1. Lazer kaynağı prensibi: malzemeler arasındaki etkileşim
Metal malzemelerin lazerle işlenmesi esas olarak fototermal etkinin termal işlenmesine dayanmaktadır. Lazer malzemenin yüzeyine ışın verdiğinde, farklı güç yoğunlukları altında malzemenin yüzey alanında çeşitli farklı değişiklikler meydana gelecektir. Bu değişiklikler arasında yüzey sıcaklığının artması, erime, buharlaşma, anahtar deliği oluşumu ve foton kaynaklı plazma üretimi yer alır. Ayrıca malzemenin yüzey alanının fiziksel durumundaki değişiklikler, lazerin malzeme tarafından emilmesini büyük ölçüde etkiler. Genel olarak sıcaklık ne kadar yüksek olursa malzemenin lazer tarafından emilme oranı da o kadar yüksek olur. Güç yoğunluğunun ve hareket süresinin artmasıyla birlikte metal malzemeler fiziksel hallerinde aşağıdaki değişikliklere uğrayacaktır.
Lazer kaynağının özü ikidir: ısı transferi ve ısı iletimi. Isı transferi ısı kaynağı, güç yoğunluğu ve hat enerjisi ile ilgilidir. Isı iletimi esas olarak malzemenin doğal özelliklerine ait olan malzemenin ısı dağılımı ve ısı transfer hızı ile ilgilidir ve genellikle su soğutma armatürleri ve koruyucu gaz akışı ile ince ayar yapılabilir. Kaynak işleminde esas olarak ısı kaynağı, güç yoğunluğu ve hat enerjisi ayarlanır. İlgili proses parametreleri şunlardır: lazer çekirdeği çapı, güç, hız, odak dışılık vb.
Kaynak işleminin emilim oranına göre iki ana lazer kaynağı türü vardır. Bunlardan biri termal iletken kaynaktır (derinlik-genişlik oranı < 1, kırmızı ışığın lazer soğurma oranı %20 dahilinde, farklı dalga boylarında farklılıklar vardır). Diğeri ise derin nüfuzlu kaynaktır (derinlik-genişlik oranı > 1, emme oranı, malzeme eriyik havuzunun emme oranından daha yüksektir, %60'tan fazladır, esas olarak anahtar deliğindeki lazer çoklu yansıma emilimi).
Lazer termal iletim kaynağı:
Farklı lazer ışınımı, malzeme durumunda farklı değişikliklere neden olur ve bu da kaynak işlemine iki tipik kaynak modu olarak yansır: lazer termal iletkenlik kaynağı ve lazer derin nüfuzlu kaynak. İkisinin ısı transfer süreci, kaynak oluşum mekanizması, teknolojik özellikleri ve uygulama alanları oldukça farklıdır.
Lazer termal iletim kaynak modu:
Termal iletken kaynak sırasında iş parçasının yüzeyindeki lazer ışınımı 10E4~10E6W/cm aralığındadır. Lazer enerjisi, 10 ~ 100 m'lik yüzey katmanının ince tabakası tarafından emilir ve yüzey katmanının lazer enerjisi, termal iletim yoluyla malzemenin iç kısmına iletilir ve lazere doğrudan dokunulamaz. Belirli bir lazer ışınımı süresinden sonra yüzey erimeye ulaşır ve bu erime izotermi malzemenin derinliklerine doğru yayılır ve yüzey sıcaklığı artmaya devam eder. Bununla birlikte, en yüksek sıcaklık yalnızca malzemenin kaynama noktasına ulaşabilir ve sıcaklık ne kadar yüksek olursa malzeme buharlaşarak bir çukur oluşturacaktır. Kararlı ısı iletimli kaynak işlemi zarar görecek, kaynak havuzu salınacak ve malzeme yanacaktır. Genellikle ısıl iletken kaynak çoğunlukla ince saclarda kullanılır ve bu durumun ortadan kaldırılması gerekmektedir. Lazer ışınının ve iş parçasının göreceli hareketi ile aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi sığ ve geniş bir kaynak oluşur. Kaynağın derinlik-genişlik oranı küçüktür ve kaynağın genişliği genellikle nüfuz derinliğinin 2 katından fazladır. Aşağıdaki şekil tipik bir lazer termal iletkenlik kaynak kaynağının profilini göstermektedir ve kaynak şekli yaklaşık olarak yarım küre şeklindedir.
