Comparación de los efectos de soldadura de láseres con diferentes diámetros de núcleo.
El procesamiento por láser de materiales metálicos es principalmente un procesamiento térmico basado en el efecto fototérmico. Cuando el láser irradia la superficie del material, el área de la superficie del material sufrirá varios cambios bajo diferentes densidades de potencia. Estos cambios incluyen aumento de la temperatura de la superficie, fusión, vaporización, formación de ojos de cerradura y generación de fotoplasma. Además, el cambio del estado físico de la región de la superficie del material afecta en gran medida la absorción de luz láser por parte del material. En términos generales, cuanto mayor es la temperatura, mayor es la tasa de absorción de luz láser del material. Con el aumento de la densidad de potencia y el tiempo de acción, el material metálico sufrirá los siguientes cambios de estado físico, como se muestra en la Figura 1 [1].
Hay dos núcleos de soldadura láser: transferencia de calor y conducción de calor. La transferencia de calor está relacionada con la fuente de calor, la densidad de potencia y la energía de la línea; Flujo de aire para afinar. En el proceso de soldadura, se ajustan principalmente la fuente de calor, la densidad de potencia y la energía de la línea. Los parámetros del proceso involucrados incluyen: la selección del diámetro del núcleo del láser, la potencia, la velocidad y la cantidad de desenfoque. Teniendo en cuenta que este artículo se centra principalmente en láseres con diferentes diámetros de núcleo e involucra principalmente diferentes densidades de potencia, la Figura 2 muestra la fórmula de cálculo simple de la densidad de potencia:
Hay dos tipos principales de soldadura láser según la tasa de absorción del proceso de soldadura, uno es la soldadura por conducción de calor (relación profundidad-ancho<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).
Soldadura por conducción de calor láser:
Diferentes irradiaciones láser causarán diferentes cambios en el estado del material, lo que se refleja en el proceso de soldadura como dos modos de soldadura típicos: soldadura por conducción de calor por láser y soldadura por penetración profunda por láser. El proceso de transferencia de calor, el mecanismo de formación de la soldadura, las características del proceso y el rango de aplicación de los dos son muy diferentes.
Modo de soldadura por conducción de calor láser:
Durante la soldadura por conducción de calor, la irradiancia del láser irradiada sobre la superficie de la pieza de trabajo está en el rango de 10E4~10E6W/cm, y la energía del láser es absorbida por una fina capa de 10~100m sobre la superficie. La energía del láser en la superficie se transmite al interior del material mediante conducción de calor y el láser no se puede tocar directamente. Después de un cierto período de irradiación láser, la superficie llega a fundirse, y esta isoterma de fusión se propaga profundamente en el material y la temperatura de la superficie continúa aumentando. Pero el más alto solo puede alcanzar el punto de ebullición del material, no importa qué tan alta sea la temperatura, el material se vaporizará y formará hoyos, el proceso de soldadura por conducción de calor estable se destruirá, el baño fundido oscilará y el material será quemado. Generalmente, la soldadura por conducción de calor se utiliza principalmente en placas delgadas. En este caso hay que ponerle fin. Con el movimiento relativo del rayo láser y la pieza de trabajo, se forma una costura de soldadura ancha y poco profunda, como se muestra en la Figura 3. La relación profundidad-ancho de la costura de soldadura es pequeña y el ancho de la costura de soldadura generalmente es más del doble de la profundidad de penetración. La siguiente figura muestra la apariencia de la sección transversal de una costura de soldadura por conducción de calor por láser típica, y la forma de la costura de soldadura es aproximadamente semiesférica.
Comparación de láseres de diferentes diámetros de núcleo:
(1) La velocidad del experimento es de 150 mm/s, la posición de enfoque está soldada, el material es aluminio de la serie 1 y el espesor es de 2 mm;
(2) Cuanto mayor sea el diámetro del núcleo, mayor será el ancho de fusión, mayor será la zona afectada por el calor y menor será la densidad de potencia unitaria. Cuando el diámetro del núcleo excede los 200 um, no es fácil lograr una profundidad de penetración en aleaciones de alta reacción como el aluminio y el cobre, y requiere mayor potencia para lograr una soldadura de penetración profunda;
(3) El láser de diámetro de núcleo pequeño tiene una alta densidad de potencia, puede perforar rápidamente orificios en la superficie del material con alta energía y tiene una pequeña zona afectada por el calor, pero al mismo tiempo la superficie de la soldadura es rugosa, la la probabilidad de colapso del ojo de la cerradura es alta durante la soldadura a baja velocidad, y el ojo de la cerradura se cierra durante el ciclo de soldadura. Ciclo largo, fácil de producir defectos, poros y otros defectos, adecuado para procesamiento de alta velocidad o procesamiento con pista oscilante;
(4) Los láseres de gran diámetro son más adecuados para la refundición, el revestimiento, el recocido y otros procesos de superficies láser debido a su gran punto y su energía más dispersa.
Materiales altamente reflectantes: aluminio, cobre, acero inoxidable, níquel, molibdeno, etc.;
(1) Los materiales altamente reflectantes deben elegir un láser de pequeño diámetro. El uso de un rayo láser de alta densidad de potencia para calentar rápidamente el material a un estado licuado o vaporizado, mejorar la tasa de absorción del láser del material y lograr un procesamiento rápido y eficiente. Es fácil elegir un láser con un diámetro de núcleo grande. Provoca una alta reflexión, produce soldadura virtual e incluso quema el láser;
Materiales sensibles a las grietas: níquel, cobre niquelado, aluminio, acero inoxidable, aleación de titanio, etc.
(2) Este tipo de material generalmente requiere un control estricto de la zona afectada por el calor y requiere un pequeño charco de fusión. Es más apropiado elegir un láser de pequeño diámetro;
Procesamiento láser de alta velocidad:
(3) La soldadura de penetración profunda requiere procesamiento láser de alta velocidad, y es necesario seleccionar un láser con alta densidad de energía para garantizar que la energía de la línea sea suficiente para fundir el material a alta velocidad, especialmente para soldadura por solape, soldadura por penetración y otros núcleos pequeños que requieren una gran profundidad de penetración. Los láseres radiales son más adecuados.
Advantages and applications of large core lasers (>100um):
Gran diámetro de núcleo y punto grande, gran área de cobertura de calor, amplia superficie de acción y solo logran microfusión en la superficie del material, muy adecuado para aplicaciones en revestimiento por láser, refundición por láser, recocido por láser, endurecimiento por láser, etc. áreas, un punto grande significa mayor productividad y menores defectos (la soldadura por conducción de calor está casi libre de defectos).
En términos de soldadura, el punto grande se usa principalmente para soldadura compuesta, que se usa para combinar con láser de diámetro de núcleo pequeño: el punto grande hace que la superficie del material se derrita ligeramente, transformándose de sólido a líquido, lo que mejora en gran medida la tasa de absorción. del material al láser, y luego utiliza un núcleo pequeño. En este proceso, debido al precalentamiento del punto grande, el posprocesamiento y el gran gradiente de temperatura dado al baño fundido, el material no es propenso a sufrir defectos causados por grietas. mediante calentamiento rápido y enfriamiento rápido. Puede hacer que la apariencia de la soldadura sea más suave y, al mismo tiempo, lograr menos salpicaduras que la solución láser única.
