di assorbimento laser del materiale e ottenere un'elaborazione efficiente e veloce. È facile scegliere un laser con un diametro del nucleo grande. Porta ad un'elevata riflessione, porta alla saldatura virtuale e persino brucia il laser;
Materiali sensibili alle crepe: nichel, rame nichelato, alluminio, acciaio inossidabile, lega di titanio, ecc.
(2) Questo tipo di materiale richiede generalmente un controllo rigoroso della zona interessata dal calore e richiede una piccola vasca fusa. È più opportuno scegliere un laser di piccolo diametro;
Lavorazione laser ad alta velocità:
(3) La saldatura a penetrazione profonda richiede una lavorazione laser ad alta velocità ed è necessario selezionare un laser con un'elevata densità di energia per garantire che l'energia della linea sia sufficiente per fondere il materiale ad alta velocità, in particolare per la saldatura a sovrapposizione, la saldatura a penetrazione e altri piccoli nuclei che richiedono un'elevata profondità di penetrazione. I laser radiali sono più adatti.
Advantages and applications of large core lasers (>100um):
Grande diametro del nucleo e punto ampio, ampia area di copertura del calore, ampia superficie di azione e raggiunge solo la microfusione sulla superficie del materiale, molto adatto per applicazioni di rivestimento laser, rifusione laser, ricottura laser, tempra laser, ecc. In questi aree, un punto ampio significa maggiore produttività e minori difetti (la saldatura a conduzione termica è quasi priva di difetti).
In termini di saldatura, il punto grande viene utilizzato principalmente per la saldatura composita, che viene utilizzata per la saldatura con laser di piccolo diametro del nucleo: il punto grande fa sciogliere leggermente la superficie del materiale, trasformandola da solido a liquido, il che migliora notevolmente il tasso di assorbimento del materiale al laser, quindi utilizza un piccolo nucleo. In questo processo, a causa del preriscaldamento del punto grande, della post-elaborazione e dell'ampio gradiente di temperatura dato al bagno fuso, il materiale non è soggetto a crepe causate mediante riscaldamento rapido e raffreddamento rapido. Può rendere l'aspetto della saldatura più liscio e allo stesso tempo ottenere spruzzi inferiori rispetto alla soluzione laser singola.
