Kimpalan laser merupakan salah satu aspek penting dalam aplikasi teknologi pemprosesan laser, tetapi juga merupakan teknologi kimpalan yang paling menarik perhatian dan menjanjikan pada abad ke-21. Berbanding dengan kaedah kimpalan tradisional, kimpalan laser mempunyai banyak kelebihan, kualiti kimpalan yang lebih tinggi dan kecekapan yang lebih pantas. Pada masa ini, teknologi kimpalan laser telah digunakan secara meluas dalam pembuatan, metalurgi serbuk, industri automobil, industri elektronik, bioperubatan dan bidang lain.
Menurut mekanisme pembentukan kolam kimpalan, kimpalan laser mempunyai dua mekanisme kimpalan asas: kimpalan pengaliran haba dan kimpalan penembusan dalam (lubang kecil). Haba yang dihasilkan oleh kimpalan pengaliran haba meresap ke bahan kerja melalui pemindahan haba, supaya permukaan kimpalan cair, pada dasarnya tiada fenomena pengewapan, yang sering digunakan dalam kimpalan komponen dinding nipis berkelajuan rendah. Kimpalan pelakuran dalam mengewapkan bahan dan membentuk sejumlah besar plasma. Disebabkan haba yang besar, akan terdapat lubang di bahagian hadapan kolam cair. Kimpalan penembusan dalam boleh mengimpal bahan kerja dengan teliti, dan tenaga inputnya besar, kelajuan kimpalannya pantas, adalah mod kimpalan laser yang paling banyak digunakan.
Terdapat banyak parameter proses yang mempengaruhi kualiti kimpalan laser, seperti ketumpatan kuasa, bentuk gelombang denyut laser, pengaburan fokus, kelajuan kimpalan dan gas tiupan tambahan.
1. Ketumpatan kuasa laser Ketumpatan kuasa merupakan salah satu parameter paling kritikal dalam pemprosesan laser. Dengan ketumpatan kuasa yang lebih tinggi, lapisan permukaan boleh dipanaskan hingga takat didih dalam julat masa mikrosaat, menghasilkan sejumlah besar pengewapan. Oleh itu, ketumpatan kuasa yang tinggi sangat berfaedah untuk pemprosesan penyingkiran bahan, seperti menumbuk, memotong dan mengukir. Untuk ketumpatan kuasa yang rendah, suhu permukaan mengambil masa beberapa milisaat untuk mencapai takat didih, dan sebelum lapisan permukaan mengewap, lapisan bawah mencapai takat lebur, yang mudah untuk membentuk kimpalan pelakuran yang baik. Oleh itu, dalam kimpalan laser pengaliran haba, julat ketumpatan kuasa ialah 104-106W/cm2.
2. Bentuk gelombang denyut laser
Bentuk gelombang denyut laser bukan sahaja merupakan parameter penting untuk membezakan penyingkiran bahan daripada pencairan bahan, tetapi juga merupakan parameter utama untuk menentukan isipadu dan kos peralatan pemprosesan. Apabila pancaran laser berintensiti tinggi ke permukaan bahan, permukaan bahan akan mempunyai 60 ~ 90% pantulan dan kehilangan tenaga laser, terutamanya emas, perak, kuprum, aluminium, titanium dan bahan lain pantulan kuat, pemindahan haba yang cepat. Pantulan logam berubah mengikut masa semasa isyarat denyut laser. Apabila suhu permukaan bahan dinaikkan ke takat lebur, pantulan berkurangan dengan cepat, dan apabila permukaan berada dalam keadaan lebur, pantulan stabil pada nilai tertentu.
3. Lebar denyut Lebar denyut merupakan parameter penting dalam kimpalan laser berdenyut. Lebar denyut ditentukan oleh kedalaman penembusan dan zon yang terjejas haba. Semakin panjang lebar denyut, semakin besar zon yang terjejas haba, dan kedalaman penembusan meningkat dengan 1/2 kuasa lebar denyut. Walau bagaimanapun, peningkatan lebar denyut akan mengurangkan kuasa puncak, jadi peningkatan lebar denyut biasanya digunakan untuk kimpalan pengaliran haba, menghasilkan saiz kimpalan yang lebar dan cetek, terutamanya sesuai untuk kimpalan pusingan plat nipis dan tebal. Walau bagaimanapun, kuasa puncak yang lebih rendah mengakibatkan input haba berlebihan, dan setiap bahan mempunyai lebar denyut optimum yang memaksimumkan penembusan.
