Образуването и развитието на ключалката:
Дефиниция на ключалката: Когато излъчването на радиация е по-голямо от 10 ^ 6 W/cm ^ 2, повърхността на материала се топи и изпарява под действието на лазера.Когато скоростта на изпарение е достатъчно голяма, генерираното налягане на отката на парата е достатъчно, за да преодолее повърхностното напрежение и течната гравитация на течния метал, като по този начин измества част от течния метал, което кара разтопения басейн в зоната на възбуждане да потъне и да образува малки ями ;Лъчът светлина директно действа върху дъното на малката яма, което кара метала да се стопи и газифицира.Парата под високо налягане продължава да принуждава течния метал на дъното на ямата да тече към периферията на разтопения басейн, като допълнително задълбочава малката дупка.Този процес продължава, като в крайна сметка се образува дупка, подобна на ключалка, в течния метал.Когато налягането на металните пари, генерирано от лазерния лъч в малката дупка, достигне равновесие с повърхностното напрежение и гравитацията на течния метал, малката дупка вече не се задълбочава и образува стабилна на дълбочина малка дупка, което се нарича „ефект на малка дупка“ .
Докато лазерният лъч се движи спрямо детайла, малкият отвор показва леко извита назад предна част и ясно наклонен обърнат триъгълник отзад.Предният ръб на малкия отвор е зоната на действие на лазера с висока температура и високо налягане на парите, докато температурата по задния ръб е относително ниска и налягането на парите е малко.При тази разлика в налягането и температурата разтопената течност тече около малкия отвор от предния към задния край, образувайки вихър в задния край на малкия отвор и накрая се втвърдява в задния ръб.Динамичното състояние на ключалката, получено чрез лазерна симулация и действително заваряване, е показано на фигурата по-горе, Морфологията на малките дупки и потока на околната разтопена течност по време на движение с различни скорости.
Поради наличието на малки отвори, енергията на лазерния лъч прониква във вътрешността на материала, образувайки този дълбок и тесен заваръчен шев.Типичната морфология на напречното сечение на заваръчния шев с лазерно дълбоко проникване е показана на горната фигура.Дълбочината на проникване на заваръчния шев е близка до дълбочината на ключалката (за да бъдем точни, металографският слой е 60-100um по-дълбок от ключалката, един по-малко течен слой).Колкото по-висока е плътността на лазерната енергия, толкова по-дълбок е малкият отвор и толкова по-голяма е дълбочината на проникване на заваръчния шев.При лазерно заваряване с висока мощност съотношението на максималната дълбочина към ширина на заваръчния шев може да достигне 12:1.
Анализ на усвояването налазерна енергиячрез ключалка
Преди образуването на малки дупки и плазма, енергията на лазера се предава главно към вътрешността на детайла чрез топлинна проводимост.Процесът на заваряване принадлежи към проводимото заваряване (с дълбочина на проникване по-малка от 0,5 mm), а степента на абсорбция на лазера от материала е между 25-45%.След като се образува дупката, енергията на лазера се абсорбира главно от вътрешността на детайла чрез ефекта на ключалката и процесът на заваряване се превръща в заваряване с дълбоко проникване (с дълбочина на проникване повече от 0,5 mm), степента на абсорбция може да достигне над 60-90%.
Ефектът на ключалката играе изключително важна роля за подобряване на абсорбцията на лазера по време на обработка като лазерно заваряване, рязане и пробиване.Лазерният лъч, влизащ в ключалката, се абсорбира почти напълно чрез множество отражения от стената на дупката.
Обикновено се смята, че механизмът за поглъщане на енергия на лазера вътре в ключалката включва два процеса: обратна абсорбция и френелова абсорбция.
Баланс на налягането вътре в ключалката
По време на лазерно заваряване с дълбоко проникване материалът претърпява силно изпаряване и налягането на разширение, генерирано от високотемпературна пара, изхвърля течния метал, образувайки малки дупки.В допълнение към налягането на парите и налягането на аблация (известно още като сила на реакция на изпаряване или налягане на отката) на материала, има също повърхностно напрежение, статично налягане на течността, причинено от гравитацията, и динамично налягане на течността, генерирано от потока на разтопен материал вътре в малка дупка.Сред тези налягания само налягането на парата поддържа отварянето на малкия отвор, докато другите три сили се стремят да затворят малкия отвор.За да се поддържа стабилността на ключалката по време на процеса на заваряване, налягането на парите трябва да е достатъчно, за да преодолее други съпротивления и да постигне равновесие, поддържайки дългосрочната стабилност на ключалката.За простота обикновено се смята, че силите, действащи върху стената на ключалката, са главно аблационно налягане (налягане на отката на метални пари) и повърхностно напрежение.
