Сварка волоконным лазером по сравнению с лазерной сваркой CO2: Что лучше?

Основное различие между волоконным лазером и лазерной сваркой CO2 заключается в их скорости поглощения лазерной энергии.

(1) Волоконный лазер имеет более короткую длину волны, что приводит к меньшему образованию плазмы и более высокой плотности энергии, которая является более концентрированной. Однако это также означает более высокий коэффициент использования лазерной энергии и большее давление отдачи паров металла, что затрудняет поиск баланса между проникновением и непроникновением.

(2) С другой стороны, лазерная сварка CO2 имеет более высокую мощность потерь теплопроводности, что приводит к большему углу наклона передней стенки небольшого отверстия и большему количеству плазмы. Это помогает сбалансировать и отрегулировать распределение и поглощение лазера энергии, что делает технологическое окно между проникновением и непроникновением более широким.

Ссылки приведены ниже:

• Волоконный лазер: длина волны 1,06 мкм, диаметр пятна 0,6 мм
• CO2 лазер: длина волны 1,06 мкм, диаметр пятна 0,86 мм

Формирование сварных швов значительно отличается при сварке волоконным лазером и CO2-лазером. Исследования показывают, что эти различия обусловлены характеристиками связи между длинами лазерных волн и свариваемыми материалами.

При лазерной сварке прочность связи между лазером и материалом можно оценить по эффективности плавления.

Ниже приводится сравнение эффективности плавления при сварке волоконным лазером и CO2-лазером.

Для расчета эффективности проплавления используется площадь поперечного сечения сварного шва. Результаты расчета представлены на прилагаемом рисунке.

Эффективность плавления как при сварке волоконным лазером, так и при сварке CO2-лазером сначала возрастает, а затем снижается по мере увеличения скорости сварки. Пиковая эффективность плавления для волоконно-лазерная сварка происходит со скоростью около 10 м/мин, а при лазерной сварке CO2 - со скоростью около 4 м/мин.

Взаимосвязь между эффективностью плавления и скоростью сварки связана с поведением энергетической связи во время лазерной сварки.

Согласно принципу сохранения энергии, полная поглощательная способность (AK) глубокого проникающего отверстия при воздействии падающего лазера может быть выражена следующим образом:

A_K=（P_F+ P_EY+Po+ P_L）/P

В уравнении P_EV представляет собой мощность, необходимую для частичного испарения металла во время сварки, P_o представляет собой мощность, потребляемую при перегреве расплавленного металла бассейна, а P_L представляет собой мощность, потерянную в результате теплопроводности.

Согласно исследованиям, масса испарения при лазерной сварке (МэВ) очень мала, поэтому ею можно пренебречь в уравнении.

Характер изменения мощности перегрева расплавленного бассейна (P_o) со скоростью сварки аналогична эффективности плавления, но доля мощности перегрева в общей мощности выходная мощность лазера относительно мала.

Часть мощности теплопроводности (P_L), проходящий через фронт плавления, используется для плавки листа, а остальная часть теряется в основном металле за счет теплопроводности.

Мощность, теряемая за счет теплопроводности через фронт плавления, может быть выражена следующим образом:

В уравнении 2r₀ представляет собой ширину сварного шва, а S - площадь поперечного сечения шва.

Взаимосвязь между P_L и скорость сварки можно определить, подставив в приведенную выше формулу величину поперечного сечения и ширину проплавления сварного шва, измеренные в ходе экспериментов. Это показано на прилагаемом рисунке.

Как видно из рисунка, мощность, теряемая за счет теплопроводности, уменьшается с увеличением скорости сварки. Это снижение более выражено при низких скоростях сварки и становится менее значительным при более высоких скоростях сварки.

Взаимосвязь между общей поглощающей способностью (AK) глубокого проходного отверстия и скоростью сварки для волоконного лазера и CO₂ Лазерная сварка изображена на прилагаемом рисунке.

Как показано на рисунке, изменение общей поглощающей способности в зависимости от скорости сварки для двух процессов лазерной сварки имеет схожий характер: начинается с медленного снижения, а затем быстро уменьшается.

Однако критическая скорость, при которой происходит переход от медленного к быстрому снижению, различна для каждого процесс лазерной сварки; она происходит при скорости 10 м/мин для сварки волоконным лазером и 4 м/мин для CO₂ лазерная сварка.

Различия в общей поглощающей способности между двумя процессами лазерной сварки связаны с тем, насколько полно лазерный луч входит в глубокое проплавление. Когда скорость сварки низкая, лазерный луч способен полностью войти в глубокое проплавление, что приводит к менее выраженному влиянию на общую скорость поглощения.

Однако при более высоких скоростях сварки передняя часть луча уже не может испарять переднюю точку маленького отверстия, препятствуя его попаданию в отверстие и вызывая быстрое снижение общей скорости поглощения падающего лазера.

Заключение

Общая поглощающая способность и мощность потерь теплопроводности являются основными факторами, влияющими на эффективность плавления. Исходя из эффективности плавления, можно сделать вывод, что сварка волоконным лазером больше подходит для средне- и высокоскоростной сварки, если процесс сварки в остальном аналогичен, в то время как CO₂ Лазерная сварка лучше подходит для низкоскоростной сварки.