การเปรียบเทียบผลการเชื่อมของเลเซอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางแกนต่างกัน

การเชื่อมด้วยเลเซอร์สามารถทำได้โดยใช้ลำแสงเลเซอร์แบบต่อเนื่องหรือแบบพัลซิ่ง หลักการของการเชื่อมด้วยเลเซอร์สามารถแบ่งออกเป็นการเชื่อมการนำความร้อนและการเชื่อมแบบเจาะลึกด้วยเลเซอร์ เมื่อความหนาแน่นของพลังงานน้อยกว่า 104~105 W/cm2 จะเป็นการเชื่อมแบบการนำความร้อน ในเวลานี้ความลึกของการเจาะตื้นและความเร็วในการเชื่อมช้า เมื่อความหนาแน่นของพลังงานมากกว่า 105~107 W/cm2 พื้นผิวโลหะจะเว้าเป็น "รู" เนื่องจากความร้อน ทำให้เกิดการเชื่อมแบบเจาะลึก ซึ่งมีลักษณะของความเร็วในการเชื่อมที่รวดเร็วและอัตราส่วนภาพขนาดใหญ่ หลักการการนำความร้อนการเชื่อมด้วยเลเซอร์คือ: การแผ่รังสีเลเซอร์ทำให้พื้นผิวที่จะประมวลผลร้อนขึ้น และความร้อนที่พื้นผิวจะกระจายไปสู่ภายในผ่านการนำความร้อน ด้วยการควบคุมพารามิเตอร์ของเลเซอร์ เช่น ความกว้างของพัลส์เลเซอร์ พลังงาน กำลังสูงสุด และความถี่ของการทำซ้ำ ชิ้นงานจะถูกหลอมให้กลายเป็นพูลหลอมเหลวที่เฉพาะเจาะจง

โดยทั่วไปการเชื่อมด้วยเลเซอร์เจาะลึกจะใช้ลำแสงเลเซอร์ต่อเนื่องเพื่อเชื่อมต่อวัสดุให้สมบูรณ์ กระบวนการทางกายภาพทางโลหะวิทยาของมันคล้ายกับการเชื่อมลำแสงอิเล็กตรอนมาก กล่าวคือ กลไกการแปลงพลังงานเสร็จสมบูรณ์ผ่านโครงสร้าง "รูกุญแจ"

ภายใต้การฉายรังสีเลเซอร์ที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงเพียงพอ วัสดุจะระเหยและเกิดรูเล็กๆ รูเล็กๆ ที่เต็มไปด้วยไอระเหยนี้เปรียบเสมือนวัตถุสีดำ ดูดซับพลังงานเกือบทั้งหมดของลำแสงที่ตกกระทบ อุณหภูมิสมดุลในหลุมสูงถึงประมาณ 2,500°C. ความร้อนถูกถ่ายเทจากผนังด้านนอกของรูที่มีอุณหภูมิสูง ทำให้โลหะที่อยู่รอบๆ รูหลอมละลาย รูเล็กๆ เต็มไปด้วยไอน้ำอุณหภูมิสูงที่เกิดจากการระเหยอย่างต่อเนื่องของวัสดุผนังภายใต้การฉายรังสีของลำแสง ผนังของรูเล็ก ๆ ล้อมรอบด้วยโลหะหลอมเหลว และโลหะเหลวถูกล้อมรอบด้วยวัสดุแข็ง (ในกระบวนการเชื่อมทั่วไปและการเชื่อมด้วยการนำด้วยเลเซอร์ส่วนใหญ่พลังงานจะสะสมบนพื้นผิวของชิ้นงานก่อนแล้วจึงเคลื่อนย้ายไปยังภายในโดยการถ่ายโอน ). การไหลของของเหลวนอกผนังรูและแรงตึงผิวของชั้นผนังจะอยู่ในเฟสกับแรงดันไอน้ำที่สร้างขึ้นอย่างต่อเนื่องในช่องรู และรักษาสมดุลแบบไดนามิก ลำแสงเข้าสู่รูเล็ก ๆ อย่างต่อเนื่อง และวัสดุที่อยู่นอกรูเล็ก ๆ ก็ไหลอย่างต่อเนื่อง เมื่อลำแสงเคลื่อนที่ รูเล็กๆ จะอยู่ในสถานะการไหลที่มั่นคงเสมอ

กล่าวคือ รูเล็กๆ และโลหะหลอมเหลวที่อยู่รอบๆ ผนังของรูจะเคลื่อนที่ไปข้างหน้าด้วยความเร็วไปข้างหน้าของลำแสงนำร่อง โลหะหลอมเหลวจะเติมช่องว่างที่เหลือหลังจากที่รูเล็ก ๆ ถูกเอาออกและควบแน่นตามนั้น และเกิดรอยเชื่อม ทั้งหมดนี้เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วจนความเร็วในการเชื่อมสามารถเข้าถึงหลายเมตรต่อนาทีได้อย่างง่ายดาย

