مقایسه اثرات جوشکاری لیزرها با قطرهای مختلف هسته

جوشکاری لیزریرا می‌توان با استفاده از پرتوهای لیزر پیوسته یا پالسی به دست آورد. اصولجوشکاری لیزریمی‌توان آن را به جوشکاری هدایت حرارتی و جوشکاری نفوذ عمیق لیزری تقسیم کرد. وقتی چگالی توان کمتر از 104 تا 105 وات بر سانتی‌متر مربع باشد، جوشکاری هدایت حرارتی است. در این زمان، عمق نفوذ کم و سرعت جوشکاری آهسته است. وقتی چگالی توان بیشتر از 105 تا 107 وات بر سانتی‌متر مربع باشد، سطح فلز به دلیل گرما به صورت "سوراخ" مقعر می‌شود و جوشکاری نفوذ عمیق را تشکیل می‌دهد که دارای ویژگی‌های سرعت جوشکاری سریع و نسبت ابعاد بزرگ است. اصل هدایت حرارتیجوشکاری لیزریعبارت است از: تابش لیزر سطح مورد پردازش را گرم می‌کند و گرمای سطح از طریق رسانش حرارتی به داخل نفوذ می‌کند. با کنترل پارامترهای لیزر مانند پهنای پالس لیزر، انرژی، توان پیک و فرکانس تکرار، قطعه کار ذوب می‌شود تا یک حوضچه مذاب خاص تشکیل شود.

جوشکاری نفوذ عمیق لیزری عموماً از پرتو لیزر پیوسته برای تکمیل اتصال مواد استفاده می‌کند. فرآیند فیزیکی متالورژیکی آن بسیار شبیه به جوشکاری پرتو الکترونی است، یعنی مکانیسم تبدیل انرژی از طریق یک ساختار "سوراخ کلید" تکمیل می‌شود.

تحت تابش لیزر با چگالی توان به اندازه کافی بالا، ماده تبخیر می‌شود و سوراخ‌های کوچکی تشکیل می‌شوند. این سوراخ کوچک پر از بخار مانند یک جسم سیاه است که تقریباً تمام انرژی پرتو فرودی را جذب می‌کند. دمای تعادل در سوراخ به حدود ۲۵۰۰ درجه سانتیگراد می‌رسد.°ج. گرما از دیواره بیرونی سوراخ با دمای بالا منتقل می‌شود و باعث ذوب شدن فلز اطراف سوراخ می‌شود. سوراخ کوچک با بخار با دمای بالا که توسط تبخیر مداوم مواد دیواره تحت تابش پرتو تولید می‌شود، پر می‌شود. دیواره‌های سوراخ کوچک توسط فلز مذاب احاطه شده‌اند و فلز مایع توسط مواد جامد احاطه شده است (در اکثر فرآیندهای جوشکاری معمولی و جوشکاری هدایت لیزری، انرژی ابتدا روی سطح قطعه کار رسوب می‌کند و سپس از طریق انتقال به داخل منتقل می‌شود). جریان مایع در خارج از دیواره سوراخ و کشش سطحی لایه دیواره با فشار بخار تولید شده مداوم در حفره سوراخ هم فاز هستند و تعادل دینامیکی را حفظ می‌کنند. پرتو نور به طور مداوم وارد سوراخ کوچک می‌شود و مواد خارج از سوراخ کوچک به طور مداوم جریان می‌یابند. با حرکت پرتو نور، سوراخ کوچک همیشه در حالت جریان پایدار قرار دارد.

به عبارت دیگر، سوراخ کوچک و فلز مذاب اطراف دیواره سوراخ با سرعت رو به جلوی پرتو راهنما به جلو حرکت می‌کنند. فلز مذاب شکاف باقی مانده پس از برداشتن سوراخ کوچک را پر می‌کند و به همین ترتیب متراکم می‌شود و جوش تشکیل می‌شود. همه این اتفاقات آنقدر سریع رخ می‌دهد که سرعت جوشکاری به راحتی می‌تواند به چندین متر در دقیقه برسد.

