Farklı çekirdek çaplarına sahip lazerlerin kaynak etkilerinin karşılaştırılması

Lazer kaynağıBu, sürekli veya darbeli lazer ışınları kullanılarak elde edilebilir. Bu prensipler şunlardır:lazer kaynağıIsı iletim kaynağı ve lazer derin penetrasyon kaynağı olmak üzere ikiye ayrılabilir. Güç yoğunluğu 104~105 W/cm2'den az olduğunda, ısı iletim kaynağıdır. Bu durumda, penetrasyon derinliği sığdır ve kaynak hızı yavaştır; güç yoğunluğu 105~107 W/cm2'den fazla olduğunda, ısı nedeniyle metal yüzeyde "delikler" oluşarak derin penetrasyon kaynağı meydana gelir. Bu kaynak türü, hızlı kaynak hızı ve yüksek en boy oranı özelliklerine sahiptir. Isı iletimi prensibi...lazer kaynağıLazer ışınımı, işlenecek yüzeyi ısıtır ve yüzey ısısı termal iletim yoluyla iç kısma yayılır. Lazer darbe genişliği, enerji, tepe gücü ve tekrarlama frekansı gibi lazer parametreleri kontrol edilerek, iş parçası belirli bir erimiş havuz oluşturacak şekilde eritilir.

Lazer derin kaynak yöntemi genellikle malzemelerin birleştirilmesi için sürekli bir lazer ışını kullanır. Metalurjik fiziksel süreci, elektron ışınlı kaynak yöntemine çok benzer; yani enerji dönüşüm mekanizması "anahtar deliği" yapısı aracılığıyla tamamlanır.

Yeterince yüksek güç yoğunluğuna sahip lazer ışınlaması altında, malzeme buharlaşır ve küçük delikler oluşur. Buharla dolu bu küçük delik, gelen ışının enerjisinin neredeyse tamamını emen bir kara cisim gibidir. Delikteki denge sıcaklığı yaklaşık 2500 °C'ye ulaşır.°C. Isı, yüksek sıcaklık deliğinin dış duvarından aktarılır ve deliği çevreleyen metalin erimesine neden olur. Küçük delik, ışının etkisiyle duvar malzemesinin sürekli buharlaşmasıyla oluşan yüksek sıcaklıktaki buharla dolar. Küçük deliğin duvarları erimiş metal ile çevrilidir ve sıvı metal katı malzemelerle çevrilidir (çoğu geleneksel kaynak işleminde ve lazer iletim kaynağında, enerji önce iş parçasının yüzeyine bırakılır ve daha sonra transfer yoluyla içeriye taşınır). Delik duvarının dışındaki sıvı akışı ve duvar tabakasının yüzey gerilimi, delik boşluğunda sürekli olarak oluşan buhar basıncıyla aynı fazdadır ve dinamik bir dengeyi korur. Işık ışını sürekli olarak küçük deliğe girer ve küçük deliğin dışındaki malzeme sürekli olarak akar. Işık ışını hareket ettikçe, küçük delik her zaman kararlı bir akış durumunda kalır.

Yani, küçük delik ve delik duvarını çevreleyen erimiş metal, kılavuz ışının ileri hızıyla birlikte ileri doğru hareket eder. Erimiş metal, küçük delik çıkarıldıktan sonra kalan boşluğu doldurur ve buna göre yoğunlaşarak kaynak oluşturur. Tüm bunlar o kadar hızlı gerçekleşir ki, kaynak hızları dakikada birkaç metreye kolayca ulaşabilir.

Güç yoğunluğu, termal iletkenlik kaynağı ve derin nüfuz kaynağı gibi temel kavramları anladıktan sonra, farklı çekirdek çaplarının güç yoğunluğu ve metalografik fazlarının karşılaştırmalı analizini yapacağız.

Piyasada yaygın olarak bulunan lazer kaynak ucu çaplarına dayalı kaynak deneylerinin karşılaştırılması:

Farklı çekirdek çaplarına sahip lazerlerin odak noktası konumunun güç yoğunluğu

Güç yoğunluğu açısından bakıldığında, aynı güç altında, çekirdek çapı ne kadar küçükse, lazerin parlaklığı o kadar yüksek ve enerjisi o kadar yoğunlaşır. Lazer keskin bir bıçakla karşılaştırılırsa, çekirdek çapı ne kadar küçükse, lazer o kadar keskin olur. 14 µm çekirdek çaplı lazerin güç yoğunluğu, 100 µm çekirdek çaplı lazerin güç yoğunluğunun 50 katından fazladır ve işleme kapasitesi daha güçlüdür. Aynı zamanda, burada hesaplanan güç yoğunluğu sadece basit bir ortalama yoğunluktur. Gerçek enerji dağılımı yaklaşık olarak Gauss dağılımıdır ve merkezdeki enerji, ortalama güç yoğunluğunun birkaç katı olacaktır.

Farklı çekirdek çaplarına sahip lazer enerjisi dağılımının şematik diyagramı

Enerji dağılım diyagramının rengi, enerji dağılımını gösterir. Renk ne kadar kırmızıysa, enerji o kadar yüksektir. Kırmızı enerji, enerjinin yoğunlaştığı yeri temsil eder. Farklı çekirdek çaplarına sahip lazer ışınlarının enerji dağılımına bakıldığında, lazer ışınının ön kısmının keskin olmadığı ve lazer ışınının keskin olduğu görülebilir. Çap ne kadar küçükse, enerji tek bir noktada o kadar yoğunlaşır, ışın o kadar keskinleşir ve nüfuz etme yeteneği o kadar güçlü olur.

Farklı çekirdek çaplarına sahip lazerlerin kaynak etkilerinin karşılaştırılması

Farklı çekirdek çaplarına sahip lazerlerin karşılaştırılması:

(1) Deneyde 150 mm/s hız, odak konumlu kaynak ve malzeme olarak 2 mm kalınlığında 1 seri alüminyum kullanılmıştır;

(2) Çekirdek çapı ne kadar büyükse, erime genişliği o kadar büyük, ısıdan etkilenen bölge o kadar büyük ve birim güç yoğunluğu o kadar küçük olur. Çekirdek çapı 200 µm'yi aştığında, alüminyum ve bakır gibi yüksek reaksiyonlu alaşımlarda nüfuz derinliğine ulaşmak kolay değildir ve daha yüksek bir derin nüfuz kaynağı ancak yüksek güçle elde edilebilir;

(3) Küçük çekirdekli lazerler yüksek güç yoğunluğuna sahiptir ve yüksek enerji ve küçük ısıdan etkilenen bölgelerle malzemelerin yüzeyinde hızla anahtar delikleri açabilir. Bununla birlikte, aynı zamanda kaynak yüzeyi pürüzlüdür ve düşük hızlı kaynak sırasında anahtar deliği çökme olasılığı yüksektir ve kaynak döngüsü sırasında anahtar deliği kapanır. Döngü uzundur ve kusurlar ve gözenekler gibi kusurların oluşması muhtemeldir. Yüksek hızlı işleme veya salınım yörüngeli işleme için uygundur;

(4) Büyük çekirdek çaplı lazerler daha büyük ışık noktalarına ve daha fazla dağılmış enerjiye sahip olduklarından, lazerle yüzey yeniden eritme, kaplama, tavlama ve diğer işlemler için daha uygundurlar.