1. Prinzip des Laserschweißens: Wechselwirkung zwischen Materialien
Die Laserbearbeitung von Metallwerkstoffen basiert hauptsächlich auf der thermischen Bearbeitung des photothermischen Effekts. Wenn der Laser die Oberfläche des Materials bestrahlt, treten bei unterschiedlichen Leistungsdichten verschiedene Veränderungen in der Oberfläche des Materials auf. Zu diesen Veränderungen gehören steigende Oberflächentemperaturen, Schmelzen, Verdampfen, Schlüssellochbildung und photoinduzierte Plasmaerzeugung. Darüber hinaus haben Änderungen im physikalischen Zustand der Materialoberfläche großen Einfluss auf die Absorption des Lasers durch das Material. Im Allgemeinen gilt: Je höher die Temperatur, desto höher ist die Absorptionsrate des Materials für den Laser. Mit zunehmender Leistungsdichte und Einwirkzeit unterliegen Metallwerkstoffe den folgenden physikalischen Zustandsänderungen.
Der Kern des Laserschweißens besteht aus zwei Elementen: Wärmeübertragung und Wärmeleitung. Die Wärmeübertragung hängt von der Wärmequelle, der Leistungsdichte und der Leitungsenergie ab. Die Wärmeleitung hängt hauptsächlich mit der Wärmeableitungs- und Wärmeübertragungsgeschwindigkeit des Materials zusammen, die zu den inhärenten Eigenschaften des Materials gehört und im Allgemeinen durch Wasserkühlungsvorrichtungen und Schutzgasströmung fein abgestimmt werden kann. Beim Schweißprozess werden hauptsächlich Wärmequelle, Leistungsdichte und Leitungsenergie angepasst. Die beteiligten Prozessparameter sind: Laserkerndurchmesser, Leistung, Geschwindigkeit, Defokussierung usw.
Abhängig von der Absorptionsrate des Schweißprozesses gibt es zwei Hauptarten des Laserschweißens. Eine davon ist das wärmeleitende Schweißen (Tiefen-Breiten-Verhältnis < 1, Laserabsorptionsrate von rotem Licht innerhalb von 20 %, verschiedene Wellenlängen weisen Unterschiede auf). Das andere ist das Tiefschweißen (Tiefen-Breiten-Verhältnis > 1, die Absorptionsrate ist größer als die Absorptionsrate des Materialschmelzbades, mehr als 60 %, hauptsächlich die Laser-Mehrfachreflexionsabsorption im Schlüsselloch).
Laser-Wärmeleitungsschweißen:
Unterschiedliche Laserbestrahlungsstärken führen zu unterschiedlichen Veränderungen im Materialzustand, die sich im Schweißprozess in zwei typischen Schweißmodi widerspiegeln: Laser-Wärmeleitfähigkeitsschweißen und Laser-Tiefschweißen. Der Wärmeübertragungsprozess, der Mechanismus der Schweißnahtbildung, die technologischen Eigenschaften und der Anwendungsbereich der beiden sind sehr unterschiedlich.
Laser-Wärmeleitungsschweißmodus:
Beim Wärmeleitschweißen liegt die Laserstrahlung auf der Werkstückoberfläche im Bereich von 10E4~10E6W/cm. Die Laserenergie wird von der dünnen Schicht der Oberflächenschicht von 10 bis 100 m absorbiert und die Laserenergie der Oberflächenschicht wird durch Wärmeleitung in das Innere des Materials übertragen, sodass der Laser nicht direkt berührt werden kann. Nach einer bestimmten Dauer der Laserbestrahlung schmilzt die Oberfläche und diese Schmelzisotherme breitet sich tief in das Material aus und die Oberflächentemperatur steigt weiter an. Allerdings kann die höchste Temperatur nur den Siedepunkt des Materials erreichen, und je höher die Temperatur, desto mehr verdampft das Material und bildet eine Grube. Der stabile Wärmeleitungsschweißprozess wird beschädigt, das Schweißbad schwingt und das Material verbrennt. Im Allgemeinen wird das Wärmeleitschweißen hauptsächlich bei dünnen Blechen eingesetzt, und diese Situation muss beseitigt werden. Durch die relative Bewegung des Laserstrahls und des Werkstücks entsteht eine flache und breite Schweißnaht, wie in der Abbildung unten dargestellt. Das Verhältnis von Tiefe zu Breite der Schweißnaht ist gering und die Breite der Schweißnaht beträgt im Allgemeinen mehr als das Zweifache der Eindringtiefe. Die folgende Abbildung zeigt das Profil einer typischen Laser-Wärmeleitfähigkeitsschweißnaht. Die Schweißnahtform ist ungefähr halbkugelförmig.
