Interakcja materiałów laserowych – efekt dziurki od klucza

Tworzenie i rozwój dziurek od klucza:

Definicja dziurki od klucza: Gdy natężenie promieniowania jest większe niż 10 ^ 6 W/cm ^ 2, powierzchnia materiału topi się i odparowuje pod działaniem lasera. Gdy prędkość parowania jest wystarczająco duża, wytworzone ciśnienie odrzutu pary jest wystarczające, aby pokonać napięcie powierzchniowe i ciężar ciekłego ciekłego metalu, wypierając w ten sposób część ciekłego metalu, powodując opadanie stopionego jeziorka w strefie wzbudzenia i tworzenie małych wżerów ; Wiązka światła działa bezpośrednio na dno małego wgłębienia, powodując dalsze topienie i zgazowanie metalu. Para pod wysokim ciśnieniem w dalszym ciągu wymusza przepływ ciekłego metalu na dnie jamy w kierunku obrzeża roztopionego basenu, jeszcze bardziej pogłębiając mały otwór. Proces ten trwa, ostatecznie tworząc dziurkę od klucza w ciekłym metalu. Kiedy ciśnienie pary metalu generowane przez wiązkę lasera w małym otworze osiąga równowagę z napięciem powierzchniowym i grawitacją ciekłego metalu, mały otwór nie pogłębia się i tworzy mały otwór o stabilnej głębokości, co nazywa się „efektem małego otworu” .

Gdy wiązka lasera przemieszcza się względem przedmiotu obrabianego, mały otwór ukazuje lekko zakrzywiony przód i wyraźnie nachylony odwrócony trójkąt z tyłu. Przednia krawędź małego otworu to obszar działania lasera o wysokiej temperaturze i wysokim ciśnieniu pary, podczas gdy temperatura wzdłuż tylnej krawędzi jest stosunkowo niska, a prężność pary jest niewielka. Pod tą różnicą ciśnień i temperatur stopiona ciecz przepływa wokół małego otworu od przodu do tyłu, tworząc wir na tylnym końcu małego otworu i ostatecznie zestala się na tylnej krawędzi. Stan dynamiczny dziurki od klucza uzyskany poprzez symulację laserową i rzeczywiste spawanie pokazano na powyższym rysunku. Morfologię małych otworów i przepływ otaczającej stopionej cieczy podczas jazdy z różnymi prędkościami.

Dzięki obecności małych otworów energia wiązki lasera wnika do wnętrza materiału, tworząc głęboką i wąską spoinę. Typową morfologię przekroju poprzecznego spoiny laserowej o głębokiej penetracji pokazano na powyższym rysunku. Głębokość penetracji spoiny jest zbliżona do głębokości dziurki od klucza (dokładnie warstwa metalograficzna jest 60-100um głębsza od dziurki od klucza, o jedną warstwę cieczy mniej). Im wyższa gęstość energii lasera, tym głębszy mały otwór i większa głębokość wnikania spoiny. W przypadku spawania laserowego dużej mocy maksymalny stosunek głębokości do szerokości spoiny może osiągnąć 12:1.

Analiza wchłanianiaenergia laseraprzez dziurkę od klucza

Przed powstaniem małych dziur i plazmy energia lasera przekazywana jest głównie do wnętrza przedmiotu obrabianego poprzez przewodzenie ciepła. Proces spawania należy do spawania przewodzącego (o głębokości penetracji mniejszej niż 0,5 mm), a stopień absorpcji lasera przez materiał wynosi 25-45%. Po utworzeniu dziurki od klucza energia lasera jest pochłaniana głównie przez wnętrze przedmiotu obrabianego poprzez efekt dziurki od klucza, a proces spawania staje się spawaniem z głęboką penetracją (o głębokości penetracji większej niż 0,5 mm). Szybkość absorpcji może osiągnąć ponad 60-90%.

Efekt dziurki od klucza odgrywa niezwykle ważną rolę w zwiększaniu absorpcji lasera podczas obróbki, takiej jak spawanie laserowe, cięcie i wiercenie. Wiązka laserowa wpadająca do dziurki od klucza jest prawie całkowicie pochłaniana przez wielokrotne odbicia od ściany otworu.

Powszechnie uważa się, że mechanizm absorpcji energii lasera wewnątrz dziurki od klucza obejmuje dwa procesy: absorpcję odwrotną i absorpcję Fresnela.

Równowaga ciśnienia wewnątrz dziurki od klucza

Podczas spawania laserowego z głęboką penetracją materiał ulega silnemu odparowaniu, a ciśnienie rozprężania generowane przez parę o wysokiej temperaturze wypycha ciekły metal, tworząc małe dziury. Oprócz prężności pary i ciśnienia ablacji (znanego również jako siła reakcji parowania lub ciśnienie odrzutu) materiału, istnieją również napięcie powierzchniowe, statyczne ciśnienie cieczy spowodowane grawitacją oraz ciśnienie dynamiczne płynu generowane przez przepływ stopionego materiału wewnątrz mała dziura. Spośród tych ciśnień tylko ciśnienie pary podtrzymuje otwarcie małego otworu, podczas gdy pozostałe trzy siły dążą do zamknięcia małego otworu. Aby zachować stabilność dziurki od klucza podczas procesu spawania, ciśnienie pary musi być wystarczające do pokonania innego oporu i osiągnięcia równowagi, utrzymując długoterminową stabilność dziurki od klucza. Dla uproszczenia powszechnie uważa się, że siły działające na ściankę dziurki od klucza to głównie ciśnienie ablacji (ciśnienie odrzutu pary metalu) i napięcie powierzchniowe.

