Zgrzewanie z przewodzeniem ciepła i zgrzewanie z głęboką penetracją

1. Definicja i charakterystyka spawania laserowego przewodnością cieplną

Spawanie laserowe z przewodnością cieplną jest metodą spawanie laserowe. Ten tryb spawania charakteryzuje się małą głębokością wtopienia i małym stosunkiem głębokości do szerokości. Gdy gęstość mocy jest mniejsza niż 10^4~10^5 W/cm2, jest klasyfikowany jako spawanie przewodzące, które charakteryzuje się małą głębokością wtopienia i mniejszą prędkość spawania.

Podczas spawania termoprzewodzącego energia promieniowania laserowego działa na powierzchnię materiału, a energia promieniowania laserowego zamieniana jest na ciepło na powierzchni. Ciepło powierzchniowe przenika do wnętrza poprzez przewodzenie ciepła, powodując topienie materiału i utworzenie roztopionego jeziorka w obszarze połączenia między dwoma materiałami. Roztopione jeziorko przesuwa się do przodu wraz z wiązką lasera, a stopiony metal w roztopionym jeziorku nie porusza się do przodu. Gdy wiązka lasera przesuwa się do przodu, roztopiony metal w roztopionym jeziorku krzepnie, tworząc spoina łącząca dwa kawałki materiału.

Energia promieniowania laserowego działa tylko na powierzchnię materiału, a topienie leżącego pod nią materiału odbywa się poprzez przewodzenie ciepła. Po pochłonięciu energii lasera przez cienką warstwę o długości 10 ~ 100 nm na powierzchni i stopieniu, temperatura powierzchni utrzymuje się wzrasta, powodując propagację izotermy temperatury topnienia w głąb materiału. Maksymalna temperatura powierzchni może osiągnąć jedynie temperaturę parowania. Dlatego głębokość topnienia, którą można osiągnąć tą metodą, jest ograniczona temperaturą parowania i przewodnością cieplną. Stosowany jest głównie do spawania cienkich (około 1mm) i małych części.

Gęstość mocy wiązki stosowanej w spawaniu jest niska. Gdy przedmiot obrabiany pochłonie laser, temperatura musi jedynie osiągnąć temperaturę topnienia powierzchni, a następnie ciepło jest przenoszone do wnętrza przedmiotu obrabianego, tworząc jeziorko stopionego materiału w wyniku przewodzenia ciepła, co jest ekonomiczne. Ponadto szew spawalniczy jest gładki i nie ma porów i może być stosowany do obróbki spawalniczej części wyglądowych.

Typowe zastosowania to spawanie zlewów ze stali nierdzewnej, mieszków metalowych, spawanie metalowych złączek rurowych itp.

2. Definicja i charakterystyka spawania laserowego z głęboką penetracją

Gdy gęstość mocy jest większa niż 10^5~10^7 W/cm2, powierzchnia metalu wklęsła pod wpływem ciepła, tworząc „dziury”, tworząc spawanie z głęboką penetracją, które charakteryzuje się dużą szybkością spawania i dużym współczynnikiem kształtu.

Metalurgiczny proces fizyczny spawania laserowego z głęboką penetracją jest bardzo podobny do spawania wiązką elektronów, co oznacza, że ​​mechanizm konwersji energii odbywa się poprzez strukturę „małego otworu”. Pod napromieniowaniem wiązką o wystarczająco dużej gęstości mocy materiał odparowuje do tworzą małe dziury. Ten mały otwór wypełniony parą przypomina ciało czarne, pochłaniając prawie całą energię padającego światła, a temperatura równowagi w otworze osiąga około 25,000 XNUMX stopni. Ciepło przekazywane jest z zewnętrznej ściany tego wysokotemperaturowego wnękę, powodując stopienie metalu otaczającego wnękę. Mały otwór wypełniony jest parą o wysokiej temperaturze, powstającą w wyniku ciągłego odparowania materiału ściany pod wpływem napromieniowania wiązki. Ściany małego otworu otoczone są roztopionym metalem, a ciekły metal otoczony jest materiałami stałymi. Przepływ cieczy na zewnątrz ściany otworu i napięcie powierzchniowe warstwy ścianki są w fazie ze stale generowanym ciśnieniem pary we wnęce otworu i utrzymuj dynamiczną równowagę. Wiązka światła w sposób ciągły wchodzi do małego otworu, a materiał na zewnątrz małego otworu stale przepływa. Gdy wiązka światła się porusza, mały otwór znajduje się zawsze w stabilnym stanie przepływu. Oznacza to, że mały otwór i roztopiony metal otaczający ściankę otworu poruszają się do przodu z prędkością wiązki pilotującej. Roztopiony metal wypełnia szczelinę powstałą po usunięciu małego otworu i odpowiednio się zagęszcza, w wyniku czego powstaje spoina. Wszystko to dzieje się tak szybko, że prędkość spawania może z łatwością osiągnąć kilka metrów na minutę.