Laser-Tiefschweißen:
Wenn die Bestrahlungsstärke größer als 10E7W/cm ist, schmilzt und verdampft die Oberfläche des Materials unter der Wirkung des Lasers, und der erzeugte Dampfrückstoßdruck drückt das Schmelzbad nach unten und bildet das Schlüsselloch. Der Lichtstrahl wirkt direkt auf den Boden des Schlüssellochs und schmilzt und verdampft das Metall weiter. Aus dem Inneren des Schlüssellochs wird kontinuierlich Hochdruckgas erzeugt, das kontinuierlich nach außen strömt und so das Loch weiter vertieft. Der Strahl dringt auch immer tiefer und die Laserwärmequelle wirkt auch im Inneren des Materials und überträgt Wärme von der Innenseite des Schlüssellochs auf das Material, um eine tiefere Wärmeeinflusszone zu bilden. Gleichzeitig wird das Schlüsselloch mit Plasma gefüllt, das teilweise durch Hochtemperaturdampf ionisiert wird, und über dem Ausgang des Schlüssellochs bildet sich eine bestimmte Plasmawolke.
Der Schlüssellocheffekt spielt eine wichtige Rolle bei der Laserabsorption im Laserschweißprozess. Der in das Schlüsselloch eintretende Laserstrahl wird durch mehrfache Reflexionen an der Lochwand nahezu vollständig absorbiert. Wenn es sich bei dem Schlüsselloch um eine konische Oberfläche (mit einem Winkel von ∅) handelt, wird, wie in der Abbildung gezeigt, ein Lichtstrahl, der entlang der Achse des Kegels einfällt, direkt durch den Kegel zum Boden des Schlüssellochs reflektiert und insgesamt reflektiert von 180 Grad /∅. Die Absorption von Stahl beträgt etwa 13 % pro Reflexion. Wenn der Grad P=10 eingestellt ist, erreicht die Gesamtabsorptionsfähigkeit 92 % bei 18 Reflexionen, was im Vergleich zur Wärmeleitfähigkeit von 13 % deutlich verbessert ist. Die Unterscheidung zwischen Wärmeleitfähigkeit und tiefem Schmelzen erfolgt im Allgemeinen anhand der metallurgischen Schmelztiefe: Die Schmelzbreite ist größer als 1, was als tiefes Schmelzen angesehen werden kann, da das Auftreten von Schlüssellöchern die Absorptionsrate verbessert. Diese einfache Methode eignet sich zum Einzellaserschweißen. Verbundwerkstoffe sind für diese Beurteilung nicht geeignet, da es sich im Allgemeinen um Tiefschweißen handelt und der Mittelstrahl einen Schlüssellocheffekt hat.
2. Der schweißmetallografische Vergleich von Lasern mit unterschiedlichen Kerndurchmessern
Nach dem Verständnis der grundlegenden Leistungsdichte, des Wärmeleitfähigkeitsschweißens und der Tiefschweißkonzepte, dann der Leistungsdichte verschiedener Kerndurchmesser und einer metallografischen Vergleichsanalyse. Dieses Schweißexperiment wird für den marktüblichen Laserkerndurchmesser durchgeführt.
Unter dem Gesichtspunkt der Leistungsdichte gilt bei gleicher Leistung: Je feiner der Kerndurchmesser, desto höher die Laserhelligkeit und desto konzentrierter die Energie. Wenn man den Laser mit einem scharfen Messer vergleicht, gilt: Je kleiner der Kerndurchmesser des Lasers, desto schärfer. Die Leistungsdichte eines Lasers mit einem Kerndurchmesser von 14 µm ist mehr als 50-mal höher als die eines Lasers mit einem Kerndurchmesser von 100 µm, und die Verarbeitungskapazität ist höher. Gleichzeitig handelt es sich bei der hier berechneten Leistungsdichte lediglich um die Durchschnittsdichte. Die tatsächliche Energieverteilung ist ungefähr eine Gaußsche Verteilung und die zentrale Energie beträgt ein Vielfaches der durchschnittlichen Leistungsdichte.