Niestabilność dziurki od klucza

Wstęp: Laser działa na powierzchnię materiałów, powodując odparowanie dużej ilości metalu. Ciśnienie odrzutu naciska na stopiony basen, tworząc dziurki od klucza i plazmę, co powoduje wzrost głębokości topienia. Podczas przesuwania laser uderza w przednią ściankę dziurki od klucza, a miejsce, w którym laser styka się z materiałem, spowoduje silne odparowanie materiału. W tym samym czasie ścianka dziurki od klucza ulegnie utracie masy, a parowanie wytworzy ciśnienie odrzutu, które będzie naciskać na ciekły metal, powodując, że wewnętrzna ścianka dziurki od klucza będzie oscylować w dół i przesuwać się wokół dna dziurki od klucza w kierunku z tyłu roztopionego basenu. Ze względu na wahania jeziorka stopionej cieczy od ściany przedniej do ściany tylnej, objętość wewnątrz dziurki od klucza stale się zmienia. Odpowiednio zmienia się również ciśnienie wewnętrzne dziurki od klucza, co prowadzi do zmiany objętości wytryskanej plazmy . Zmiana objętości plazmy prowadzi do zmian w ekranowaniu, załamaniu i absorpcji energii lasera, co skutkuje zmianami energii lasera docierającego do powierzchni materiału. Cały proces jest dynamiczny i okresowy, a ostatecznie skutkuje wtopieniem metalu w kształcie zęba piłokształtnego i falistym, bez gładkiej spoiny o równym przetopie. Powyższy rysunek jest przekrojem poprzecznym środka spoiny uzyskanym przez wzdłużne cięcie równoległe do środka spoiny, a także pomiar w czasie rzeczywistym zmiany głębokości dziurki od kluczaIPG-LDD jako dowód.

Popraw kierunek stabilności dziurki od klucza

Podczas spawania laserowego z głęboką penetracją stabilność małego otworu można zapewnić jedynie poprzez dynamiczną równowagę różnych ciśnień wewnątrz otworu. Jednakże absorpcja energii lasera przez ścianę otworu i parowanie materiałów, wyrzucanie par metalu na zewnątrz małego otworu oraz ruch do przodu małego otworu i roztopionego jeziorka to procesy bardzo intensywne i szybkie. W pewnych warunkach procesu, w pewnych momentach procesu spawania, istnieje możliwość, że stabilność małego otworu może zostać lokalnie zakłócona, co prowadzi do wad spawalniczych. Najbardziej typowymi i powszechnymi są defekty porowatości typu małych porów i odpryski spowodowane zapadnięciem się dziurki od klucza;

Jak zatem ustabilizować dziurkę od klucza?

Fluktuacja płynu dziurki od klucza jest stosunkowo złożona i obejmuje zbyt wiele czynników (pole temperatury, pole przepływu, pole siłowe, fizyka optoelektroniczna), które można po prostu podsumować w dwóch kategoriach: związek między napięciem powierzchniowym a ciśnieniem odrzutu par metalu; Ciśnienie odrzutu par metalu wpływa bezpośrednio na powstawanie dziurek od klucza, co jest ściśle powiązane z głębokością i objętością dziurek od klucza. Jednocześnie, jako jedyna substancja par metali przemieszczająca się ku górze w procesie spawania, jest także ściśle powiązana z występowaniem odprysków; Napięcie powierzchniowe wpływa na przepływ stopionego jeziorka;

Tak stabilny proces spawania laserowego zależy od utrzymania gradientu rozkładu napięcia powierzchniowego w roztopionym jeziorku, bez nadmiernych wahań. Napięcie powierzchniowe jest związane z rozkładem temperatury, a rozkład temperatury jest związany ze źródłem ciepła. Dlatego kompozytowe źródło ciepła i spawanie wahadłowe są potencjalnymi kierunkami technicznymi stabilnego procesu spawania;

W przypadku pary metalu i objętości dziurki od klucza należy zwrócić uwagę na efekt plazmy i wielkość otworu na dziurkę od klucza. Im większy otwór, tym większa dziurka od klucza i znikome wahania w dnie jeziorka, które mają stosunkowo niewielki wpływ na całkowitą objętość dziurki od klucza i zmiany ciśnienia wewnętrznego; Zatem regulowany laser w trybie pierścieniowym (plamka pierścieniowa), rekombinacja łuku laserowego, modulacja częstotliwości itp. to wszystkie kierunki, które można rozszerzyć.