Laserschweißenkann mit kontinuierlichen oder gepulsten Laserstrahlen erreicht werden. Die Prinzipien vonLaserschweißenkann in Wärmeleitungsschweißen und Laser-Tiefschweißen unterteilt werden. Wenn die Leistungsdichte weniger als 104–105 W/cm2 beträgt, handelt es sich um Wärmeleitungsschweißen. Zu diesem Zeitpunkt ist die Eindringtiefe gering und die Schweißgeschwindigkeit langsam; Wenn die Leistungsdichte größer als 105~107 W/cm2 ist, wird die Metalloberfläche aufgrund der Hitze zu „Löchern“ konkav, wodurch ein Tiefschweißen entsteht, das die Eigenschaften einer schnellen Schweißgeschwindigkeit und eines großen Seitenverhältnisses aufweist. Das Prinzip der WärmeleitungLaserschweißenist: Laserstrahlung erwärmt die zu bearbeitende Oberfläche und die Oberflächenwärme diffundiert durch Wärmeleitung ins Innere. Durch die Steuerung von Laserparametern wie Laserimpulsbreite, Energie, Spitzenleistung und Wiederholungsfrequenz wird das Werkstück geschmolzen, um ein bestimmtes Schmelzbad zu bilden.
Beim Laser-Tiefschweißen wird im Allgemeinen ein kontinuierlicher Laserstrahl verwendet, um die Verbindung von Materialien herzustellen. Sein metallurgischer physikalischer Prozess ist dem des Elektronenstrahlschweißens sehr ähnlich, das heißt, der Energieumwandlungsmechanismus wird durch eine „Schlüsselloch“-Struktur vervollständigt.
Unter Laserbestrahlung mit ausreichend hoher Leistungsdichte verdampft das Material und es entstehen kleine Löcher. Dieses kleine, mit Dampf gefüllte Loch ähnelt einem schwarzen Körper und absorbiert fast die gesamte Energie des einfallenden Strahls. Die Gleichgewichtstemperatur im Loch erreicht etwa 2500°Die Wärme wird von der Außenwand des Hochtemperaturlochs übertragen, wodurch das das Loch umgebende Metall schmilzt. Das kleine Loch wird mit Hochtemperaturdampf gefüllt, der durch die kontinuierliche Verdampfung des Wandmaterials unter der Bestrahlung des Strahls entsteht. Die Wände des kleinen Lochs sind von geschmolzenem Metall umgeben, und das flüssige Metall ist von festen Materialien umgeben (bei den meisten herkömmlichen Schweißverfahren und beim Laserleitungsschweißen wird die Energie zunächst auf der Oberfläche des Werkstücks deponiert und dann durch Übertragung ins Innere transportiert). ). Der Flüssigkeitsstrom außerhalb der Lochwand und die Oberflächenspannung der Wandschicht sind in Phase mit dem kontinuierlich erzeugten Dampfdruck im Lochhohlraum und halten ein dynamisches Gleichgewicht aufrecht. Der Lichtstrahl dringt kontinuierlich in das kleine Loch ein und das Material außerhalb des kleinen Lochs fließt kontinuierlich. Während sich der Lichtstrahl bewegt, befindet sich das kleine Loch immer in einem stabilen Strömungszustand.
Das heißt, das kleine Loch und das geschmolzene Metall, das die Lochwand umgibt, bewegen sich mit der Vorwärtsgeschwindigkeit des Pilotstrahls vorwärts. Das geschmolzene Metall füllt die Lücke, die nach dem Entfernen des kleinen Lochs entsteht, kondensiert entsprechend und es entsteht die Schweißnaht. Das alles geschieht so schnell, dass Schweißgeschwindigkeiten durchaus mehrere Meter pro Minute erreichen können.
Nachdem wir die Grundkonzepte der Leistungsdichte, des Wärmeleitfähigkeitsschweißens und des Tiefschweißens verstanden haben, werden wir als Nächstes eine vergleichende Analyse der Leistungsdichte und metallografischen Phasen verschiedener Kerndurchmesser durchführen.
Vergleich von Schweißversuchen anhand marktüblicher Laserkerndurchmesser:
Leistungsdichte der Brennfleckposition von Lasern mit unterschiedlichen Kerndurchmessern
Aus Sicht der Leistungsdichte ist bei gleicher Leistung die Helligkeit des Lasers umso höher und die Energie umso konzentrierter, je kleiner der Kerndurchmesser ist. Wenn man den Laser mit einem scharfen Messer vergleicht, gilt: Je kleiner der Kerndurchmesser, desto schärfer ist der Laser. Die Leistungsdichte des Lasers mit 14 µm Kerndurchmesser ist mehr als 50-mal höher als die des Lasers mit 100 µm Kerndurchmesser und die Verarbeitungsfähigkeit ist höher. Gleichzeitig handelt es sich bei der hier berechneten Leistungsdichte lediglich um eine einfache Durchschnittsdichte. Die tatsächliche Energieverteilung ist eine ungefähre Gaußsche Verteilung, und die zentrale Energie wird ein Vielfaches der durchschnittlichen Leistungsdichte betragen.
Schematische Darstellung der Laserenergieverteilung bei unterschiedlichen Kerndurchmessern
Die Farbe des Energieverteilungsdiagramms ist die Energieverteilung. Je rötlicher die Farbe, desto höher die Energie. Die rote Energie ist der Ort, an dem die Energie konzentriert ist. Durch die Laserenergieverteilung von Laserstrahlen mit unterschiedlichen Kerndurchmessern ist ersichtlich, dass die Laserstrahlfront nicht scharf ist und der Laserstrahl scharf ist. Je kleiner, je stärker die Energie auf einen Punkt konzentriert ist, desto schärfer ist sie und desto stärker ist ihre Durchdringungskraft.
Vergleich der Schweißeffekte von Lasern mit unterschiedlichen Kerndurchmessern
Vergleich von Lasern mit unterschiedlichen Kerndurchmessern:
(1) Das Experiment verwendet eine Geschwindigkeit von 150 mm/s, Schweißen in der Fokusposition und das Material ist Aluminium der Serie 1, 2 mm dick;
(2) Je größer der Kerndurchmesser, desto größer die Schmelzbreite, desto größer die Wärmeeinflusszone und desto kleiner die Leistungsdichte. Wenn der Kerndurchmesser 200 µm überschreitet, ist es nicht einfach, bei hochreaktionsfähigen Legierungen wie Aluminium und Kupfer eine Eindringtiefe zu erreichen, und ein tieferes Eindringschweißen kann nur mit hoher Leistung erreicht werden;
(3) Kleinkernlaser haben eine hohe Leistungsdichte und können schnell Schlüssellöcher in die Oberfläche von Materialien mit hoher Energie und kleinen Wärmeeinflusszonen stanzen. Gleichzeitig ist jedoch die Oberfläche der Schweißnaht rau und die Wahrscheinlichkeit, dass das Schlüsselloch zusammenbricht, ist beim Schweißen mit niedriger Geschwindigkeit hoch, und das Schlüsselloch ist während des Schweißzyklus geschlossen. Der Zyklus ist lang und es besteht die Gefahr, dass Fehler wie Defekte und Poren auftreten. Es eignet sich für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung oder die Bearbeitung mit Schwenkbahn;
(4) Laser mit großem Kerndurchmesser verfügen über größere Lichtpunkte und eine stärker verteilte Energie, wodurch sie sich besser für das Umschmelzen, Plattieren, Glühen und andere Prozesse von Laseroberflächen eignen.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 06.10.2023