Lazer derin nüfuzlu kaynak:
Işınım 10E7W/cm'den büyük olduğunda, malzemenin yüzeyi lazerin etkisi altında erir ve buharlaşır ve üretilen buhar geri tepme basıncı, anahtar deliğini oluşturmak için erimiş havuza aşağı doğru etki eder. Işık huzmesi doğrudan anahtar deliğinin tabanına etki ederek metali daha da eritip buharlaştırır. Anahtar deliğinin iç kısmından sürekli olarak yüksek basınçlı gaz üretilir ve sürekli olarak dışarıya doğru püskürtülür, böylece delik daha da derinleşir. Işın aynı zamanda daha da derine iner ve lazer ısı kaynağı da malzemenin içinde hareket ederek ısıyı anahtar deliğinin içinden malzemeye aktararak daha derin bir ısıdan etkilenen bölge oluşturur. Aynı zamanda anahtar deliği, yüksek sıcaklıktaki buharla kısmen iyonize edilmiş plazma ile doldurulur ve anahtar deliğinin çıkışının üzerinde belirli bir aralıkta plazma bulutu oluşur.
Anahtar deliği etkisi, lazer kaynak işleminde lazerin emilmesinde önemli bir rol oynar. Anahtar deliğine giren lazer ışını, delik duvarının çoklu yansımaları yoluyla neredeyse tamamen emilir. Şekilde gösterildiği gibi, eğer anahtar deliği konik bir yüzeyse (∅ Açılı), konik ekseni boyunca gelen bir ışık huzmesi, koninin içinden anahtar deliğinin tabanına doğru doğrudan yansıtılır ve toplam değeri yansıtacak şekilde yansıtılır. 180 derece /∅. Çeliğin emilimi yansıma başına yaklaşık %13'tür. P=10 derecesi ayarlandığında, toplam emicilik 18 yansımada %92'ye ulaşır ve bu, %13'lük termal iletkenlik ile karşılaştırıldığında büyük ölçüde iyileştirilmiştir. Isı iletkenliği ile derin erime arasındaki ayrım genellikle metalurjik erime derinliğine göre yapılır: erime genişliği 1'den büyüktür, bu da derin erime olarak kabul edilebilir, çünkü anahtar deliklerinin görünümü emme oranını artırır. Bu basit yöntem tek lazer kaynağı için uygundur. Genellikle derin nüfuzlu kaynak olan bu yargıya kompozit uygun değildir ve merkez kiriş anahtar deliği etkisine sahiptir.
2. Farklı çekirdek çaplarına sahip lazerin kaynak metalografik karşılaştırması
Temel güç yoğunluğu, ısıl iletkenlik kaynağı, derin nüfuzlu kaynak kavramları anlaşıldıktan sonra farklı çekirdek çaplarının güç yoğunluğu ve metalografik karşılaştırma analizi. Bu kaynak deneyi piyasada yaygın olarak kullanılan lazer çekirdek çapı için yapılmıştır.
Güç yoğunluğu açısından bakıldığında, aynı güç altında çekirdek çapı ne kadar ince olursa, lazer parlaklığı o kadar yüksek olur ve enerji o kadar yoğunlaşır. Lazer keskin bir bıçağa benzetilirse, lazerin çekirdek çapı ne kadar küçük olursa o kadar keskin olur. 14um çekirdek çapının güç yoğunluğu, 100um çekirdek çapı lazerin güç yoğunluğundan 50 kat daha fazladır ve işleme kapasitesi daha güçlüdür. Aynı zamanda burada hesaplanan güç yoğunluğu basitçe ortalama yoğunluktur. Gerçek enerji dağılımı yaklaşık Gaussian'dır ve merkezi enerji ortalama güç yoğunluğunun birkaç katı olacaktır.
Farklı çekirdek çapı lazer karşılaştırması:
(1) Deneyin hızı 150 mm/s'dir, odak konumu kaynaklıdır, malzeme 1 serisi alüminyumdur, 2 mm kalınlığındadır.
(2) Çekirdek çapı ne kadar büyük olursa, erime genişliği de o kadar büyük olur, ısıdan etkilenen bölge o kadar büyük olur ve birim güç yoğunluğu o kadar küçük olur. Çekirdek çapı 200um'u aştığında, alüminyum ve bakır gibi yüksek ters alaşımlarda derin nüfuz etmek kolay değildir ve derin nüfuzlu kaynak elde etmek için daha yüksek güç gerekir.
