Comparación de los efectos de soldadura de láseres con diferentes diámetros de núcleo.

Soldadura láserSe puede lograr mediante rayos láser continuos o pulsados. Los principios desoldadura láserSe puede dividir en soldadura por conducción de calor y soldadura por láser de penetración profunda. Cuando la densidad de potencia es inferior a 104~105 W/cm2, se trata de soldadura por conducción de calor. En este momento, la profundidad de penetración es poco profunda y la velocidad de soldadura es lenta; cuando la densidad de potencia es superior a 105 ~ 107 W/cm2, la superficie del metal se cóncava en "agujeros" debido al calor, formando una soldadura de penetración profunda, que tiene las características de una velocidad de soldadura rápida y una gran relación de aspecto. El principio de conducción térmica.soldadura láseres: la radiación láser calienta la superficie a procesar y el calor de la superficie se difunde hacia el interior a través de conducción térmica. Al controlar los parámetros del láser, como el ancho del pulso del láser, la energía, la potencia máxima y la frecuencia de repetición, la pieza de trabajo se funde para formar un baño fundido específico.

La soldadura láser de penetración profunda generalmente utiliza un rayo láser continuo para completar la conexión de materiales. Su proceso físico metalúrgico es muy similar al de la soldadura por haz de electrones, es decir, el mecanismo de conversión de energía se completa a través de una estructura de “ojo de cerradura”.

Bajo irradiación láser con una densidad de potencia suficientemente alta, el material se evapora y se forman pequeños agujeros. Este pequeño agujero lleno de vapor es como un cuerpo negro que absorbe casi toda la energía del rayo incidente. La temperatura de equilibrio en el agujero alcanza aproximadamente 2500°C. El calor se transfiere desde la pared exterior del orificio de alta temperatura, lo que hace que el metal que rodea el orificio se derrita. El pequeño agujero se llena con vapor de alta temperatura generado por la evaporación continua del material de la pared bajo la irradiación del haz. Las paredes del pequeño orificio están rodeadas de metal fundido y el metal líquido está rodeado de materiales sólidos (en la mayoría de los procesos de soldadura convencionales y en la soldadura por conducción láser, la energía primero se deposita en la superficie de la pieza de trabajo y luego se transporta al interior mediante transferencia). ). El flujo de líquido fuera de la pared del orificio y la tensión superficial de la capa de la pared están en fase con la presión de vapor generada continuamente en la cavidad del orificio y mantienen un equilibrio dinámico. El haz de luz entra continuamente en el pequeño orificio y el material fuera del pequeño orificio fluye continuamente. A medida que el haz de luz se mueve, el pequeño orificio siempre se encuentra en un estado de flujo estable.

Es decir, el pequeño agujero y el metal fundido que rodea la pared del agujero avanzan con la velocidad de avance del haz piloto. El metal fundido llena el espacio que queda después de quitar el pequeño orificio y se condensa en consecuencia, y se forma la soldadura. Todo esto sucede tan rápidamente que la velocidad de soldadura puede alcanzar fácilmente varios metros por minuto.

Después de comprender los conceptos básicos de densidad de potencia, soldadura por conductividad térmica y soldadura de penetración profunda, a continuación realizaremos un análisis comparativo de la densidad de potencia y las fases metalográficas de diferentes diámetros de núcleo.

Comparación de experimentos de soldadura basados ​​en diámetros de núcleo láser habituales en el mercado:

Densidad de potencia de la posición del punto focal de láseres con diferentes diámetros de núcleo

Desde la perspectiva de la densidad de potencia, bajo la misma potencia, cuanto menor es el diámetro del núcleo, mayor es el brillo del láser y más concentrada es la energía. Si se compara el láser con un cuchillo afilado, cuanto menor sea el diámetro del núcleo, más afilado será el láser. La densidad de potencia del láser con un diámetro de núcleo de 14 um es más de 50 veces mayor que la del láser con un diámetro de núcleo de 100 um y la capacidad de procesamiento es mayor. Al mismo tiempo, la densidad de potencia calculada aquí es simplemente una densidad promedio simple. La distribución de energía real es una distribución gaussiana aproximada y la energía central será varias veces la densidad de potencia promedio.

Diagrama esquemático de distribución de energía láser con diferentes diámetros de núcleo.

El color del diagrama de distribución de energía es la distribución de energía. Cuanto más rojo es el color, mayor es la energía. La energía roja es el lugar donde se concentra la energía. A través de la distribución de energía láser de rayos láser con diferentes diámetros de núcleo, se puede ver que el frente del rayo láser no es nítido y el rayo láser sí lo es. Cuanto más pequeña y más concentrada está la energía en un punto, más aguda es y más fuerte es su capacidad de penetración.

Comparación de los efectos de soldadura de láseres con diferentes diámetros de núcleo.

Comparación de láseres con diferentes diámetros de núcleo:

(1) El experimento utiliza una velocidad de 150 mm/s, soldadura en posición de enfoque y el material es aluminio de serie 1, de 2 mm de espesor;

(2) Cuanto mayor sea el diámetro del núcleo, mayor será el ancho de fusión, mayor será la zona afectada por el calor y menor será la densidad de potencia unitaria. Cuando el diámetro del núcleo excede los 200 um, no es fácil lograr una profundidad de penetración en aleaciones de alta reacción como el aluminio y el cobre, y una soldadura de penetración más profunda solo se puede lograr con alta potencia;

(3) Los láseres de núcleo pequeño tienen una alta densidad de potencia y pueden perforar rápidamente agujeros en la superficie de materiales con alta energía y pequeñas zonas afectadas por el calor. Sin embargo, al mismo tiempo, la superficie de la soldadura es rugosa y la probabilidad de colapso del ojo de cerradura es alta durante la soldadura a baja velocidad, y el ojo de cerradura se cierra durante el ciclo de soldadura. El ciclo es largo y es probable que se produzcan defectos como defectos y poros. Es adecuado para procesamiento a alta velocidad o procesamiento con trayectoria de oscilación;

(4) Los láseres de gran diámetro de núcleo tienen puntos de luz más grandes y energía más dispersa, lo que los hace más adecuados para procesos de refundición, revestimiento, recocido y otros procesos de superficies láser.