Нестабилност на Keyhole
Предистория: Лазерът действа върху повърхността на материалите, причинявайки изпаряване на голямо количество метал.Налягането на отката притиска разтопената вана, образувайки дупки и плазма, което води до увеличаване на дълбочината на топене.По време на процеса на движение лазерът удря предната стена на ключалката и позицията, в която лазерът контактува с материала, ще причини силно изпаряване на материала.В същото време стената на ключалката ще претърпи загуба на маса и изпарението ще образува обратен натиск, който ще притисне течния метал, карайки вътрешната стена на ключалката да се колебае надолу и да се движи около дъното на ключалката към задната част на разтопения басейн.Поради колебанията на течния разтопен басейн от предната стена към задната стена, обемът вътре в ключалката непрекъснато се променя. Вътрешното налягане на ключалката също се променя съответно, което води до промяна в обема на изпръсканата плазма. .Промяната в обема на плазмата води до промени в екранирането, пречупването и абсорбцията на лазерната енергия, което води до промени в енергията на лазера, достигаща повърхността на материала.Целият процес е динамичен и периодичен, което в крайна сметка води до проникване на метал с формата на зъб на трион и вълнообразно, и няма гладка заваръчна шев с еднакво проникване. Горната фигура е изглед на напречно сечение на центъра на заваръчния шев, получен чрез надлъжно рязане, успоредно на център на заваръчния шев, както и измерване в реално време на промяната на дълбочината на ключалката отIPG-LDD като доказателство.
Подобрете посоката на стабилност на ключалката
По време на лазерно заваряване с дълбоко проникване, стабилността на малкия отвор може да бъде осигурена само чрез динамичния баланс на различните налягания вътре в отвора.Въпреки това, поглъщането на лазерна енергия от стената на отвора и изпаряването на материалите, изхвърлянето на метални пари извън малкия отвор и движението напред на малкия отвор и разтопения басейн са много интензивни и бързи процеси.При определени условия на процеса, в определени моменти от процеса на заваряване, съществува възможност стабилността на малкия отвор да бъде нарушена в локални зони, което води до дефекти при заваряване.Най-типичните и често срещани са порьозни дефекти тип малки пори и пръски, причинени от срутване на ключалката;
И така, как да стабилизираме ключалката?
Флуктуацията на течността в ключалката е сравнително сложна и включва твърде много фактори (температурно поле, поле на потока, силово поле, оптоелектронна физика), които могат просто да бъдат обобщени в две категории: връзката между повърхностното напрежение и налягането на отката на металните пари;Налягането на отката на металните пари директно действа върху генерирането на дупки за ключове, което е тясно свързано с дълбочината и обема на дупките за ключове.В същото време, като единственото движещо се нагоре вещество от метални пари в процеса на заваряване, то също е тясно свързано с появата на пръски;Повърхностното напрежение влияе върху потока на разтопения басейн;
Толкова стабилният процес на лазерно заваряване зависи от поддържането на градиента на разпределение на повърхностното напрежение в разтопения басейн, без прекалено големи колебания.Повърхностното напрежение е свързано с разпределението на температурата, а разпределението на температурата е свързано с източника на топлина.Следователно композитният източник на топлина и люлеещото се заваряване са потенциални технически насоки за стабилен процес на заваряване;
Металните пари и обемът на ключалката трябва да обърнат внимание на плазмения ефект и размера на отвора на ключалката.Колкото по-голям е отворът, толкова по-голяма е ключалката и незначителните колебания в долната точка на басейна за стопилка, които имат относително малко въздействие върху общия обем на ключалката и промените във вътрешното налягане;Така че лазер с регулируем пръстен (пръстенообразно петно), рекомбинация на лазерна дъга, честотна модулация и т.н. са всички посоки, които могат да бъдат разширени.
Време на публикуване: 1 декември 2023 г