หลังจากทำความเข้าใจแนวคิดพื้นฐานของความหนาแน่นของพลังงาน การเชื่อมด้วยการนำความร้อน และการเชื่อมแบบเจาะลึกแล้ว เราจะดำเนินการวิเคราะห์เปรียบเทียบความหนาแน่นของพลังงานและเฟสทางโลหะวิทยาของเส้นผ่านศูนย์กลางแกนที่แตกต่างกันต่อไป

การเปรียบเทียบการทดลองการเชื่อมตามเส้นผ่านศูนย์กลางแกนเลเซอร์ทั่วไปในตลาด:

ความหนาแน่นของกำลังของตำแหน่งจุดโฟกัสของเลเซอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางแกนต่างกัน

จากมุมมองของความหนาแน่นของพลังงาน ภายใต้กำลังเดียวกัน ยิ่งเส้นผ่านศูนย์กลางแกนเล็กลง ความสว่างของเลเซอร์ก็จะยิ่งสูงขึ้น และพลังงานก็จะยิ่งมีความเข้มข้นมากขึ้นเท่านั้น หากเปรียบเทียบเลเซอร์กับมีดที่คม ยิ่งเส้นผ่านศูนย์กลางแกนเล็กเท่าไร เลเซอร์ก็จะยิ่งคมมากขึ้นเท่านั้น ความหนาแน่นของพลังงานของเลเซอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางแกน 14um มากกว่า 50 เท่าของเลเซอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางแกน 100um และความสามารถในการประมวลผลก็แข็งแกร่งขึ้น ในขณะเดียวกัน ความหนาแน่นของพลังงานที่คำนวณในที่นี้เป็นเพียงความหนาแน่นเฉลี่ยอย่างง่าย การกระจายพลังงานจริงเป็นการกระจายแบบเกาส์เซียนโดยประมาณ และพลังงานส่วนกลางจะมีค่ามากกว่าความหนาแน่นของพลังงานเฉลี่ยหลายเท่า

แผนผังการกระจายพลังงานเลเซอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางแกนต่างกัน

สีของแผนภาพการกระจายพลังงานคือการกระจายพลังงาน ยิ่งสีแดงมากเท่าใดพลังงานก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น พลังงานสีแดงเป็นสถานที่ที่พลังงานมีความเข้มข้น จากการกระจายพลังงานเลเซอร์ของลำแสงเลเซอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางแกนต่างกัน จะเห็นได้ว่าด้านหน้าลำแสงเลเซอร์ไม่คมและลำแสงเลเซอร์มีความคม ยิ่งพลังงานมีขนาดเล็กลงเท่าใด พลังงานก็จะยิ่งเข้มข้นขึ้นที่จุดเดียวเท่านั้น ก็ยิ่งมีความคมชัดมากขึ้น และความสามารถในการเจาะทะลุก็ยิ่งแข็งแกร่งขึ้นเท่านั้น

การเปรียบเทียบผลการเชื่อมของเลเซอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางแกนต่างกัน

การเปรียบเทียบเลเซอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางแกนต่างกัน:

(1) การทดลองใช้ความเร็ว 150 มม./วินาที การเชื่อมตำแหน่งโฟกัส วัสดุเป็นอลูมิเนียมซีรีส์ 1 หนา 2 มม.

(2) ยิ่งเส้นผ่านศูนย์กลางแกนมีขนาดใหญ่เท่าใด ความกว้างของการหลอมก็จะมากขึ้น โซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนก็จะยิ่งใหญ่ขึ้น และความหนาแน่นของพลังงานของหน่วยก็จะยิ่งน้อยลง เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางแกนเกิน 200um การเจาะลึกบนโลหะผสมที่มีปฏิกิริยาสูง เช่น อลูมิเนียมและทองแดงไม่ใช่เรื่องง่าย และการเชื่อมเจาะลึกที่สูงกว่าสามารถทำได้โดยใช้กำลังสูงเท่านั้น

(3) เลเซอร์แกนขนาดเล็กมีความหนาแน่นของพลังงานสูงและสามารถเจาะรูกุญแจบนพื้นผิวของวัสดุที่มีพลังงานสูงและโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนขนาดเล็กได้อย่างรวดเร็ว อย่างไรก็ตาม ในเวลาเดียวกัน พื้นผิวของการเชื่อมมีความหยาบ และความน่าจะเป็นของการยุบรูกุญแจมีสูงในระหว่างการเชื่อมด้วยความเร็วต่ำ และรูกุญแจจะปิดในระหว่างรอบการเชื่อม วงจรนี้ใช้เวลานาน และข้อบกพร่องต่างๆ เช่น ข้อบกพร่องและรูขุมขนก็มีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นได้ เหมาะสำหรับการประมวลผลความเร็วสูงหรือการประมวลผลที่มีวิถีการแกว่ง

(4) เลเซอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลางขนาดใหญ่มีจุดแสงที่ใหญ่กว่าและมีพลังงานกระจายมากกว่า ทำให้เหมาะสำหรับการหลอมพื้นผิวเลเซอร์ การหุ้ม การหลอม และกระบวนการอื่น ๆ