Vergelijking van de laseffecten van lasers met verschillende kerndiameters

LaserlassenDit kan worden bereikt met behulp van continue of gepulseerde laserstralen. De principes vanlaserlassenHet kan worden onderverdeeld in warmtegeleidingslassen en laserlassen met diepe penetratie. Bij een vermogensdichtheid lager dan 10⁴-10⁵ W/cm² is er sprake van warmtegeleidingslassen. In dit geval is de penetratiediepte gering en de lassnelheid laag. Bij een vermogensdichtheid hoger dan 10⁵-10⁷ W/cm² ontstaat er door de hitte een holle ruimte in het metaaloppervlak, wat resulteert in diepe penetratielassen. Dit kenmerkt zich door een hoge lassnelheid en een grote aspectverhouding. Het principe van warmtegeleiding...laserlassenHet proces werkt als volgt: laserstraling verwarmt het te bewerken oppervlak, waarna de warmte zich via thermische geleiding naar het binnenste van het werkstuk verspreidt. Door laserparameters zoals laserpulsbreedte, energie, piekvermogen en herhalingsfrequentie te regelen, wordt het werkstuk gesmolten tot een specifiek smeltbad.

Bij laserlassen met diepe penetratie wordt doorgaans een continue laserstraal gebruikt om de verbinding tussen materialen tot stand te brengen. Het metallurgische proces is zeer vergelijkbaar met dat van elektronenbundellassen, dat wil zeggen dat het energieomzettingsmechanisme plaatsvindt via een "sleutelgat"-structuur.

Bij laserbestraling met een voldoende hoge vermogensdichtheid verdampt het materiaal en ontstaan ​​er kleine gaatjes. Dit met damp gevulde gaatje gedraagt ​​zich als een zwart lichaam en absorbeert vrijwel alle energie van de invallende laserstraal. De evenwichtstemperatuur in het gaatje bereikt ongeveer 2500 °C.°C. De warmte wordt overgedragen van de buitenwand van het hogetemperatuurgat, waardoor het metaal rondom het gat smelt. Het kleine gat wordt gevuld met hogetemperatuurstoom die wordt gegenereerd door de continue verdamping van het wandmateriaal onder invloed van de laserstraal. De wanden van het kleine gat worden omgeven door gesmolten metaal, en het vloeibare metaal wordt omgeven door vast materiaal (bij de meeste conventionele lasprocessen en lasergeleidingslassen wordt de energie eerst afgezet op het oppervlak van het werkstuk en vervolgens via overdracht naar het inwendige getransporteerd). De vloeistofstroom buiten de gatwand en de oppervlaktespanning van de wandlaag zijn in fase met de continu gegenereerde stoomdruk in de gatholte en handhaven een dynamisch evenwicht. De lichtstraal dringt continu het kleine gat binnen en het materiaal buiten het kleine gat stroomt continu. Terwijl de lichtstraal zich voortbeweegt, bevindt het kleine gat zich altijd in een stabiele stromingstoestand.

Dat wil zeggen, het kleine gat en het gesmolten metaal rond de gatwand bewegen mee met de voorwaartse snelheid van de geleidestraal. Het gesmolten metaal vult de ruimte die overblijft nadat het kleine gat is verwijderd en condenseert dienovereenkomstig, waardoor de lasverbinding ontstaat. Dit alles gebeurt zo snel dat lassnelheden gemakkelijk enkele meters per minuut kunnen bereiken.

Nadat we de basisbegrippen van vermogensdichtheid, thermische geleidbaarheid bij lassen en diepdoorlassing hebben begrepen, zullen we vervolgens een vergelijkende analyse uitvoeren van de vermogensdichtheid en metallografische fasen van verschillende kerndiameters.

Vergelijking van lasproeven op basis van gangbare laserkerndiameters die op de markt verkrijgbaar zijn:

Vermogensdichtheid van de focuspuntpositie van lasers met verschillende kerndiameters

Vanuit het perspectief van vermogensdichtheid geldt dat bij hetzelfde vermogen, hoe kleiner de kerndiameter, hoe hoger de helderheid van de laser en hoe geconcentreerder de energie. Als de laser wordt vergeleken met een scherp mes, geldt: hoe kleiner de kerndiameter, hoe scherper de laserstraal. De vermogensdichtheid van een laser met een kerndiameter van 14 µm is meer dan 50 keer zo hoog als die van een laser met een kerndiameter van 100 µm, en de verwerkingscapaciteit is sterker. Tegelijkertijd is de hier berekende vermogensdichtheid slechts een eenvoudige gemiddelde dichtheid. De werkelijke energieverdeling is bij benadering een Gaussische verdeling, waarbij de energie in het midden van de bundel vele malen hoger zal zijn dan de gemiddelde vermogensdichtheid.

Schematische weergave van de laserenergieverdeling bij verschillende kerndiameters.

De kleur van het energieverdelingsdiagram geeft de energieverdeling weer. Hoe roder de kleur, hoe hoger de energie. De rode energie geeft de plek aan waar de energie geconcentreerd is. Aan de hand van de energieverdeling van laserstralen met verschillende kerndiameters is te zien dat de laserstraal aan de voor- en achterkant scherp is. Hoe kleiner de kerndiameter, hoe meer de energie op één punt geconcentreerd is, hoe scherper de straal en hoe groter het doordringingsvermogen.

Vergelijking van de laseffecten van lasers met verschillende kerndiameters

Vergelijking van lasers met verschillende kerndiameters:

(1) Bij het experiment wordt gebruikgemaakt van een snelheid van 150 mm/s, focuspositielassen, en het materiaal is aluminium van de eerste serie, 2 mm dik;

(2) Hoe groter de kerndiameter, hoe groter de smeltbreedte, hoe groter de warmtebeïnvloede zone en hoe kleiner de vermogensdichtheid per eenheid. Wanneer de kerndiameter groter is dan 200 µm, is het niet gemakkelijk om een ​​indringdiepte te bereiken bij zeer reactieve legeringen zoals aluminium en koper, en kan een diepere indringdiepte bij het lassen alleen worden bereikt met een hoog vermogen;

(3) Lasers met een kleine kern hebben een hoge vermogensdichtheid en kunnen snel sleutelgaten in het oppervlak van materialen ponsen met hoge energie en kleine warmtebeïnvloede zones. Tegelijkertijd is het lasoppervlak echter ruw en is de kans op het instorten van het sleutelgat groot bij lassen met lage snelheid. Bovendien sluit het sleutelgat zich tijdens de lascyclus. De cyclus is lang en er is een verhoogde kans op defecten zoals scheuren en poriën. Ze zijn daarom geschikt voor hogesnelheidsbewerkingen of bewerkingen met een zwenkende beweging;

(4) Lasers met een grote kerndiameter hebben grotere lichtvlekken en een meer verspreide energie, waardoor ze geschikter zijn voor laser-oppervlakte-omsmelting, bekleding, gloeien en andere processen.