پس از درک مفاهیم اولیه چگالی توان، جوشکاری با رسانایی حرارتی و جوشکاری با نفوذ عمیق، در ادامه به تجزیه و تحلیل مقایسه‌ای چگالی توان و فازهای متالوگرافی قطرهای مختلف مغزه خواهیم پرداخت.

مقایسه آزمایش‌های جوشکاری بر اساس قطر هسته لیزرهای رایج در بازار:

چگالی توان موقعیت نقطه کانونی لیزرها با قطر هسته‌های مختلف

از منظر چگالی توان، تحت توان یکسان، هرچه قطر هسته کوچکتر باشد، درخشندگی لیزر بیشتر و انرژی متمرکزتر است. اگر لیزر را با یک چاقوی تیز مقایسه کنیم، هرچه قطر هسته کوچکتر باشد، لیزر تیزتر است. چگالی توان لیزر با قطر هسته ۱۴ میکرومتر بیش از ۵۰ برابر لیزر با قطر هسته ۱۰۰ میکرومتر است و قابلیت پردازش آن قوی‌تر است. در عین حال، چگالی توان محاسبه شده در اینجا فقط یک چگالی متوسط ​​ساده است. توزیع انرژی واقعی یک توزیع تقریبی گاوسی است و انرژی مرکزی چندین برابر چگالی توان متوسط ​​خواهد بود.

نمودار شماتیک توزیع انرژی لیزر با قطرهای مختلف هسته

رنگ نمودار توزیع انرژی، توزیع انرژی است. هرچه رنگ قرمزتر باشد، انرژی بیشتر است. انرژی قرمز جایی است که انرژی در آن متمرکز شده است. از طریق توزیع انرژی لیزر پرتوهای لیزر با قطر هسته متفاوت، می‌توان دریافت که جبهه پرتو لیزر تیز نیست و پرتو لیزر تیز است. هرچه انرژی در یک نقطه کوچکتر و متمرکزتر باشد، تیزتر است و توانایی نفوذ آن قوی‌تر است.

مقایسه اثرات جوشکاری لیزرها با قطرهای مختلف هسته

مقایسه لیزرها با قطر هسته متفاوت:

(1) این آزمایش از سرعت 150 میلی‌متر بر ثانیه، جوشکاری موقعیت کانونی و جنس آلومینیوم سری 1 با ضخامت 2 میلی‌متر استفاده می‌کند.

(2) هرچه قطر هسته بزرگتر باشد، پهنای ذوب بزرگتر، ناحیه متاثر از حرارت بزرگتر و چگالی توان واحد کوچکتر است. وقتی قطر هسته از 200 میکرومتر بیشتر شود، دستیابی به عمق نفوذ در آلیاژهای با واکنش بالا مانند آلومینیوم و مس آسان نیست و جوشکاری نفوذی عمیق بالاتر فقط با توان بالا قابل دستیابی است.

(3) لیزرهای هسته کوچک چگالی توان بالایی دارند و می‌توانند به سرعت سوراخ‌های کلیدی را روی سطح موادی با انرژی بالا و مناطق تحت تأثیر حرارت کوچک ایجاد کنند. با این حال، در عین حال، سطح جوش ناهموار است و احتمال فروپاشی سوراخ کلیدی در جوشکاری با سرعت پایین زیاد است و سوراخ کلیدی در طول چرخه جوشکاری بسته می‌شود. چرخه طولانی است و عیوبی مانند نقص و منافذ مستعد بروز هستند. برای پردازش با سرعت بالا یا پردازش با مسیر نوسانی مناسب است.

(4) لیزرهای با قطر هسته بزرگ، نقاط نوری بزرگتر و انرژی پراکنده‌تری دارند که آنها را برای ذوب مجدد سطح لیزر، روکش‌کاری، آنیل کردن و سایر فرآیندها مناسب‌تر می‌کند.