Dannelsen og utviklingen av nøkkelhull:
Definisjon av nøkkelhull: Når strålingsinnstrålingen er større enn 10^6W/cm^2, smelter og fordamper materialets overflate under laserens påvirkning. Når fordampningshastigheten er stor nok, er det genererte damprekyltrykket tilstrekkelig til å overvinne overflatespenningen og tyngdekraften til det flytende metallet, og dermed fortrenge noe av det flytende metallet, noe som fører til at smeltedammen i eksitasjonssonen synker og danner små groper. Lysstrålen virker direkte på bunnen av den lille gropen, noe som får metallet til å smelte og forgasses ytterligere. Høytrykksdamp fortsetter å tvinge det flytende metallet i bunnen av gropen til å strømme mot periferien av smeltedammen, noe som ytterligere utdyper det lille hullet. Denne prosessen fortsetter og danner til slutt et nøkkelhulllignende hull i det flytende metallet. Når metalldamptrykket generert av laserstrålen i det lille hullet når likevekt med overflatespenningen og tyngdekraften til det flytende metallet, blir ikke lenger det lille hullet dypere og danner et dybdestabilt lite hull, som kalles "småhullseffekten".
Når laserstrålen beveger seg i forhold til arbeidsstykket, viser det lille hullet en svakt bakoverbuet front og en tydelig skråstilt invertert trekant bak. Forkanten av det lille hullet er laserens virkningsområde, 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 omkringliggende smeltet væske under bevegelse med forskjellige hastigheter.
På grunn av tilstedeværelsen av små hull trenger laserstråleenergien inn i materialets indre og danner denne dype og smale sveisesømmen. Den typiske tverrsnittsmorfologien til laserdyppenetrasjonssveisesømmen er vist i figuren ovenfor. Sveisesømmens penetrasjonsdybde er nær dybden til nøkkelhullet (for å være presis er det metallografiske laget 60–100 µm dypere enn nøkkelhullet, ett væskelag mindre). Jo høyere laserenergitetthet, desto dypere er det lille hullet, og desto større er sveisesømmens penetrasjonsdybde. Ved høyeffektslasersveising kan det maksimale forholdet mellom dybde og bredde på sveisesømmen nå 12:1.
Analyse av absorpsjon avlaserenergived nøkkelhullet
Før dannelsen av små hull og plasma overføres laserens energi hovedsakelig til arbeidsstykkets indre gjennom termisk ledning. Sveiseprosessen tilhører konduktiv 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 arbeidsstykkets indre gjennom nøkkelhullseffekten, 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 antas generelt at energiabsorpsjonsmekanismen til laser inne i nøkkelhullet inkluderer to prosesser: omvendt absorpsjon og Fresnel-absorpsjon.
Trykkbalanse inne i nøkkelhullet
Under laserdyppenetrasjonssveising gjennomgår materialet kraftig fordampning, og ekspansjonstrykket som genereres av høytemperaturdamp presser ut det flytende metallet og danner små hull. I tillegg til damptrykket og ablasjonstrykket (også kjent som fordampningsreaksjonskraft eller rekyltrykk) i materialet, finnes det også overflatespenning, statisk væsketrykk forårsaket av tyngdekraften og fluiddynamisk trykk generert av strømmen av smeltet materiale inne i det lille hullet. Blant disse trykkene er det bare damptrykket som opprettholder åpningen av det lille hullet, mens de tre andre kreftene streber etter 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, slik at nøkkelhullets langsiktige stabilitet opprettholdes. For enkelhets skyld antas det generelt at kreftene som virker på nøkkelhullsveggen hovedsakelig er ablasjonstrykk (metalldamprekyltrykk) og overflatespenning.
Instabilitet av nøkkelhullet
Bakgrunn: Laser virker på materialoverflaten og forårsaker at en stor mengde metall fordamper. Rekyltrykket presser ned på smeltebadet og danner nøkkelhull og plasma, noe som resulterer i en økning i smeltedybden. Under bevegelsesprosessen treffer laseren frontveggen av nøkkelhullet, og posisjonen der laseren berører materialet vil forårsake kraftig fordampning av materialet. Samtidig vil nøkkelhullveggen oppleve massetap, og fordampningen vil danne et rekyltrykk som vil presse ned på det flytende metallet, noe som får den indre veggen av nøkkelhullet til å svinge nedover og bevege seg rundt bunnen av nøkkelhullet mot baksiden av smeltebadet. På grunn av svingningen i det flytende smeltebadet fra frontveggen til bakveggen, endres volumet inne i nøkkelhullet stadig. Det indre trykket i nøkkelhullet endres også tilsvarende, noe som fører til en endring i volumet av plasmaet som sprøytes 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 metallpenetrasjon, og det er ingen jevn, lik penetrasjonssveis. Figuren ovenfor er et tverrsnitt av sentrum av sveisen oppnådd ved langsgående skjæring parallelt med sentrum av sveisen, samt en sanntidsmåling av variasjonen i nøkkelhulldybden vedIPG-LDD som bevis.
Forbedre stabiliteten i nøkkelhullets retning
Under laserdyppenetrasjonssveising kan stabiliteten til det lille hullet bare sikres av den dynamiske balansen mellom ulike trykk inne i hullet. Imidlertid er absorpsjonen av laserenergi av hullveggen og fordampningen av materialer, utstøtingen av metalldamp utenfor det lille hullet, og den fremovergående bevegelsen av det lille hullet og smeltebadet alle svært intense og raske prosesser. Under visse prosessforhold, på visse tidspunkter under sveiseprosessen, er det en mulighet for at stabiliteten til det lille hullet kan forstyrres i lokale områder, noe som fører til sveisefeil. De mest typiske og vanlige er porøsitetsdefekter av liten poretype og sprut forårsaket av nøkkelhullkollaps;
Så hvordan stabilisere nøkkelhullet?
Fluktuasjonen i nøkkelhullsvæsken er relativt kompleks og involverer mange faktorer (temperaturfelt, strømningsfelt, kraftfelt, optoelektronisk fysikk), som enkelt kan oppsummeres i to kategorier: forholdet mellom overflatespenning og rekyltrykket til metalldampen; rekyltrykket til metalldampen virker direkte på genereringen av nøkkelhullene, som er nært knyttet til dybden og volumet av nøkkelhullene. Samtidig, som den eneste oppovergående substansen av metalldamp i sveiseprosessen, er den også nært knyttet til forekomsten av sprut; Overflatespenningen påvirker strømningen av smeltebadet;
Så en stabil lasersveiseprosess avhenger av å opprettholde fordelingsgradienten for overflatespenningen i smeltebadet, uten for mye fluktuasjon. Overflatespenning er relatert til temperaturfordeling, og temperaturfordeling er relatert til varmekilden. Derfor er komposittvarmekilde og svingveising potensielle tekniske retninger for en stabil sveiseprosess;
Metalldampen og nøkkelhullsvolumet må tas hensyn til plasmaeffekten og størrelsen på nøkkelhullsåpningen. Jo større åpningen er, desto større er nøkkelhullet, og de ubetydelige svingningene i bunnpunktet av smeltebassenget har en relativt liten innvirkning på det totale nøkkelhullsvolumet og interne trykkendringer. Så justerbar ringmoduslaser (ringformet punkt), laserbuerekombinasjon, frekvensmodulasjon, etc. er alle retninger som kan utvides.
Publisert: 01. des. 2023
