Bagaimanakah Cara Pengimpalan Laser Berfungsi?

Fizik Asas: Bagaimana Tenaga Laser Mencipta Kimpalan

Penyerapan Tenaga, Ambang Peleburan, dan Tindak Balas Termal Bahan

Apabila kimpalan laser bermula, foton-foton kuat tersebut menghentam permukaan logam dan memindahkan tenaga mereka kepada elektron di dalam logam. Pada mulanya, logam tidak menyerap banyak cahaya inframerah dekat ini, malah memantulkan antara 50 hingga 90 peratus daripadanya. Namun, keadaan berubah secara mendadak apabila peleburan bermula pada suhu sekitar 1500 darjah Celsius dalam bahan keluli. Keupayaan untuk menyerap tenaga meningkat kira-kira sepuluh kali ganda semasa peralihan fasa ini. Apa yang menyebabkan semua ini berlaku bergantung terutamanya pada ketumpatan kuasa. Kebanyakan aloi kejuruteraan akan mula melebur dengan boleh dipercayai apabila terdedah kepada lebih satu juta watt per sentimeter persegi. Kekonduksian terma juga memainkan peranan besar dalam menentukan jumlah tenaga yang diperlukan. Ambil contoh tembaga, yang mempunyai kekonduksian terma sebanyak 401 watt per meter Kelvin berbanding hanya 22 watt per meter Kelvin bagi titanium. Ini bermakna tembaga memerlukan tenaga kira-kira tiga kali ganda lebih banyak untuk mencapai kedalaman leburan yang sama. Mengekalkan kualiti kimpalan memerlukan kawalan suhu yang teliti. Jika suhu puncak melebihi 80 peratus daripada suhu yang diperlukan untuk mengewapkan bahan tersebut, masalah akan timbul akibat pengembangan wap yang berlebihan yang mencipta keropos yang tidak diingini dalam produk akhir.

Mod Pengaliran vs. Mod Lubang Kunci: Bilakah dan Mengapa Setiap Satu Berlaku

Pemilihan mod kimpalan mencerminkan kompromi asas antara kawalan dan kebolehan penembusan:

Dalam pengimpalan mod konduksi, haba merebak secara menyerong melalui bahan, menjadikannya sangat sesuai untuk penyegelan bekas bateri di mana kita perlu mengekalkan input haba yang rendah. Apabila keamatan meningkat, kita masuk ke mod lubang kunci sebagai gantinya. Tekanan wap pada asasnya mengorek lubang sementara dalam logam, membolehkan alur cahaya laser menembusi lebih dalam ke dalam benda kerja. Kaedah ini boleh mengendalikan kimpalan lalu tunggal walaupun pada keluli pembinaan kapal setebal 15 mm, walaupun pengendali perlu memantau parameter mereka dengan teliti. Kedudukan alur sangat penting, begitu juga tahap kuasa dan kelajuan pergerakan torus. Jika lubang kunci runtuh semasa pengimpalan, yang sering berlaku dalam persekitaran kilang, ia akan menghasilkan liang-liang yang mengganggu yang melemahkan produk akhir dan memerlukan kerja semula.

Komponen Utama Mesin Pengimpalan Laser

Sumber Laser Gentian: Penyedut, Medium Galakan, dan Penjanaan Alur

Laser gentian mencipta cahaya terang dan terfokus apabila mereka mengepam gentian optik khas yang mengandungi bahan tanah jarang menggunakan diod semikonduktor. Proses ini melibatkan pemancaran tertimbul di dalam medium gandaan ini, menghasilkan alur laser yang stabil dengan panjang gelombang sekitar 1,060 hingga 1,080 nanometer. Julat panjang gelombang ini sepadan dengan serapan tenaga logam kebanyakan, menjadikannya sesuai untuk aplikasi perindustrian. Kualiti alur juga sangat penting. Apabila diukur sebagai nilai M kuasa dua di bawah 1.1, kualiti alur yang lebih baik bermakna kita boleh memfokuskan laser kepada tompok yang lebih kecil dan mendapatkan penembusan bahan yang lebih dalam semasa operasi pemotongan atau kimpalan. Kawalan haba juga bukan perkara yang boleh diabaikan oleh pengilang. Jika suhu menjadi terlalu tinggi, kuasa output akan menurun secara ketara—sekitar 15% bagi setiap kenaikan 10 darjah Celsius melebihi reka bentuk asalnya seperti yang diterbitkan dalam Jurnal Pemprosesan Bahan tahun lepas.

