Powstawanie i rozwój dziurek od klucza:
Definicja efektu dziurki od klucza: Gdy natężenie promieniowania przekracza 10^6W/cm^2, powierzchnia materiału topi się i odparowuje pod wpływem lasera. Gdy prędkość parowania jest wystarczająco duża, generowane ciśnienie odrzutu pary jest wystarczające, aby pokonać napięcie powierzchniowe i grawitację ciekłego metalu, wypierając w ten sposób część ciekłego metalu, powodując opadanie jeziorka stopionego metalu w strefie wzbudzenia i tworzenie małych wżerów. Wiązka światła działa bezpośrednio na dno małego wżeru, powodując dalsze topienie i gazyfikację metalu. Para wodna pod wysokim ciśnieniem nadal wymusza przepływ ciekłego metalu z dna wżeru w kierunku obrzeży jeziorka stopionego metalu, pogłębiając mały wżer. Proces ten jest kontynuowany, ostatecznie tworząc w ciekłym metalu otwór przypominający dziurkę od klucza. Gdy ciśnienie pary metalu generowane przez wiązkę laserową w małym wżerze osiągnie równowagę z napięciem powierzchniowym i grawitacją ciekłego metalu, mały wżer przestaje się pogłębiać i tworzy mały wżer o stabilnej głębokości, co nazywa się „efektem małego wżeru”.
Gdy wiązka lasera porusza się względem przedmiotu obrabianego, mały otwór pokazuje lekko zakrzywiony do tyłu przód i wyraźnie nachylony odwrócony trójkąt z tyłu. Przednia krawędź małego otworu jest obszarem działania lasera, z wysoką temperaturą i wysokim ciśnieniem pary, podczas gdy temperatura wzdłuż tylnej krawędzi jest stosunkowo niska, a ciśnienie pary jest małe. Pod wpływem tej różnicy ciśnień i temperatur stopiona ciecz przepływa wokół małego otworu od przodu do tyłu, tworząc wir na tylnym końcu małego otworu i ostatecznie krzepnie na tylnej krawędzi. Dynamiczny stan otworu klucza uzyskany za pomocą symulacji laserowej i rzeczywistego spawania pokazano na powyższym rysunku. Morfologia małych otworów i przepływ otaczającej stopionej cieczy podczas ruchu z różnymi prędkościami.
Dzięki obecności małych otworów, energia wiązki laserowej wnika w głąb materiału, tworząc głęboką i wąską spoinę. Typowa morfologia przekroju poprzecznego spoiny laserowej z głębokim wtopieniem jest przedstawiona na powyższym rysunku. Głębokość wtopu spoiny jest zbliżona do głębokości otworu (dokładniej, warstwa metalograficzna jest o 60-100 μm głębsza niż otwór, o jedną warstwę cieczy mniej). Im wyższa gęstość energii lasera, tym głębszy jest otwór i tym większa głębokość wtopu spoiny. W spawaniu laserowym dużej mocy maksymalny stosunek głębokości do szerokości spoiny może sięgać 12:1.
Analiza absorpcjienergia laserowaprzez dziurkę od klucza
Przed utworzeniem małych otworów i plazmy, energia lasera jest przekazywana głównie do wnętrza przedmiotu obrabianego poprzez przewodzenie ciepła. Proces spawania jest spawaniem kondukcyjnym (z głębokością wtopienia mniejszą niż 0,5 mm), a współczynnik absorpcji lasera przez materiał wynosi 25–45%. Po utworzeniu otworu w materiale, energia lasera jest absorbowana głównie przez wnętrze przedmiotu obrabianego poprzez efekt dziurki wtopienia, a proces spawania staje się spawaniem z głębokim wtopieniem (z głębokością wtopienia większą niż 0,5 mm). Współczynnik absorpcji może sięgać 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 niemal całkowicie pochłaniana poprzez wielokrotne odbicia od ścianki otworu.
Uważa się, że mechanizm absorpcji energii lasera wewnątrz dziurki od klucza obejmuje dwa procesy: absorpcję odwrotną i absorpcję Fresnela.
Równowaga ciśnień wewnątrz dziurki od klucza
Podczas spawania laserowego z głębokim wtopieniem materiał ulega silnemu parowaniu, a ciśnienie rozprężania generowane przez wysokotemperaturową parę wodną wyrzuca ciekły metal, tworząc małe otwory. Oprócz ciśnienia pary i ciśnienia ablacji (znanego również jako siła reakcji parowania lub ciśnienie odrzutu) materiału, występuje również napięcie powierzchniowe, ciśnienie statyczne cieczy wywołane grawitacją oraz ciśnienie dynamiczne cieczy generowane przez przepływ stopionego materiału wewnątrz małego otworu. Spośród tych ciśnień, jedynie ciśnienie pary wodnej utrzymuje otwarcie małego otworu, podczas gdy pozostałe trzy siły dążą do jego zamknięcia. Aby utrzymać stabilność otworu klucza podczas procesu spawania, ciśnienie pary musi być wystarczające, aby pokonać inne opory i osiągnąć równowagę, utrzymując długoterminową stabilność otworu klucza. Dla uproszczenia, powszechnie uważa się, że siły działające na ściankę otworu klucza to głównie ciśnienie ablacji (ciśnienie odrzutu pary metalu) i napięcie powierzchniowe.
