Dannelse og utvikling av nøkkelhull:
Nøkkelhullsdefinisjon: Når strålingsbestrålingen er større enn 10 ^ 6W/cm ^ 2, smelter overflaten av materialet og fordamper under påvirkning av laser. Når fordampningshastigheten er stor nok, er det genererte damprekyltrykket tilstrekkelig til å overvinne overflatespenningen og flytende tyngdekraften til det flytende metallet, og dermed fortrenge noe av det flytende metallet, noe som får det smeltede bassenget ved eksitasjonssonen til å synke og danne små groper ; Lysstrålen virker direkte på bunnen av den lille gropen, og får metallet til å smelte og gassere ytterligere. Høytrykksdamp fortsetter å tvinge det flytende metallet i bunnen av gropen til å strømme mot periferien av det smeltede bassenget, og utdyper det lille hullet ytterligere. Denne prosessen fortsetter, og danner til slutt et nøkkelhulllignende hull i det flytende metallet. Når metalldamptrykket som genereres av laserstrålen i det lille hullet når likevekt med overflatespenningen og tyngdekraften til det flytende metallet, blir det lille hullet ikke lenger dypere og danner et dybdestabilt lite hull, som kalles "småhullseffekten" .
Når laserstrålen beveger seg i forhold til arbeidsstykket, viser det lille hullet en lett bakoverbuet front og en tydelig skrånende omvendt trekant bak. Forkanten av det lille hullet er laserens aksjonsområde, med høy temperatur og høyt damptrykk, mens temperaturen langs bakkanten er relativt lav og damptrykket er lite. Under denne trykk- og temperaturforskjellen strømmer den smeltede væsken rundt det lille hullet fra forenden til bakenden, og danner en virvel i bakenden av det lille hullet, og størkner til slutt i bakkanten. Den dynamiske tilstanden til nøkkelhullet oppnådd gjennom lasersimulering og faktisk sveising er vist i figuren ovenfor, Morfologien til små hull og strømmen av omgivende smeltet væske under bevegelse ved forskjellige hastigheter.
På grunn av tilstedeværelsen av små hull trenger laserstråleenergien inn i det indre av materialet og danner denne dype og smale sveisesømmen. Den typiske tverrsnittsmorfologien til lasersveisesømmen med dyp penetrering er vist i figuren ovenfor. Inntrengningsdybden til sveisesømmen er nær dybden til nøkkelhullet (for å være nøyaktig er det metallografiske laget 60-100um dypere enn nøkkelhullet, ett væskelag mindre). Jo høyere laserenergitetthet, jo dypere er det lille hullet, og jo større inntrengningsdybde på sveisesømmen. Ved lasersveising med høy effekt kan det maksimale dybde/breddeforholdet til sveisesømmen nå 12:1.
Analyse av absorpsjon avlaser energived nøkkelhull
Før dannelsen av små hull og plasma, blir laserens energi hovedsakelig overført til det indre av arbeidsstykket gjennom termisk ledning. Sveiseprosessen hører til ledende sveising (med en penetrasjonsdybde på mindre enn 0,5 mm), og materialets absorpsjonshastighet for laseren er mellom 25-45%. Når nøkkelhullet er dannet, absorberes laserens energi hovedsakelig av det indre av arbeidsstykket gjennom nøkkelhulleffekten, og sveiseprosessen blir dyp penetrasjonssveising (med en penetrasjonsdybde på mer enn 0,5 mm), Absorpsjonshastigheten kan nå over 60-90%.
Nøkkelhullseffekten spiller en ekstremt viktig rolle i å forbedre absorpsjonen av laser under prosessering som lasersveising, skjæring og boring. Laserstrålen som kommer inn i nøkkelhullet absorberes nesten fullstendig gjennom flere refleksjoner fra hullveggen.
Det er generelt antatt at energiabsorpsjonsmekanismen til laser inne i nøkkelhullet inkluderer to prosesser: omvendt absorpsjon og Fresnel-absorpsjon.
Trykkbalanse inne i nøkkelhullet
Under lasersveising gjennomgår materialet kraftig fordamping, og ekspansjonstrykket som genereres av høytemperaturdamp driver ut det flytende metallet og danner små hull. I tillegg til damptrykket og ablasjonstrykket (også kjent som fordampningsreaksjonskraft eller rekyltrykk) til materialet, er det også overflatespenning, statisk væsketrykk forårsaket av tyngdekraften og væskedynamisk trykk generert av strømmen av smeltet materiale inne i materialet. lite hull. Blant disse trykkene er det kun damptrykk som opprettholder åpningen av det lille hullet, mens de tre andre kreftene prøver å lukke det lille hullet. For å opprettholde stabiliteten til nøkkelhullet under sveiseprosessen, må damptrykket være tilstrekkelig til å overvinne annen motstand og oppnå likevekt, og opprettholde den langsiktige stabiliteten til nøkkelhullet. For enkelhets skyld er det generelt antatt at kreftene som virker på nøkkelhullsveggen hovedsakelig er ablasjonstrykk (metalldamprekyltrykk) og overflatespenning.