4, kimpalan laser defokus biasanya memerlukan sejumlah defokus, kerana fokus laser di tengah ketumpatan kuasa titik terlalu tinggi, mudah tersejat ke dalam lubang. Taburan ketumpatan kuasa agak seragam dalam setiap satah jauh dari fokus laser. Terdapat dua kaedah defokus: defokus positif dan defokus negatif. Jika satah fokus terletak di atas bahan kerja, ia adalah defokus positif; jika tidak, ia adalah defokus negatif. Menurut teori optik geometri, apabila jarak antara satah defokus positif dan negatif dan satah kimpalan adalah sama, ketumpatan kuasa pada satah yang sepadan adalah lebih kurang sama, tetapi bentuk kolam kimpalan sebenar yang diperoleh adalah berbeza. Dalam kes defokus negatif, penembusan yang lebih besar boleh diperolehi, yang berkaitan dengan proses pembentukan kolam lebur.
5, kelajuan kimpalan Kelajuan kimpalan menentukan kualiti permukaan kimpalan, penembusan, zon yang terjejas haba, dan sebagainya. Kelajuan kimpalan akan mempengaruhi input haba setiap unit masa. Jika kelajuan kimpalan terlalu perlahan, input haba terlalu besar, mengakibatkan bahan kerja terbakar. Jika kelajuan kimpalan terlalu cepat, input haba terlalu kecil, mengakibatkan kimpalan bahan kerja legap. Mengurangkan kelajuan kimpalan biasanya digunakan untuk meningkatkan penembusan.
6, gas pelindung tiupan tambahan gas pelindung tiupan tambahan merupakan proses penting dalam kimpalan laser berkuasa tinggi. Di satu pihak, untuk mengelakkan bahan logam daripada terpercik dan mencemarkan cermin pemfokusan; Sebaliknya, ia adalah untuk mengelakkan plasma yang dihasilkan dalam proses kimpalan daripada terlalu banyak memfokus dan menghalang laser daripada sampai ke permukaan bahan. Dalam proses kimpalan laser, helium, argon, nitrogen dan gas lain sering digunakan untuk melindungi kolam lebur, supaya bahan kerja dilindungi daripada pengoksidaan dalam kejuruteraan kimpalan. Faktor-faktor seperti jenis gas pelindung, saiz aliran udara dan sudut tiupan mempunyai pengaruh yang besar terhadap hasil kimpalan. Kaedah tiupan yang berbeza juga mempunyai pengaruh tertentu terhadap kualiti kimpalan.
Helium tidak mudah mengion (ia mempunyai tenaga pengion yang tinggi), membolehkan laser melaluinya dengan lancar dan tenaga pancaran sampai ke permukaan bahan kerja tanpa halangan. Ini adalah gas pelindung paling berkesan yang digunakan dalam kimpalan laser, tetapi harganya agak mahal. Argon lebih murah dan lebih tumpat, jadi ia mempunyai perlindungan yang lebih baik. Walau bagaimanapun, ia mudah diionkan oleh plasma logam suhu tinggi, sekali gus melindungi sebahagian pancaran daripada bahan kerja, mengurangkan kuasa laser kimpalan yang berkesan, tetapi juga merosakkan kelajuan dan penembusan kimpalan. Permukaan kimpalan yang dilindungi oleh argon adalah lebih licin daripada yang dilindungi oleh helium. Nitrogen adalah yang paling murah sebagai gas pelindung, tetapi ia tidak sesuai untuk beberapa jenis kimpalan keluli tahan karat, terutamanya disebabkan oleh masalah metalurgi, seperti penyerapan, yang kadangkala mewujudkan liang di zon pusingan.
Sebagai teknologi kimpalan baharu, kimpalan laser mempunyai ciri-ciri ketumpatan tenaga yang tinggi, kelajuan tinggi, ketepatan tinggi, penembusan yang mendalam dan kebolehsuaian yang kuat. Aplikasinya semakin meluas, yang bukan sahaja dapat meningkatkan kecekapan pengeluaran, tetapi juga meningkatkan kualiti kimpalan. Teknologi kimpalan laser pastinya akan memainkan peranan yang lebih penting dalam bidang pemprosesan bahan.
Masa siaran: 28 Mac 2023