Niestabilność dziurki od klucza
Tło: Laser działa na powierzchnię materiałów, powodując odparowanie dużej ilości metalu. Ciśnienie odrzutu naciska w dół na jeziorko stopu, tworząc dziurki i plazmę, co powoduje wzrost głębokości topienia. Podczas procesu przesuwania, laser uderza w przednią ścianę dziurki, a miejsce, w którym laser styka się z materiałem, spowoduje silne parowanie materiału. Jednocześnie ścianka dziurki doświadczy utraty masy, a parowanie utworzy ciśnienie odrzutu, które będzie naciskać na ciekły metal, powodując, że wewnętrzna ścianka dziurki będzie opadać w dół i poruszać się wokół dna dziurki w kierunku tylnej części jeziorka stopu. Z powodu fluktuacji ciekłego jeziorka stopu od przedniej do tylnej ściany, objętość wewnątrz dziurki stale się zmienia. Ciśnienie wewnętrzne dziurki również ulega zmianie, co prowadzi do zmiany objętości rozpylanej plazmy. Zmiana objętości plazmy prowadzi do zmian w ekranowaniu, refrakcji i absorpcji energii lasera, co powoduje zmiany energii lasera docierającego do powierzchni materiału. Cały proces jest dynamiczny i okresowy, co ostatecznie prowadzi do piłokształtnego i falistego wtopienia metalu, bez gładkiego, równego wtopienia. Powyższy rysunek przedstawia przekrój poprzeczny środka spoiny, uzyskany poprzez cięcie wzdłużne równoległe do środka spoiny, a także pomiar w czasie rzeczywistym zmienności głębokości otworu klucza.IPG-LDD jako dowód.
Poprawa kierunku stabilności otworu na klucz
Podczas spawania laserowego z głębokim wtopieniem, stabilność małego otworu może być zapewniona jedynie poprzez dynamiczną równowagę różnych ciśnień wewnątrz otworu. Jednakże absorpcja energii lasera przez ściankę otworu i parowanie materiałów, wyrzucanie oparów metalu na zewnątrz małego otworu oraz ruch do przodu małego otworu i jeziorka stopionego metalu to procesy bardzo intensywne i szybkie. W pewnych warunkach procesu, w pewnych momentach podczas spawania, istnieje możliwość, że stabilność małego otworu może zostać zakłócona w niektórych obszarach, co prowadzi do wad spawalniczych. Najbardziej typowymi i powszechnymi są wady porowatości typu małych porów i odpryski spowodowane zapadnięciem się otworu kluczowego;
Jak więc ustabilizować dziurkę od klucza?
Fluktuacja płynu w dziurce od klucza jest stosunkowo złożona i obejmuje zbyt wiele czynników (pole temperatury, pole przepływu, pole sił, fizykę optoelektroniczną), które można po prostu podsumować w dwóch kategoriach: związek między napięciem powierzchniowym a ciśnieniem odrzutu par metalu; Ciśnienie odrzutu par metalu działa bezpośrednio na powstawanie dziurek od klucza, co jest ściśle związane z głębokością i objętością dziurek od klucza. Jednocześnie, jako jedyna poruszająca się ku górze substancja pary metalu w procesie spawania, jest również ściśle związana z występowaniem odprysków; napięcie powierzchniowe wpływa na przepływ jeziorka stopionego metalu;
Stabilność procesu spawania laserowego zależy zatem od utrzymania gradientu napięcia powierzchniowego w jeziorku stopionego metalu, bez nadmiernych fluktuacji. Napięcie powierzchniowe jest powiązane z rozkładem temperatury, a rozkład temperatury jest powiązany ze źródłem ciepła. Dlatego spawanie z wykorzystaniem kompozytowego źródła ciepła i spawanie wahadłowe stanowią potencjalne kierunki rozwoju technologicznego dla stabilnego procesu spawania.
Objętość oparów metalu i dziurki od klucza muszą uwzględniać efekt plazmy i rozmiar otworu dziurki od klucza. Im większy otwór, tym większy otwór i nieznaczne wahania w dolnym punkcie jeziorka stopu, które mają stosunkowo niewielki wpływ na całkowitą objętość dziurki od klucza i zmiany ciśnienia wewnętrznego. Tak więc laser o regulowanym trybie pierścieniowym (punkt pierścieniowy), rekombinacja łuku laserowego, modulacja częstotliwości itp. to kierunki, które można rozszerzyć.
Czas publikacji: 01-12-2023
