Comparação dos efeitos de soldagem de lasers com diferentes diâmetros de núcleo
O processamento a laser de materiais metálicos é principalmente o processamento térmico baseado no efeito fototérmico. Quando o laser irradia a superfície do material, a área superficial do material sofrerá várias alterações sob diferentes densidades de potência. Essas mudanças incluem aumento da temperatura da superfície, fusão, vaporização, formação de buracos de fechadura e geração de fotoplasma. Além disso, a mudança do estado físico da região da superfície do material afeta muito a absorção da luz laser pelo material. De modo geral, quanto maior a temperatura, maior a taxa de absorção da luz laser pelo material. Com o aumento da densidade de potência e do tempo de ação, o material metálico sofrerá as seguintes mudanças de estado físico, conforme mostrado na Figura 1 [1].
Existem dois núcleos de soldagem a laser: transferência de calor e condução de calor. A transferência de calor está relacionada à fonte de calor, densidade de potência e energia da linha; Fluxo de ar para ajuste fino. No processo de soldagem, a fonte de calor, a densidade de potência e a energia da linha são ajustadas principalmente. Os parâmetros do processo envolvidos incluem: a seleção do diâmetro do núcleo do laser, potência, velocidade e quantidade de desfocagem. Considerando que este artigo se concentra principalmente em lasers com diferentes diâmetros de núcleo e envolve principalmente diferentes densidades de potência, a Figura 2 mostra a fórmula de cálculo simples da densidade de potência:
Existem dois tipos principais de soldagem a laser de acordo com a taxa de absorção do processo de soldagem, um é a soldagem por condução de calor (relação profundidade-largura<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).
Soldagem por condução de calor a laser:
Diferentes irradiâncias do laser causarão diferentes mudanças no estado do material, o que se reflete no processo de soldagem como dois modos típicos de soldagem: soldagem por condução de calor a laser e soldagem por penetração profunda a laser. O processo de transferência de calor, o mecanismo de formação da solda, as características do processo e a faixa de aplicação dos dois são muito diferentes.
Modo de soldagem por condução de calor a laser:
Durante a soldagem por condução de calor, a irradiância do laser irradiada na superfície da peça está na faixa de 10E4~10E6W/cm, e a energia do laser é absorvida pela fina camada de 10~100m na superfície. A energia do laser na superfície é transmitida para o interior do material por condução de calor e o laser não pode ser tocado diretamente. Após um certo período de irradiação do laser, a superfície atinge o derretimento, e essa isoterma de fusão se propaga profundamente no material, e a temperatura da superfície continua a aumentar. Mas o mais alto só pode atingir o ponto de ebulição do material, não importa quão alta seja a temperatura, o material irá vaporizar e formar poços, o processo estável de soldagem por condução de calor será destruído, a poça derretida oscilará e o material será queimado. Geralmente, a soldagem por condução de calor é usada principalmente em placas finas. Nesse caso Precisa acabar com isso. Com o movimento relativo do feixe de laser e da peça de trabalho, uma costura de solda rasa e larga é formada, conforme mostrado na Figura 3. A relação profundidade-largura da costura de solda é pequena, e a largura da costura de solda é geralmente mais que o dobro da profundidade de penetração. A figura abaixo mostra a aparência da seção transversal de uma costura típica de soldagem por condução de calor a laser, e o formato da costura de solda é aproximadamente hemisférico.
Comparação de lasers de diferentes diâmetros de núcleo:
(1) A velocidade do experimento é de 150 mm/s, a posição do foco é soldada, o material é alumínio de 1 série e a espessura é de 2 mm;
(2) Quanto maior o diâmetro do núcleo, maior a largura da fusão, maior a zona afetada pelo calor e menor a densidade de potência da unidade. Quando o diâmetro do núcleo excede 200um, não é fácil atingir a profundidade de penetração em ligas de alta reação, como alumínio e cobre, e requer maior potência para obter soldagem de penetração profunda;
(3) O laser de pequeno diâmetro de núcleo tem alta densidade de potência, pode perfurar rapidamente buracos de fechadura na superfície do material com alta energia e tem uma pequena zona afetada pelo calor, mas ao mesmo tempo a superfície da solda é áspera, o a probabilidade de colapso do buraco da fechadura é alta durante a soldagem de baixa velocidade, e o buraco da fechadura é fechado durante o ciclo de soldagem Ciclo longo, fácil de produzir defeitos, poros e outros defeitos, adequado para processamento em alta velocidade ou processamento com pista oscilante;
(4) Os lasers de grande diâmetro são mais adequados para refusão, revestimento, recozimento e outros processos de superfície a laser devido ao seu grande ponto e energia mais dispersa.
Materiais altamente reflexivos: alumínio, cobre, aço inoxidável, níquel, molibdênio, etc.;
(1) Materiais altamente reflexivos precisam escolher um laser de pequeno diâmetro. Usando um feixe de laser de alta densidade de potência para aquecer rapidamente o material até um estado liquefeito ou vaporizado, melhorar a taxa de absorção do laser do material e obter um processamento rápido e eficiente. É fácil escolher um laser com diâmetro de núcleo grande. Leva a alta reflexão, leva à soldagem virtual e até queima o laser;
Materiais sensíveis a rachaduras: níquel, cobre niquelado, alumínio, aço inoxidável, liga de titânio, etc.
(2) Este tipo de material geralmente requer um controle rigoroso da zona afetada pelo calor e requer uma pequena poça de fusão. É mais apropriado escolher um laser de pequeno diâmetro;
Processamento a laser de alta velocidade:
(3) A soldagem de penetração profunda requer processamento a laser de alta velocidade, e é necessário selecionar um laser com alta densidade de energia para garantir que a energia da linha seja suficiente para derreter o material em alta velocidade, especialmente para soldagem por sobreposição, soldagem por penetração e outros núcleos pequenos que requerem alta profundidade de penetração. Os lasers radiais são mais adequados.
Advantages and applications of large core lasers (>100um):
Grande diâmetro do núcleo e grande ponto, grande área de cobertura de calor, ampla superfície de ação e apenas micro-fusão na superfície do material, muito adequado para aplicações em revestimento a laser, refusão a laser, recozimento a laser, endurecimento a laser, etc. áreas, um ponto grande significa maior produtividade e menos defeitos (a soldagem por condução de calor é quase livre de defeitos).
Em termos de soldagem, o ponto grande é utilizado principalmente para soldagem de compósitos, que é utilizado para composição com laser de pequeno diâmetro de núcleo: o ponto grande faz com que a superfície do material derreta levemente, transformando-se de sólido em líquido, o que melhora muito a taxa de absorção do material ao laser e, em seguida, utiliza um núcleo pequeno. Neste processo, devido ao pré-aquecimento do ponto grande, ao pós-processamento e ao grande gradiente de temperatura dado à poça fundida, o material não está sujeito a defeitos de trinca causados por aquecimento rápido e resfriamento rápido. Ele pode tornar a aparência da solda mais suave e, ao mesmo tempo, obter menos respingos do que a solução de laser único.