Penghantaran Alur, Optik Pemfokusan, dan Kawalan Ketumpatan Kuasa

Sinar laser bergerak melalui gentian optik fleksibel untuk mencapai pelbagai komponen penghantaran seperti tingkap pelindung, kolimator, pemindai galvanometer, dan kanta F-theta khas yang membantu membentuk serta memfokuskan sinar hingga ke titik bersaiz hanya 20 mikrometer. Apabila beroperasi dalam mod lubang kunci (keyhole), laser ini menghasilkan ketumpatan kuasa melebihi 1 juta watt per sentimeter persegi, yang secara asasnya bermaksud bahan-bahan dilenyapkan secara hampir serta-merta. Perubahan jarak fokus laser atau penggunaan teknik seperti osilasi bulat membantu mengekalkan kestabilan kolam lebur semasa kimpalan dan mengurangkan percikan yang tidak diingini. Sebagai contoh penyesuaian panjang fokus: memendekkannya meningkatkan ketumpatan kuasa sekitar 40 peratus, tetapi menghasilkan had toleransi yang lebih ketat untuk kedalaman fokus. Ini memerlukan sistem kawalan pergerakan yang sangat tepat bagi mengekalkan kualiti kimpalan yang baik merentasi pelbagai komponen.

Proses Pembentukan Kimpalan: Dari Pencahayaan ke Sambungan Pepejal

Dinamik Kolam Lebur, Kestabilan Lubang Kunci, dan Struktur Mikro Pepejal

Apabila alur cahaya laser mengenai bahan, ia dengan cepat memanaskan kawasan tersebut melebihi takat lebur, mencipta kolam lebur yang berkelakuan berbeza bergantung pada mod pengimpalan. Dengan pengimpalan lubang kunci, tekanan wap mencipta lubang yang dalam dan sempit, kadangkala mencapai kedalaman 25 mm. Kestabilan rongga ini sangat penting untuk mengelakkan kecacatan kerana apabila ia runtuh, kacau bilau yang terhasil boleh mencipta liang dalam kira-kira 12% daripada semua kimpalan pengeluaran menurut penyelidikan dari Journal of Materials Processing tahun lepas. Pengimpalan mod konduksi menghasilkan kolam yang jauh lebih cetek dan kekal relatif tenang tanpa banyak pergerakan bendalir. Apabila laser bergerak, logam mula membeku hampir serta-merta kerana penyejukan berlaku pada kadar melebihi satu juta darjah per saat. Penyejukan yang sangat pantas ini membantu memperbaiki struktur butiran dan mengurangkan sebatian interlogam rapuh yang melemahkan sambungan. Ujian menunjukkan ini menjadikan komponen yang dikimpal kira-kira 30% lebih mulur berbanding yang serupa dihasilkan dengan kaedah pengimpalan arka tradisional. Keputusan yang baik sangat bergantung kepada kawalan bentuk lubang kunci dan kelajuan penyejukan, itulah sebabnya sistem pengimpalan laser yang dipasang dengan betul membuat perbezaan besar sama ada kita mendapat butiran seragam yang baik atau struktur dendritik bermasalah yang memusatkan tegasan.

Mengapa Kimpalan Laser Memberikan Ketepatan dan Prestasi

Pengimpalan laser menjadi sangat tepat kerana ia memfokuskan cahaya koheren tersebut kepada titik-titik yang sangat kecil, kadangkala kurang daripada 0.1 mm lebar, dan mengekalkan pencaran alur di bawah 0.1 darjah. Apa yang berlaku ialah ketumpatan kuasa melebihi 1 MW per sentimeter persegi, membolehkan bahan melebur dengan cepat betul-betul di tempat yang diperlukan sambil mengekalkan kawasan terjejas haba sangat kecil, sekitar setengah milimeter berbanding 5 hingga 15 mm apabila menggunakan kaedah pengimpalan arka konvensional. Apakah hasilnya? Komponen kekal hampir tidak bengkok, sifat logam asal kekal utuh, dan campuran sukar seperti aloi aluminium-lithium atau nitinol boleh diproses tanpa masalah. Sistem moden kini dilengkapi ciri menarik seperti osilasi alur dan pembentukan denyutan yang sebenarnya mengawal aliran dan pepejalan logam cecair semasa proses tersebut. Apabila digandingkan dengan lengan robot, pengimpal laser mampu menghasilkan sambungan yang konsisten dan kuat pada kelajuan menakjubkan melebihi 100 mm per saat, menjadikannya 2 hingga 10 kali lebih pantas berbanding teknik pengimpalan TIG atau MIG. Sistem-sistem ini juga mampu mengendalikan pelbagai kedudukan mencabar serta gabungan bahan yang berbeza, seperti menyambung tembaga ke aluminium sambil menguruskan lapisan antara logam yang degil tersebut dengan teliti. Pengilang dalam pelbagai industri, dari komponen aerospace hingga peranti perubatan dan kenderaan elektrik (EV), kini mengalami penurunan jumlah bahagian ditolak, kurang keperluan kerja penyediaan akhir, dan secara keseluruhan meningkatkan metrik produktiviti.