Образуването и развитието на ключалките:
Дефиниция на ключалка: Когато радиационното облъчване е по-голямо от 10^6W/cm^2, повърхността на материала се топи и изпарява под действието на лазера. Когато скоростта на изпаряване е достатъчно голяма, генерираното налягане на отката на парите е достатъчно, за да преодолее повърхностното напрежение и течната гравитация на течния метал, като по този начин измества част от течния метал, което води до потъване на разтопения басейн в зоната на възбуждане и образуване на малки вдлъбнатини. Светлинният лъч действа директно върху дъното на малката вдлъбнатина, което води до допълнително топене и газифициране на метала. Парата под високо налягане продължава да принуждава течния метал на дъното на вдлъбнатината да тече към периферията на разтопения басейн, като допълнително задълбочава малкия отвор. Този процес продължава, като в крайна сметка се образува отвор, подобен на ключалка, в течния метал. Когато налягането на металните пари, генерирано от лазерния лъч в малкия отвор, достигне равновесие с повърхностното напрежение и гравитацията на течния метал, малкият отвор вече не се задълбочава и образува малък отвор със стабилна дълбочина, което се нарича „ефект на малката дупка“.
Докато лазерният лъч се движи спрямо детайла, малкият отвор показва леко назад извита 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 сравнително ниска, а 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 отвора, получено чрез лазерна симулация и реално заваряване, е показано на фигурата по-горе. Морфологията на малките отвори и потокът от заобикаляща ги 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 лазерния заваръчен шев с дълбоко проникване е показана на фигурата по-горе. Дълбочината на проникване на заваръчния шев е близка до дълбочината на ключалката (за да бъдем точни, металографският слой е с 60-100 μm по-дълбок от ключалката, с един течен слой по-малко). 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, максималното съотношение дълбочина към ширина на заваръчния шев може да достигне 12:1.
Анализ на абсорбцията налазерна енергияпрез ключалката
Преди образуването на малки отвори и плазма, енергията на лазера се предава главно във вътрешността на детайла чрез топлопроводимост. Процесът на заваряване принадлежи към кондуктивното заваряване (с дълбочина на проникване по-малка от 0,5 мм), а степента на поглъщане на лазера от материала е между 25-45%. След като се образува „ключовата дупка“, енергията на лазера се поглъща главно от вътрешността на детайла чрез ефекта на „ключовата дупка“, а процесът на заваряване става заваряване с дълбоко проникване (с дълбочина на проникване повече от 0,5 мм). Степента на поглъщане 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 многократни отражения от стената на отвора.
Общоприето е, че механизмът на абсорбция на енергия от 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, изтласква течния метал, образувайки малки отвори. В допълнение към налягането на парите и аблационното налягане (известно също като сила на реакция на изпарение или налягане на откат) на материала, има и повърхностно напрежение, статично налягане на течността, причинено от гравитацията, и динамично налягане на флуида, генерирано от потока на разтопен материал вътре в малкия отвор. Сред тези налягания само налягането на парата поддържа отвора на малкия отвор, докато другите три сили се стремят да го затворят. 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 опростяване, обикновено се смята, че силите, действащи върху стената на ключалката, са главно аблационно налягане (налягане на откат на металните пари) и повърхностно напрежение.
Нестабилност на ключалката
Предистория: Лазерът действа върху повърхността на материалите, причинявайки изпаряване на голямо количество метал. Налягането на отката притиска разтопената вана, образувайки ключалки и плазма, което води до увеличаване на дълбочината на топене. По време на процеса на движение, лазерът удря предната стена на ключалката и мястото, където лазерът докосва материала, ще причини силно изпарение на материала. В същото време стената на ключалката ще претърпи загуба на маса и изпарението ще образува налягане на отката, което ще притиска течния метал, карайки вътрешната стена на ключалката да се колебае надолу и да се движи около дъното на ключалката към задната част на разтопената вана. Поради колебанието на течната разтопена вана от предната към задната стена, обемът вътре в ключалката постоянно се променя. Вътрешното налягане в 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, достигаща до повърхността на материала от лазера. Целият процес е динамичен и периодичен, което в крайна сметка води до проникване на метала с форма на трион и вълнообразна форма, и няма гладък заваръчен шев с еднакво проникване. Фигурата по-горе е напречен изглед на центъра на заваръчния шев, получен чрез надлъжно рязане, успоредно на центъра на заваръчния шев, както и измерване в реално време на промяната в дълбочината на ключалката чрез...ИПГ-LDD като доказателство.
Подобрете посоката на стабилност на ключалката
По време на лазерно заваряване с дълбоко проникване, стабилността на малкия отвор може да се осигури само чрез динамичния баланс на различните налягания вътре в отвора. Абсорбцията 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 разтопената вана са много интензивни и бързи процеси. При определени условия на процеса, в определени моменти по време на заваръчния процес, съществува вероятност стабилността на малкия отвор да бъде нарушена в локални области, което да доведе до дефекти при заваряване. Най-типичните и често срещани са дефекти от типа на порьозност с малки пори и пръски, причинени от срутване на ключалките;
И така, как да стабилизираме ключалката?
Флуктуацията на флуида в заваръчния отвор е сравнително сложна и включва твърде много фактори (температурно поле, поле на потока, силово поле, оптоелектронна физика), които могат просто да се обобщят в две категории: връзката между повърхностното напрежение и налягането на отката на металните пари; налягането на отката на металните пари пряко влияе върху образуването на заваръчни отвори, което е тясно свързано с дълбочината и обема на заваръчните отвори. В същото време, като единственото движещо се нагоре вещество от метални пари в процеса на заваряване, то е тясно свързано и с появата на пръски; повърхностното напрежение влияе върху потока на разтопената вана;
Така че стабилният процес на лазерно заваряване зависи от поддържането на градиента на разпределение на повърхностното напрежение в разтопения разтвор, 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 заваряването с въртяща се връзка са потенциални технически насоки за стабилен процес на заваряване;
При определяне на обема на металните пари и отвора на ключалката е необходимо да се обърне внимание на плазмения ефект и размера на отвора на ключалката. Колкото по-голям е отворът, толкова по-голяма е ключалката и колебанията в долната точка на стопилката са незначителни, което има относително малко влияние върху общия обем на ключалката и промените във вътрешното налягане; следователно, регулируем лазер с пръстеновидно петно (пръстеновидно петно), рекомбинация на лазерна дъга, честотна модулация и др. са области, в които може да се разшири.
Време на публикуване: 01.12.2023 г.