Spawanie głębokiej penetracji materiałów wymaga bardzo dużej mocy lasera. W odróżnieniu od spawania z przewodzeniem ciepła, spawanie z głęboką penetracją nie tylko topi metal, ale także odparowuje metal. Stopiony metal jest odprowadzany pod ciśnieniem par metalu, tworząc małe otwory. Wiązka laserowa w dalszym ciągu oświetla dolną część otworu, powodując jego rozszerzanie, aż ciśnienie pary wewnątrz otworu zrównoważy się z napięciem powierzchniowym i grawitacją ciekłego metalu. Po spawaniu z głęboką penetracją powstanie wąska i jednolita spoina , a jego głębokość będzie na ogół większa niż szerokość spoiny. Proces ten charakteryzuje się dużą szybkością przetwarzania i małą strefą wpływu ciepła, więc odkształcenie materiału jest niewielkie.

Typowe zastosowania to spawanie grubych blach stalowych (10-25 mm) i spawanie aluminiowych osłon akumulatorów zasilających.

3. Charakterystyka spawania laserowego z głęboką penetracją

Wysoki współczynnik kształtu. Ponieważ stopiony metal tworzy się wokół cylindrycznej komory z oparami o wysokiej temperaturze i rozciąga się w kierunku przedmiotu obrabianego, spoina staje się głęboka i wąska.

Minimalny dopływ ciepła. Ponieważ temperatura wewnątrz małego otworu jest bardzo wysoka, proces topienia zachodzi niezwykle szybko, dopływ ciepła do przedmiotu obrabianego jest bardzo niski, a odkształcenie termiczne i strefa wpływu ciepła są małe.

Duża gęstość. Ponieważ małe otwory wypełnione oparami o wysokiej temperaturze sprzyjają mieszaniu jeziorka spawalniczego i ulatnianiu się gazu, co skutkuje spoiną penetracyjną bez porów. Wysoka szybkość chłodzenia po spawaniu może z łatwością udoskonalić strukturę spoiny.

Mocne spawy. Dzięki gorącemu źródłu ciepła i pełnej absorpcji składników niemetalicznych zmniejsza się zawartość zanieczyszczeń, zmienia się wielkość wtrąceń i ich rozkład w jeziorku ciekłym. Proces spawania nie wymaga elektrod ani drutu dodatkowego, a strefa topienia jest mniej zanieczyszczony, co sprawia, że ​​wytrzymałość i ciągliwość spoiny jest co najmniej równa lub nawet większa od wytrzymałości metalu rodzimego.

Precyzyjna kontrola. Ponieważ skupiona plamka świetlna jest mała, spoinę można pozycjonować z dużą precyzją. Wyjście lasera nie ma „bezwładności” i można je zatrzymać i ponownie uruchomić przy dużych prędkościach. Złożone elementy można spawać przy użyciu technologii ruchu belki CNC.

Bezkontaktowy proces spawania w atmosferze.Ponieważ energia pochodzi z wiązki fotonów i nie ma fizycznego kontaktu z przedmiotem obrabianym, na przedmiot obrabiany nie działa żadna siła zewnętrzna. Ponadto magnetyzm i powietrze nie mają wpływu na światło lasera.

Zalety spawania laserowego z głęboką penetracją:

1) Ponieważ skupiony laser ma znacznie większą gęstość mocy niż metody konwencjonalne, zapewnia dużą prędkość spawania, małą strefę wpływu ciepła i małe odkształcenia, a także może spawać materiały trudne do spawania, takie jak tytan.
2) Ponieważ wiązkę można łatwo przenosić i kontrolować, nie ma potrzeby częstej wymiany uchwytów spawalniczych i dysz, a do spawania wiązką elektronów nie jest wymagana próżnia, co znacznie skraca przestoje i czas pomocniczy, a zatem współczynnik obciążenia i wydajność produkcji są wysokie.
3) Ze względu na efekt oczyszczania i dużą szybkość chłodzenia, szew spawalniczy ma wysoką wytrzymałość, wytrzymałość i ogólną wydajność.
4) Ze względu na niski średni dopływ ciepła i wysoką dokładność przetwarzania, koszty ponownego przetwarzania mogą zostać obniżone; ponadto koszty operacyjne spawania laserowego są również niskie, co może obniżyć koszty obróbki przedmiotu obrabianego.
5) Może skutecznie kontrolować intensywność wiązki i dokładne pozycjonowanie, a także łatwo jest zrealizować automatyczne działanie.

Wady spawania laserowego z głęboką penetracją:

1) Głębokość spawania jest ograniczona.

2) Montaż przedmiotu obrabianego wymaga wysokich wymagań.

3) Jednorazowa inwestycja w system laserowy jest stosunkowo wysoka