مقارنة تأثيرات اللحام بالليزر بأقطار أساسية مختلفة
المعالجة بالليزر للمواد المعدنية هي في الأساس معالجة حرارية تعتمد على التأثير الحراري الضوئي. عندما يشع الليزر سطح المادة، فإن مساحة سطح المادة ستخضع لتغييرات مختلفة في ظل كثافات طاقة مختلفة. وتشمل هذه التغييرات زيادة درجة حرارة السطح، والذوبان، والتبخر، وتشكيل ثقب المفتاح، وتوليد البلازما الضوئية. علاوة على ذلك، فإن تغير الحالة الفيزيائية لمنطقة سطح المادة يؤثر بشكل كبير على امتصاص المادة لضوء الليزر. بشكل عام، كلما ارتفعت درجة الحرارة، زاد معدل امتصاص المادة لضوء الليزر. مع زيادة كثافة الطاقة وزمن الفعل، ستخضع المادة المعدنية للتغيرات التالية في الحالة الفيزيائية، كما هو موضح في الشكل 1 [1].
هناك نوعان من جوهر اللحام بالليزر: نقل الحرارة والتوصيل الحراري. يرتبط نقل الحرارة بمصدر الحرارة وكثافة الطاقة وطاقة الخط؛ تدفق الهواء لضبط. في عملية اللحام، يتم تعديل مصدر الحرارة وكثافة الطاقة وطاقة الخط بشكل أساسي. تتضمن معلمات العملية المعنية ما يلي: اختيار قطر قلب الليزر، والطاقة، والسرعة، وكمية إزالة التركيز البؤري. بالنظر إلى أن هذه المقالة تركز بشكل أساسي على أجهزة الليزر ذات أقطار أساسية مختلفة وتتضمن بشكل أساسي كثافات طاقة مختلفة، يوضح الشكل 2 معادلة الحساب البسيطة لكثافة الطاقة:
هناك نوعان رئيسيان من اللحام بالليزر حسب معدل الامتصاص لعملية اللحام، أحدهما هو اللحام بالتوصيل الحراري (نسبة العمق إلى العرض)<1, laser absorption rate of red light is within 20%, and different wavelengths are different), and the other is deep penetration welding (Aspect ratio > 1, the absorption rate is greater than the absorption rate of the molten pool of the material, more than 60%, mainly due to the multiple reflection and absorption of the laser in the keyhole).
اللحام بالتوصيل الحراري بالليزر:
سيؤدي إشعاع الليزر المختلف إلى تغيرات مختلفة في حالة المادة، وهو ما ينعكس في عملية اللحام كوضعين نموذجيين للحام: اللحام بالتوصيل الحراري بالليزر واللحام بالاختراق العميق بالليزر. تختلف عملية نقل الحرارة وآلية تشكيل اللحام وخصائص العملية ونطاق التطبيق بشكل كبير.
وضع اللحام بالتوصيل الحراري بالليزر:
أثناء اللحام بالتوصيل الحراري، يكون إشعاع الليزر المشع على سطح قطعة العمل في نطاق 10E4~10E6W/cm، ويتم امتصاص طاقة الليزر بواسطة الطبقة الرقيقة من 10~100 متر على السطح. تنتقل طاقة الليزر الموجودة على السطح إلى داخل المادة عن طريق التوصيل الحراري، ولا يمكن لمس الليزر مباشرة. وبعد فترة معينة من تشعيع الليزر، يصل السطح إلى مرحلة الذوبان، وينتشر هذا الأيزوثيرم الذائب في عمق المادة، وتستمر درجة حرارة السطح في الارتفاع. لكن الأعلى لا يمكن أن يصل إلا إلى نقطة غليان المادة، بغض النظر عن ارتفاع درجة الحرارة، سوف تتبخر المادة وتشكل حفرًا، وسيتم تدمير عملية اللحام بالتوصيل الحراري المستقر، وسوف يتأرجح المجمع المنصهر، وسوف تكون المادة أحرق. بشكل عام، يتم استخدام اللحام بالتوصيل الحراري في الغالب في الصفائح الرقيقة. في هذه الحالة تحتاج إلى وضع حد لذلك. مع الحركة النسبية لشعاع الليزر وقطعة العمل، يتم تشكيل خط لحام ضحل وواسع، كما هو موضح في الشكل 3. نسبة العمق إلى العرض لخط اللحام صغيرة، وعرض خط اللحام بشكل عام أكثر من ضعف عمق الاختراق. يوضح الشكل أدناه المظهر المقطعي لدرزة اللحام بالتوصيل الحراري بالليزر النموذجية، وشكل خط اللحام نصف كروي تقريبًا.