(3) Küçük çekirdekli lazer yüksek güç yoğunluğuna sahiptir, malzemenin yüzeyindeki anahtar deliklerini yüksek enerjiyle hızlı bir şekilde delebilir ve ısıdan etkilenen bölge küçüktür, ancak aynı zamanda kaynak yüzeyi pürüzlüdür ve olasılığı düşük hızlı kaynakta anahtar deliği çökmesi yüksektir. Kaynak döngüsü anahtar deliği kapatma döngüsü uzundur ve yüksek hızlı işleme veya salınım yörüngeli işleme için uygun olan kusurları, gözenekliliği ve diğer kusurları üretmek kolaydır.
(4) Büyük nokta nedeniyle büyük lazer çekirdeği ve enerji daha fazla dağılır, bu da lazer yüzeyinin yeniden eritilmesi, giydirilmesi, tavlanması ve diğer işlemler için daha uygundur.
3. Basit uygulama analizi
Küçük Çekirdekli Lazerin Avantajları ve Uygulamaları (< 100um)
(1) Yüksek ters malzemeler: alüminyum, bakır, paslanmaz çelik, nikel, molibden vb.
Yüksek ters malzemelerin küçük çekirdek çaplı bir lazer seçmesi gerekir. Yüksek güç yoğunluklu lazer ışını, malzemeyi hızlı bir şekilde sıvılaştırılmış veya buharlaştırılmış duruma ısıtmak, malzemenin lazer emme oranını arttırmak ve verimli ve hızlı işlemeyi gerçekleştirmek için kullanılır. Kolayca yüksek reaksiyona yol açabilecek, sanal kaynaklama ve hatta lazerin yanmasına neden olabilecek geniş çekirdek çapına sahip bir lazer seçin.
(2) Çatlamaya duyarlı malzemeler: nikel, nikel kaplı bakır, alüminyum, paslanmaz çelik, titanyum alaşımı vb.
Bu malzeme genellikle ısıdan etkilenen bölgenin sıkı kontrolünü gerektirir, küçük bir eriyik havuzuna ihtiyaç vardır ve küçük çekirdek çaplı bir lazerin seçimi daha uygundur.
(3) Yüksek hızlı lazer işleme:
Derin nüfuzlu kaynak, yüksek hızlı lazer işleme gerektirir. Özellikle üst üste bindirme kaynağı, nüfuz etme kaynağı ve daha yüksek nüfuz etme gereksinimleri olan diğer küçük göbekli lazerler için, hat enerjisinin malzemeyi yüksek hızda eritmeye yeterli olmasını sağlamak için yüksek enerji yoğunluğuna sahip bir lazerin seçilmesi gerekir.
Advantages and Applications of Large Core Laser (>100um)
Büyük çekirdek çapı, büyük ışık noktası, geniş ısı kapsama alanı, geniş uygulama yüzeyi ve yalnızca malzeme yüzeyinin mikro erimesini sağlamak için. Lazer kaplama, lazerle yeniden eritme, lazer tavlama, lazerle sertleştirme vb. uygulamalara çok uygundur. Bu alanlarda büyük noktalar, daha yüksek üretim verimliliği ve daha az kusur anlamına gelir (termal iletken kaynakta neredeyse hiç kusur yoktur).
Kaynakta, büyük nokta esas olarak küçük çekirdek çaplı kompozit lazer için kullanılan kompozit kaynak için kullanılır. Büyük ışık noktaları, malzemenin yüzeyinin katıdan sıvıya doğru hafifçe erimesini sağlar, böylece malzemenin lazer tarafından emilme oranı büyük ölçüde artar. Daha sonra anahtar deliğini delmek ve delme derinliğini delmek için küçük bir çekirdek çapı kullanın. Bu süreçte, büyük ışık noktalarının ön ısıtılması ve sonradan işlenmesi ve erimiş havuzun büyük sıcaklık gradyanı nedeniyle, hızlı ısıtma ve hızlı soğutma nedeniyle malzemede çatlakların ortaya çıkması kolay değildir ve kaynağın görünümü daha pürüzsüzdür. . Sıçrama, tek lazer çözümüne göre daha düşüktür.
Xi'an Guosheng Lazer Technology Co., Ltd., otomatik lazer kaplama makinesi, yüksek hızlı lazer kaplama makinesi, lazer söndürme makinesi, lazer kaynak makinesi ve lazer 3D baskı ekipmanlarının Ar-Ge, üretim ve satışı konusunda uzmanlaşmış bir yüksek teknoloji kuruluşudur. Ürünlerimiz uygun maliyetli olup yurt içi ve yurt dışında satılmaktadır. Ürünlerimizle ilgileniyorsanız lütfen bob@gshenglaser.com adresinden bizimle iletişime geçin.