Ustabilitet av nøkkelhull
Bakgrunn: Laser virker på overflaten av materialer, og får en stor mengde metall til å fordampe. Rekyltrykket presser ned på det smeltede bassenget, og danner nøkkelhull og plasma, noe som resulterer i en økning i smeltedybden. Under bevegelsesprosessen treffer laseren frontveggen på nøkkelhullet, og posisjonen der laseren kommer i kontakt med materialet vil forårsake kraftig fordampning av materialet. Samtidig vil nøkkelhullsveggen oppleve massetap, og fordampningen vil danne et rekyltrykk som vil presse ned på det flytende metallet, noe som får den indre veggen til nøkkelhullet til å fluktuere nedover og bevege seg rundt bunnen av nøkkelhullet mot baksiden av smeltebassenget. På grunn av fluktuasjonen av det flytende smeltede bassenget fra frontveggen til bakveggen, endres volumet inne i nøkkelhullet konstant. Det indre trykket i nøkkelhullet endres også tilsvarende, noe som fører til en endring i volumet av plasmaet som sprayes ut . Endringen i plasmavolum fører til endringer i skjerming, refraksjon og absorpsjon av laserenergi, noe som resulterer i endringer i energien til laseren som når materialoverflaten. Hele prosessen er dynamisk og periodisk, noe som til slutt resulterer i en sagtannformet og bølget metallinntrengning, og det er ingen jevn lik penetreringssveis. Figuren ovenfor er et tverrsnitt av midten av sveisen oppnådd ved langsgående skjæring parallelt med senter av sveisen, samt en sanntidsmåling av nøkkelhullets dybdevariasjon vedIPG-LDD som bevis.
Forbedre stabilitetsretningen til nøkkelhullet
Under lasersveising med dyp penetrering kan stabiliteten til det lille hullet kun sikres ved den dynamiske balansen mellom ulike trykk inne i hullet. Imidlertid er absorpsjon av laserenergi av hullveggen og fordampning av materialer, utstøting av metalldamp utenfor det lille hullet, og fremadgående bevegelse av det lille hullet og smeltet basseng alle veldig intense og raske prosesser. Under visse prosessforhold, i visse øyeblikk under sveiseprosessen, er det en mulighet for at stabiliteten til det lille hullet kan bli forstyrret i lokale områder, noe som fører til sveisefeil. De mest typiske og vanlige er porøsitetsdefekter med små porer og sprut forårsaket av nøkkelhullskollaps;
Så hvordan stabilisere nøkkelhullet?
Svingningen av nøkkelhullsvæske er relativt kompleks og involverer for mange faktorer (temperaturfelt, strømningsfelt, kraftfelt, optoelektronisk fysikk), som enkelt kan oppsummeres i to kategorier: forholdet mellom overflatespenning og metalldamprekyltrykk; Rekyltrykket til metalldamp virker direkte på genereringen av nøkkelhull, som er nært knyttet til dybden og volumet til nøkkelhullene. Samtidig, som det eneste oppadgående stoffet av metalldamp i sveiseprosessen, er det også nært knyttet til forekomsten av sprut; Overflatespenning påvirker flyten av smeltet basseng;
Så en stabil lasersveiseprosess avhenger av å opprettholde fordelingsgradienten av overflatespenning i smeltebassenget, uten for store svingninger. Overflatespenning er relatert til temperaturfordeling, og temperaturfordeling er relatert til varmekilde. Derfor er komposittvarmekilde og svingsveising potensielle tekniske retninger for stabil sveiseprosess;
Metalldampen og nøkkelhullvolumet må ta hensyn til plasmaeffekten og størrelsen på nøkkelhullåpningen. Jo større åpningen er, desto større er nøkkelhullet, og de ubetydelige svingningene i bunnpunktet av smeltebassenget, som har en relativt liten innvirkning på det totale nøkkelhullsvolumet og interne trykkendringer; Så justerbar ringmoduslaser (ringformet punkt), laserbuerekombinasjon, frekvensmodulasjon osv. er alle retninger som kan utvides.
Innleggstid: Des-01-2023