مقارنة بين أجهزة الليزر ذات القطر الأساسي:
(1) سرعة التجربة 150 مم / ثانية، موضع التركيز ملحوم، المادة من سلسلة واحدة من الألومنيوم، والسمك 2 مم؛
(2) كلما زاد قطر النواة، زاد عرض الاندماج، وزادت المنطقة المتأثرة بالحرارة، وصغرت كثافة طاقة الوحدة. عندما يتجاوز القطر الأساسي 200 مم، ليس من السهل تحقيق عمق اختراق للسبائك عالية التفاعل مثل الألومنيوم والنحاس، ويتطلب طاقة أعلى يمكن تحقيق لحام اختراق عميق؛
(3) يتميز الليزر ذو القطر الأساسي الصغير بكثافة طاقة عالية، ويمكنه ثقب ثقوب المفاتيح بسرعة على سطح المادة ذات الطاقة العالية، وله منطقة صغيرة متأثرة بالحرارة، ولكن في نفس الوقت يكون سطح اللحام خشنًا، احتمال انهيار ثقب المفتاح مرتفع أثناء اللحام منخفض السرعة، ويتم إغلاق ثقب المفتاح أثناء دورة اللحام. دورة طويلة، من السهل إنتاج العيوب والمسام والعيوب الأخرى، ومناسبة للمعالجة عالية السرعة أو المعالجة بمسار التأرجح؛
(4) تعد أجهزة الليزر ذات القطر الكبير أكثر ملاءمة لإعادة صهر الأسطح بالليزر والكسوة والتليين وغيرها من العمليات نظرًا لبقعها الكبيرة وطاقتها الأكثر تشتتًا.
مواد عاكسة عالية: الألومنيوم، النحاس، الفولاذ المقاوم للصدأ، النيكل، الموليبدينوم، وما إلى ذلك؛
(1) تحتاج المواد عالية الانعكاس إلى اختيار ليزر ذو قطر صغير. استخدام شعاع ليزر عالي الكثافة لتسخين المادة بسرعة إلى حالة مسالة أو متبخرة، وتحسين معدل امتصاص الليزر للمادة، وتحقيق معالجة فعالة وسريعة. من السهل اختيار ليزر ذو قطر أساسي كبير. يؤدي إلى انعكاس عالي، ويؤدي إلى لحام افتراضي، وحتى يحرق الليزر؛
المواد الحساسة للتشقق: النيكل، النحاس المطلي بالنيكل، الألومنيوم، الفولاذ المقاوم للصدأ، سبائك التيتانيوم، إلخ.
(2) يتطلب هذا النوع من المواد بشكل عام رقابة صارمة على المنطقة المتأثرة بالحرارة ويتطلب بركة منصهرة صغيرة. ومن الأنسب اختيار ليزر ذو قطر صغير؛
معالجة بالليزر عالية السرعة:
(3) يتطلب اللحام بالاختراق العميق معالجة ليزر عالية السرعة، ومن الضروري اختيار ليزر بكثافة طاقة عالية للتأكد من أن طاقة الخط كافية لإذابة المادة بسرعة عالية، خاصة بالنسبة للحام اللفة ولحام الاختراق و النوى الصغيرة الأخرى التي تتطلب عمق اختراق عالي. الليزر الشعاعي أكثر ملاءمة.
Advantages and applications of large core lasers (>100um)٪ 3a
القطر الأساسي الكبير والبقعة الكبيرة، ومنطقة التغطية الحرارية الكبيرة، وسطح العمل الواسع، ولا يحقق إلا ذوبانًا دقيقًا على سطح المادة، وهو مناسب جدًا للتطبيقات في الكسوة بالليزر، وإعادة الصهر بالليزر، والتليين بالليزر، والتصلب بالليزر، وما إلى ذلك. المناطق، بقعة كبيرة تعني إنتاجية أعلى وعيوب أقل (لحام التوصيل الحراري خالٍ تقريبًا من العيوب).
فيما يتعلق باللحام، تُستخدم البقعة الكبيرة بشكل أساسي في اللحام المركب، والذي يستخدم للتركيب باستخدام ليزر ذو قطر قلب صغير: البقعة الكبيرة تجعل سطح المادة يذوب قليلاً، ويتحول من مادة صلبة إلى سائلة، مما يحسن معدل الامتصاص بشكل كبير من المادة إلى الليزر، ثم يستخدم نواة صغيرة في هذه العملية، نظرًا للتسخين المسبق للبقعة الكبيرة، وما بعد المعالجة، والتدرج الكبير في درجة الحرارة الممنوح للمسبح المنصهر، فإن المادة ليست عرضة للتشقق الناتج عن العيوب عن طريق التسخين السريع والتبريد السريع. يمكن أن يجعل مظهر اللحام أكثر سلاسة، وفي نفس الوقت يحقق تناثرًا أقل من محلول الليزر الفردي.
