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

Hàn lasercó thể đạt được bằng cách sử dụng chùm tia laser liên tục hoặc xung. Các nguyên lý củahàn laserCó thể chia thành hàn dẫn nhiệt và hàn xuyên sâu bằng laser. Khi mật độ công suất nhỏ hơn 104~105 W/cm2, đó là hàn dẫn nhiệt. Lúc này, độ sâu xuyên thấu nông và tốc độ hàn chậm; khi mật độ công suất lớn hơn 105~107 W/cm2, bề mặt kim loại bị lõm thành các “lỗ” do nhiệt, tạo thành hàn xuyên sâu, có đặc điểm là tốc độ hàn nhanh và tỷ lệ chiều dài/đường kính lớn. Nguyên lý dẫn nhiệthàn laserNguyên lý hoạt động như sau: bức xạ laser làm nóng bề mặt cần gia công, và nhiệt lượng từ bề mặt lan tỏa vào bên trong thông qua dẫn nhiệt. Bằng cách kiểm soát các thông số laser như độ rộng xung laser, năng lượng, công suất đỉnh và tần số lặp lại, phôi được làm nóng chảy để tạo thành một vùng 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 hàn chùm tia điện tử, nghĩa là cơ chế chuyển đổi năng lượng được hoàn thành thông qua cấu trúc "lỗ khóa".

Dưới tác động của tia laser với mật độ công suất đủ cao, vật liệu sẽ bay hơi và tạo thành các lỗ nhỏ. Lỗ nhỏ chứa đầy hơi này hoạt động như một vật thể đen, hấp thụ gần như toàn bộ năng lượng của chùm tia tới. Nhiệt độ cân bằng trong lỗ đạt khoảng 2500°C.°C. Nhiệt được truyền từ thành ngoài của lỗ nhiệt độ cao, làm cho kim loại xung quanh lỗ tan chảy. Lỗ nhỏ được lấp đầy bởi hơi nước nhiệt độ cao được tạo ra do sự bay hơi liên tục của vật liệu thành lỗ dưới tác động của chùm tia. Thành 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 trước tiên được tích tụ trên bề mặt phôi và sau đó được truyền vào bên trong bằng cách truyền nhiệt). Dòng chảy chất lỏng bên ngoài thành lỗ và sức căng bề mặt của lớp thành lỗ đồng pha với áp suất hơi nước được tạo ra liên tục trong khoang lỗ và duy trì trạng thái cân bằng động. Chùm tia sáng liên tục đi vào lỗ nhỏ, và vật liệu bên ngoài lỗ nhỏ liên tục chảy. Khi chùm tia sáng di chuyển, lỗ nhỏ luôn ở trạng thái dòng chảy ổn định.

Nói cách khác, lỗ nhỏ và kim loại nóng chảy bao quanh thành lỗ di chuyển về phía trước với tốc độ của chùm tia dẫn hướng. Kim loại nóng chảy lấp đầy khoảng trống còn lại sau khi lỗ nhỏ được loại bỏ và đông đặc lại, tạo thành mối hàn. Toàn bộ quá trình này diễn ra rất nhanh, cho phép tốc độ hàn dễ dàng đạt đến vài mét mỗi phút.

Sau khi nắm vững các khái niệm cơ bản về mật độ công suất, hàn dẫn nhiệt và hàn xuyên sâu, chúng ta sẽ tiến hành phân tích so sánh mật độ công suất và các pha cấu trúc kim loại của các đường kính lõi khác nhau.

So sánh các thí nghiệm hàn dựa trên đường kính lõi laser thông dụng trên thị trường:

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

Xét về mật độ công suất, ở cùng một công suất, đường kính lõi càng nhỏ thì độ sáng của laser càng cao và năng lượng càng tập trung. Nếu so sánh laser với một con dao sắc, đường kính lõi càng nhỏ thì laser càng sắc bén. Mật độ công suất của laser có đường kính lõi 14µm cao hơn gấp hơn 50 lần so với laser có đường kính lõi 100µm, và khả năng gia công cũng mạnh hơn. Đồng thời, mật độ công suất được tính toán ở đây chỉ là mật độ trung bình đơn giản. Sự phân bố năng lượng thực tế gần giống với phân bố Gaussian, và năng lượng trung tâm sẽ gấp nhiều lần mật độ công suất trung bình.

Sơ đồ minh họa sự phân bố năng lượng laser với các đường kính lõi khác nhau.

Màu sắc của biểu đồ phân bố năng lượng thể hiện sự phân bố năng lượng. Màu càng đỏ, năng lượng càng cao. Vùng năng lượng màu đỏ là nơi năng lượng tập trung. Thông qua sự phân bố năng lượng laser của các chùm tia laser có đường kính lõi khác nhau, có thể thấy rằng đầu chùm tia laser không sắc nét và đầu chùm tia laser sắc nét. Đường kính càng nhỏ, năng lượng càng tập trung tại một điểm, đầu chùm tia càng sắc nét và khả năng xuyên thấu càng mạnh.

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

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

(1) Thí nghiệm sử dụng tốc độ 150mm/s, hàn vị trí lấy nét, và vật liệu là nhôm loại 1, dày 2mm;

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

(3) Laser lõi nhỏ có mật độ công suất cao và có thể nhanh chóng tạo lỗ khóa trên bề mặt vật liệu với năng lượng cao và vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ. Tuy nhiên, đồng thời, bề mặt mối hàn thô ráp và xác suất sụp đổ lỗ khóa cao trong quá trình hàn tốc độ thấp, và lỗ khóa bị đóng lại trong chu kỳ hàn. Chu kỳ dài và dễ xảy ra các khuyết tật như khuyết tật và lỗ rỗ. Nó thích hợp cho quá trình xử lý tốc độ cao hoặc xử lý với quỹ đạo lắc;

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