So sánh hiệu quả hàn của laser với các đường kính lõi khác nhau

Hàn lazecó thể đạt được bằng cách sử dụng chùm tia laser liên tục hoặc xung. Các nguyên tắc củahàn lasercó thể được chia thành hàn dẫn nhiệt và hàn xuyên sâu bằng laser. Khi mật độ năng lượng nhỏ hơn 104 ~ 105 W/cm2 thì đó là hàn dẫn nhiệt. Lúc này độ sâu thâm nhập nông và tốc độ hàn chậm; khi mật độ năng lượng lớn hơn 105 ~ 107 W/cm2, bề mặt kim loại bị lõm thành các “lỗ” do nhiệt, tạo thành mối hàn xuyên sâu, có đặc điểm là tốc độ hàn nhanh và tỷ lệ khung hình lớn. Nguyên lý dẫn nhiệthàn laserlà: bức xạ laser làm nóng bề mặt cần xử lý và nhiệt bề mặt khuếch tán vào bên trong thông qua dẫn nhiệt. Bằng cách kiểm soát các thông số laser như độ rộng xung laser, năng lượng, công suất cực đại và tần số lặp lại, phôi sẽ được nấu chảy để tạo thành một bể nóng chảy cụ thể.

Hàn xuyên sâu bằng laser thường sử dụng chùm tia laser liên tục để hoàn thành việc kết nối các vật liệu. Quá trình vật lý luyện kim của nó rất giống với quá trình hàn chùm tia điện tử, nghĩa là cơ chế chuyển đổi năng lượng được hoàn thành thông qua cấu trúc “lỗ khóa”.

Dưới sự chiếu xạ laser với mật độ năng lượng đủ cao, vật liệu bay hơi và hình thành các lỗ nhỏ. Lỗ nhỏ chứa đầy hơi nước này giống như một vật thể màu đen, hấp thụ gần như toàn bộ năng lượng của chùm tia tới. Nhiệt độ cân bằng trong lỗ đạt khoảng 2500°C. Nhiệt được truyền từ thành ngoài của lỗ nhiệt độ cao, làm cho kim loại xung quanh lỗ nóng chảy. Lỗ nhỏ chứa đầy hơi nước nhiệt độ cao được tạo ra bởi sự bay hơi liên tục của vật liệu tường dưới sự chiếu xạ của chùm tia. Các bức tường của lỗ nhỏ được bao quanh bởi kim loại nóng chảy và kim loại lỏng được bao quanh bởi các vật liệu rắn (trong hầu hết các quy trình hàn thông thường và hàn dẫn laser, năng lượng đầu tiên được lắng đọng trên bề mặt phôi và sau đó được vận chuyển vào bên trong bằng cách truyền ). Dòng chất lỏng bên ngoài thành lỗ và sức căng bề mặt của lớp thành cùng pha với áp suất hơi được tạo ra liên tục trong khoang lỗ và duy trì sự cân bằng động. Chùm sáng liên tục đi vào lỗ nhỏ và vật chất bên ngoài lỗ nhỏ liên tục chảy. Khi chùm ánh sáng di chuyển, lỗ nhỏ luôn ở trạng thái dòng chảy ổn định.

Nghĩa là, lỗ nhỏ và kim loại nóng chảy bao quanh thành lỗ di chuyển về phía trước với tốc độ tiến của chùm tia thí điểm. Kim loại nóng chảy lấp đầy khoảng trống còn lại sau khi lỗ nhỏ được loại bỏ và ngưng tụ tương ứng, và mối hàn được hình thành. Tất cả điều này xảy ra nhanh đến mức tốc độ hàn có thể dễ dàng đạt tới vài mét mỗi phút.

Sau khi hiểu các khái niệm cơ bản về mật độ năng lượng, hàn dẫn nhiệt và hàn xuyên sâu, tiếp theo chúng ta sẽ tiến hành phân tích so sánh về mật độ năng lượng và các pha kim loại của các đường kính lõi khác nhau.

So sánh các thí nghiệm hàn dựa trên đường kính lõi laser phổ biến trên thị trường:

Mật độ công suất của vị trí tiêu điểm của laser có đường kính lõi khác nhau

Từ góc độ mật độ năng lượng, dưới cùng một công suất, đường kính lõi càng nhỏ thì độ sáng của tia laser càng cao và năng lượng càng tập trung. Nếu so sánh tia laser với một con dao sắc thì đường kính lõi càng nhỏ thì tia laser càng sắc nét. Mật độ năng lượng của laser đường kính lõi 14um gấp hơn 50 lần so với laser đường kính lõi 100um và khả năng xử lý mạnh hơn. Đồng thời, mật độ công suất tính toán ở đây chỉ là mật độ trung bình đơn giản. Sự phân bố năng lượng thực tế là một sự phân bố Gaussian gần đúng và năng lượng trung tâm sẽ gấp vài lần mật độ công suất trung bình.

Sơ đồ phân bố năng lượng laser với các đường kính lõi khác nhau

Màu sắc của sơ đồ phân phối năng lượng là sự phân bổ năng lượng. Màu càng đỏ thì năng lượng càng cao. Năng lượng màu đỏ là nơi tập trung năng lượng. Thông qua sự phân bố năng lượng laser của các chùm tia laser có đường kính lõi khác nhau, có thể thấy rằng mặt trước của chùm tia laser không sắc nét và chùm tia laser sắc nét. Năng lượng càng nhỏ, càng tập trung vào một điểm thì càng sắc bén và khả năng xuyên thấu càng mạnh.

So sánh hiệu quả hàn của laser với các đường kính lõi khác nhau

So sánh các tia laser có đường kính lõi khác nhau:

(1) Thí nghiệm sử dụng tốc độ 150 mm/s, hàn vị trí tiêu điểm, vật liệu là nhôm 1 series, dày 2 mm;

(2) Đường kính lõi càng lớn thì chiều rộng nóng chảy càng lớn, vùng chịu ảnh hưởng nhiệt càng lớn và mật độ công suất đơn vị càng nhỏ. Khi đường kính lõi vượt quá 200um, không dễ để đạt được độ sâu thâm nhập trên các hợp kim phản ứng cao như nhôm và đồng, và chỉ có thể đạt được độ sâu thâm nhập cao hơn với công suất cao;

(3) Laser lõi nhỏ có mật độ năng lượng cao và có thể nhanh chóng đục lỗ khóa trên bề mặt vật liệu có năng lượng cao và vùng chịu ảnh hưởng nhiệt nhỏ. Tuy nhiên, đồng thời, bề mặt của mối hàn gồ ghề và xác suất sập lỗ khóa cao khi hàn tốc độ thấp và lỗ khóa được đóng lại trong chu trình hàn. Chu kỳ dài và dễ xảy ra các khuyết tật như khuyết tật và lỗ chân lông. Nó phù hợp để xử lý tốc độ cao hoặc xử lý theo quỹ đạo xoay;

(4) Laser có đường kính lõi lớn có các điểm sáng lớn hơn và năng lượng phân tán nhiều hơn, khiến chúng phù hợp hơn cho quá trình nấu chảy, phủ, ủ bề mặt laser và các quá trình khác.