Confronto degli effetti di saldatura di laser con diversi diametri del nucleo

Saldatura laserpuò essere ottenuto utilizzando fasci laser continui o pulsati. I principi disaldatura laserpuò essere suddivisa in saldatura a conduzione termica e saldatura laser a penetrazione profonda. Quando la densità di potenza è inferiore a 10⁴~10⁵ W/cm², si parla di saldatura a conduzione termica. In questo caso, la profondità di penetrazione è ridotta e la velocità di saldatura è lenta; quando la densità di potenza è superiore a 10⁵~10⁷ W/cm², la superficie metallica si concava in "fori" a causa del calore, formando una saldatura a penetrazione profonda, che presenta le caratteristiche di elevata velocità di saldatura e grande rapporto d'aspetto. Il principio della conduzione termicasaldatura laserIl processo si basa sul seguente principio: la radiazione laser riscalda la superficie da lavorare e il calore superficiale si diffonde verso l'interno per conduzione termica. Controllando parametri laser quali la durata dell'impulso, l'energia, la potenza di picco e la frequenza di ripetizione, il pezzo in lavorazione viene fuso fino a formare una specifica pozza di materiale fuso.

La saldatura laser a penetrazione profonda utilizza generalmente un raggio laser continuo per completare la giunzione dei materiali. Il suo processo fisico-metallurgico è molto simile a quello della saldatura a fascio di elettroni, ovvero il meccanismo di conversione dell'energia si completa attraverso una struttura a "buco della serratura".

Sotto irradiazione laser con una densità di potenza sufficientemente elevata, il materiale evapora e si formano piccoli fori. Questo piccolo foro riempito di vapore è come un corpo nero, che assorbe quasi tutta l'energia del fascio incidente. La temperatura di equilibrio nel foro raggiunge circa 2500°C. Il calore viene trasferito dalla parete esterna del foro ad alta temperatura, provocando la fusione del metallo circostante. Il piccolo foro viene riempito di vapore ad alta temperatura generato dalla continua evaporazione del materiale della parete sotto l'irradiazione del fascio. Le pareti del piccolo foro sono circondate da metallo fuso, e il metallo liquido è circondato da materiale solido (nella maggior parte dei processi di saldatura convenzionali e nella saldatura a conduzione laser, l'energia viene prima depositata sulla superficie del pezzo e poi trasportata all'interno per trasferimento). Il flusso di liquido all'esterno della parete del foro e la tensione superficiale dello strato della parete sono in fase con la pressione del vapore generata continuamente nella cavità del foro e mantengono un equilibrio dinamico. Il fascio di luce entra continuamente nel piccolo foro e il materiale all'esterno del piccolo foro scorre continuamente. Mentre il fascio di luce si muove, il piccolo foro si trova sempre in uno stato di flusso stabile.

In altre parole, il piccolo foro e il metallo fuso che lo circonda avanzano con la velocità del fascio pilota. Il metallo fuso riempie lo spazio lasciato libero dopo la rimozione del piccolo foro e si condensa di conseguenza, formando la saldatura. Tutto ciò avviene così rapidamente che la velocità di saldatura può facilmente raggiungere diversi metri al minuto.

Dopo aver compreso i concetti di base di densità di potenza, saldatura a conducibilità termica e saldatura a penetrazione profonda, procederemo con un'analisi comparativa della densità di potenza e delle fasi metallografiche di diversi diametri del nucleo.

Confronto di esperimenti di saldatura basati sui diametri del nucleo laser più comuni presenti sul mercato:

Densità di potenza della posizione del punto focale di laser con diversi diametri del nucleo

Dal punto di vista della densità di potenza, a parità di potenza, minore è il diametro del nucleo, maggiore è la luminosità del laser e più concentrata è l'energia. Se si paragona il laser a un coltello affilato, minore è il diametro del nucleo, più affilato è il raggio laser. La densità di potenza di un laser con diametro del nucleo di 14 µm è più di 50 volte superiore a quella di un laser con diametro del nucleo di 100 µm, e la sua capacità di elaborazione è maggiore. Allo stesso tempo, la densità di potenza calcolata qui è solo una semplice densità media. La distribuzione effettiva dell'energia è approssimativamente una distribuzione gaussiana e l'energia centrale sarà diverse volte superiore alla densità di potenza media.

Schema di distribuzione dell'energia laser con diversi diametri del nucleo.

Il colore del diagramma di distribuzione dell'energia rappresenta la distribuzione dell'energia stessa. Più il colore è rosso, maggiore è l'energia. L'energia rossa indica il punto in cui l'energia è concentrata. Attraverso la distribuzione dell'energia laser di fasci laser con diversi diametri del nucleo, si può osservare che il fronte del fascio laser non è netto e il fascio laser è nitido. Più piccolo è il diametro, maggiore è la concentrazione di energia in un punto, più nitido è il fascio e maggiore è la sua capacità di penetrazione.

Confronto degli effetti di saldatura di laser con diversi diametri del nucleo

Confronto tra laser con diversi diametri del nucleo:

(1) L'esperimento utilizza una velocità di 150 mm/s, saldatura in posizione focale e il materiale è alluminio serie 1, spessore 2 mm;

(2) Maggiore è il diametro del nucleo, maggiore è la larghezza di fusione, maggiore è la zona termicamente alterata e minore è la densità di potenza unitaria. Quando il diametro del nucleo supera i 200 µm, non è facile ottenere una profondità di penetrazione su leghe ad alta reattività come alluminio e rame, e una saldatura a penetrazione profonda più elevata può essere ottenuta solo con alta potenza;

(3) I laser a nucleo piccolo hanno un'elevata densità di potenza e possono praticare rapidamente fori di penetrazione sulla superficie dei materiali con alta energia e piccole zone termicamente alterate. Tuttavia, allo stesso tempo, la superficie della saldatura è ruvida e la probabilità di collasso del foro di penetrazione è elevata durante la saldatura a bassa velocità, e il foro di penetrazione si chiude durante il ciclo di saldatura. Il ciclo è lungo e tendono a verificarsi difetti come porosità e difetti. È adatto per la lavorazione ad alta velocità o la lavorazione con una traiettoria oscillante;

(4) I laser con diametro del nucleo grande hanno punti luminosi più grandi e un'energia più dispersa, il che li rende più adatti per la rifusione superficiale laser, il rivestimento, la ricottura e altri processi.