コア径の異なるレーザーの溶接効果の比較

レーザー溶接連続レーザービームまたはパルスレーザービームを使用して実現できます。の原則レーザー溶接熱伝導溶接とレーザー深溶け込み溶接に分けられます。パワー密度が104～105W/cm2未満の場合は熱伝導溶接となります。このとき溶け込み深さが浅く溶接速度が遅いため、溶接速度が遅くなります。電力密度が105~107W/cm2を超えると、熱により金属表面が「穴」に凹んで深溶け込み溶接が形成され、溶接速度が速く、アスペクト比が大きいという特徴があります。熱伝導の原理レーザー溶接レーザー照射により加工面が加熱され、その表面熱が熱伝導により内部に拡散します。レーザーのパルス幅、エネルギー、ピークパワー、繰り返し周波数などのレーザーパラメーターを制御することにより、ワークピースが溶融して特定の溶融池が形成されます。

レーザー深溶け溶接では、通常、連続レーザービームを使用して材料の接続を完了します。その冶金学的物理プロセスは電子ビーム溶接のプロセスと非常に似ており、エネルギー変換メカニズムは「キーホール」構造によって完成されます。

十分に高い出力密度でレーザーを照射すると、材料が蒸発し、小さな穴が形成されます。蒸気で満たされたこの小さな穴は黒体のようなもので、入射ビームのエネルギーのほとんどすべてを吸収します。穴内の平衡温度は約2500℃に達します。°C. 高温になった穴の外壁から熱が伝わり、穴の周囲の金属が溶けます。この小さな穴は、ビームの照射下で壁材が継続的に蒸発することによって発生する高温の蒸気で満たされます。小さな穴の壁は溶融金属で囲まれ、液体金属は固体材料で囲まれます（ほとんどの従来の溶接プロセスとレーザー伝導溶接では、エネルギーは最初にワークピースの表面に堆積し、次に転移によって内部に輸送されます） ）。穴壁の外側の液体の流れと壁層の表面張力は、穴キャビティ内で継続的に生成される蒸気圧と同位相にあり、動的バランスを維持します。光線は継続的に小さな穴に入り、小さな穴の外側の物質は流れ続けます。光線が移動すると、小さな穴は常に安定した流れの状態になります。

つまり、パイロットビームの前進速度に応じて、小穴とその周囲の溶融金属が前進する。溶融金属は、小さな穴が除去された後に残った隙間を埋め、それに応じて凝結し、溶接が形成されます。これらすべてが非常に迅速に行われるため、溶接速度は簡単に毎分数メートルに達します。

パワー密度、熱伝導溶接、深溶け込み溶接の基本概念を理解したら、次にコア径の異なるパワー密度と金属組織相の比較解析を行います。

市販の一般的なレーザーコア直径に基づく溶接実験の比較:

コア径の異なるレーザーの焦点位置のパワー密度

パワー密度の観点から見ると、同じパワーの下では、コア直径が小さいほど、レーザーの輝度が高くなり、エネルギーがより集中します。レーザーを鋭利なナイフにたとえると、コアの直径が小さいほどレーザーは鋭くなります。 14umコア径レーザーの出力密度は100umコア径レーザーの50倍以上であり、処理能力がより強力です。同時に、ここで計算される電力密度は単なる平均密度です。実際のエネルギー分布は近似的なガウス分布であり、中心エネルギーは平均電力密度の数倍になります。

異なるコア径でのレーザーエネルギー分布の概略図

エネルギー分布図の色はエネルギー分布です。色が赤ければ濃いほど、エネルギーが高くなります。赤いエネルギーはエネルギーが集中する場所です。異なるコア直径を持つレーザービームのレーザーエネルギー分布を通して、レーザービームの前面はシャープではなく、レーザービームはシャープであることがわかります。小さいほどエネルギーが一点に集中し、鋭くなり、貫通力が強くなります。

コア径の異なるレーザーの溶接効果の比較

異なるコア径のレーザーの比較:

(1) 実験では、速度 150mm/s、焦点位置溶接を使用し、材料は 1 シリーズ アルミニウム、厚さ 2mm です。

(2) コア径が大きくなると、溶融幅が大きくなり、熱影響部が大きくなり、単位出力密度が小さくなります。コア径が 200um を超えると、アルミニウムや銅などの反応性の高い合金で溶け込み深さを達成するのは容易ではなく、より高い深溶け込み溶接は高出力でのみ達成できます。

(3) スモールコアレーザーは出力密度が高く、高エネルギーで熱影響部が小さい材料の表面にキーホールを素早く開けることができます。しかし、同時に溶接面が粗く、低速溶接ではキーホールの崩壊確率が高く、溶接サイクル中にキーホールが閉じてしまいます。周期が長く欠損や毛穴などの欠陥が発生しやすいです。高速処理やスイング軌道のある処理に適しています。

(4) コア径が大きいレーザーは、光スポットが大きく、エネルギーがより分散されるため、レーザー表面の再溶解、クラッディング、アニーリングなどのプロセスに適しています。