Laservergleich mit unterschiedlichen Kerndurchmessern:
(1) Die Geschwindigkeit des Experiments beträgt 150 mm/s, die Fokusposition ist geschweißt, 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 Legierungen mit hohem Umkehrgehalt wie Aluminium und Kupfer eine tiefe Eindringung zu erzielen, und es ist eine höhere Leistung erforderlich, um eine tiefe Eindringung zu erreichen.
(3) Der kleine Kernlaser hat eine hohe Leistungsdichte, kann mit hoher Energie schnell Schlüssellöcher in die Oberfläche des Materials stanzen und die Wärmeeinflusszone ist klein, aber gleichzeitig ist die Schweißoberfläche rau und die Wahrscheinlichkeit von Der Schlüssellochkollaps ist beim Schweißen mit niedriger Geschwindigkeit hoch. Der Schlüsselloch-Schließzyklus des Schweißzyklus ist lang und führt leicht zu Defekten, Porosität und anderen Defekten, was für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung oder die Bearbeitung mit Schwenkbahn geeignet ist.
(4) Großer Kernlaser aufgrund des großen Punkts und der stärker verteilten Energie, was sich besser für das Umschmelzen, Plattieren, Glühen und andere Prozesse von Laseroberflächen eignet.
3. Einfache Anwendungsanalyse
Vorteile und Anwendungen von Kleinkernlasern (< 100um)
(1) Hochinverse Materialien: Aluminium, Kupfer, Edelstahl, Nickel, Molybdän usw.
Materialien mit hoher Inversität müssen einen Laser mit kleinem Kerndurchmesser wählen. Der Laserstrahl mit hoher Leistungsdichte wird verwendet, um das Material schnell in den verflüssigten oder verdampften Zustand zu erhitzen, die Laserabsorptionsrate des Materials zu verbessern und eine effiziente und schnelle Verarbeitung zu realisieren. Wählen Sie einen Laser mit einem großen Kerndurchmesser, der leicht zu einer starken Reaktion führen kann, was zu einem virtuellen Verschweißen und sogar zum Verbrennen des Lasers führt.
(2) Rissempfindliche Materialien: Nickel, vernickeltes Kupfer, Aluminium, Edelstahl, Titanlegierung usw.
Dieses Material erfordert im Allgemeinen eine strenge Kontrolle der Wärmeeinflusszone, die Notwendigkeit eines kleinen Schmelzbades und die Wahl eines Lasers mit kleinem Kerndurchmesser ist angemessener.
(3) Hochgeschwindigkeits-Laserbearbeitung:
Das Tiefschweißen erfordert eine Hochgeschwindigkeits-Laserbearbeitung. Es ist notwendig, einen Laser mit hoher Energiedichte zu wählen, um sicherzustellen, dass die Linienenergie ausreicht, um das Material mit hoher Geschwindigkeit zu schmelzen, insbesondere beim Überlappschweißen, Durchdringschweißen und anderen kleinen Kernlasern mit höheren Durchdringungsanforderungen.
Advantages and Applications of Large Core Laser (>100um)
Großer Kerndurchmesser, großer Lichtfleck, große Wärmeabdeckungsfläche, große Anwendungsfläche und nur um ein Mikroschmelzen der Materialoberfläche zu erreichen. Es eignet sich sehr gut für die Anwendung beim Laserauftragschweißen, Laserumschmelzen, Laserglühen, Laserhärten usw. In diesen Bereichen bedeuten große Flecken eine höhere Produktionseffizienz und weniger Fehler (Wärmeleitschweißen weist nahezu keine Fehler auf).
Beim Schweißen wird der große Punkt hauptsächlich beim Verbundschweißen verwendet, das für Verbundlaser mit kleinen Kerndurchmessern verwendet wird. Große Lichtpunkte lassen die Oberfläche des Materials leicht schmelzen, von fest zu flüssig, sodass die Absorptionsrate des Materials für den Laser erheblich verbessert wird. Anschließend mit einem kleinen Kerndurchmesser das Schlüsselloch stanzen und die Eindringtiefe stanzen. Bei diesem Verfahren treten aufgrund des Vorwärmens und Nachbearbeitens großer Lichtflecken und des großen Temperaturgradienten des Schmelzbades nicht leicht Risse im Material auf, die durch schnelles Erhitzen und schnelles Abkühlen verursacht werden, und das Erscheinungsbild der Schweißnaht ist glatter . Der Spritzer ist geringer als bei der Einzellaserlösung.
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