Dannelse og udvikling af nøglehuller:
Nøglehulsdefinition: Når strålingsstrålingen er større end 10 ^ 6W/cm ^ 2, smelter materialets overflade og fordamper under påvirkning af laser. Når fordampningshastigheden er stor nok, er det genererede damprekyltryk tilstrækkeligt til at overvinde overfladespændingen og væsketyngden af det flydende metal, hvorved noget af det flydende metal forskydes, hvilket får den smeltede pool ved excitationszonen til at synke og danne små gruber ; Lysstrålen virker direkte på bunden af den lille pit, hvilket får metallet til at smelte yderligere og forgasses. Højtryksdamp fortsætter med at tvinge det flydende metal i bunden af brønden til at strømme mod periferien af den smeltede pool, hvilket yderligere uddyber det lille hul. Denne proces fortsætter og danner i sidste ende et nøglehulslignende hul i det flydende metal. Når metaldamptrykket genereret af laserstrålen i det lille hul når ligevægt med overfladespændingen og tyngdekraften af det flydende metal, bliver det lille hul ikke længere dybere og danner et dybdestabilt lille hul, som kaldes "småhulseffekten" .
Når laserstrålen bevæger sig i forhold til emnet, viser det lille hul en let bagudbuet front og en tydeligt skrå omvendt trekant bagtil. Forkanten af det lille hul er laserens aktionsområde, med høj temperatur og højt damptryk, mens temperaturen langs bagkanten er relativt lav, og damptrykket er lille. Under denne tryk- og temperaturforskel flyder den smeltede væske rundt i det lille hul fra forenden til bagenden og danner en hvirvel i bagenden af det lille hul og størkner til sidst i bagkanten. Den dynamiske tilstand af nøglehullet opnået gennem lasersimulering og faktisk svejsning er vist i ovenstående figur, Morfologien af små huller og strømmen af omgivende smeltet væske under kørsel ved forskellige hastigheder.
På grund af tilstedeværelsen af små huller trænger laserstråleenergien ind i materialets indre og danner denne dybe og smalle svejsesøm. Den typiske tværsnitsmorfologi af lasersvejsesømmen med dyb penetration er vist i ovenstående figur. Indtrængningsdybden af svejsesømmen er tæt på nøglehullets dybde (for at være præcis er det metallografiske lag 60-100um dybere end nøglehullet, et væskelag mindre). Jo højere laserenergitætheden er, jo dybere er det lille hul, og jo større indtrængningsdybde er svejsesømmen. Ved lasersvejsning med høj effekt kan det maksimale dybde-/breddeforhold for svejsesømmen nå 12:1.
Analyse af absorption aflaser energived nøglehul
Før dannelsen af små huller og plasma overføres laserens energi hovedsageligt til det indre af emnet gennem termisk ledning. Svejseprocessen hører til ledende svejsning (med en indtrængningsdybde på mindre end 0,5 mm), og materialets absorptionshastighed af laseren er mellem 25-45%. Når først nøglehullet er dannet, absorberes laserens energi hovedsageligt af det indre af emnet gennem nøglehulseffekten, og svejseprocessen bliver dyb penetrationssvejsning (med en penetrationsdybde på mere end 0,5 mm), Absorptionshastigheden kan nå over 60-90%.
Nøglehulseffekten spiller en ekstremt vigtig rolle i at forbedre absorptionen af laser under bearbejdning såsom lasersvejsning, skæring og boring. Laserstrålen, der kommer ind i nøglehullet, absorberes næsten fuldstændigt gennem flere refleksioner fra hulvæggen.
Det antages generelt, at laserens energiabsorptionsmekanisme inde i nøglehullet omfatter to processer: omvendt absorption og Fresnel-absorption.
Trykbalance inde i nøglehullet
Under laser dyb penetrationssvejsning gennemgår materialet kraftig fordampning, og ekspansionstrykket, der genereres af højtemperaturdamp, udstøder det flydende metal og danner små huller. Ud over materialets damptryk og ablationstryk (også kendt som fordampningsreaktionskraft eller rekyltryk) er der også overfladespænding, statisk væsketryk forårsaget af tyngdekraften og væskedynamisk tryk genereret af strømmen af smeltet materiale inde i materialet. lille hul. Blandt disse tryk er det kun damptryk, der opretholder åbningen af det lille hul, mens de tre andre kræfter stræber efter at lukke det lille hul. For at opretholde stabiliteten af nøglehullet under svejseprocessen, skal damptrykket være tilstrækkeligt til at overvinde anden modstand og opnå ligevægt, der opretholder den langsigtede stabilitet af nøglehullet. For nemheds skyld antages det generelt, at de kræfter, der virker på nøglehulsvæggen, hovedsageligt er ablationstryk (metaldamprekyltryk) og overfladespænding.
Nøglehuls ustabilitet
Baggrund: Laser virker på overfladen af materialer og får en stor mængde metal til at fordampe. Rekyltrykket presser ned på den smeltede pool og danner nøglehuller og plasma, hvilket resulterer i en stigning i smeltedybden. Under bevægelsesprocessen rammer laseren nøglehullets forvæg, og den position, hvor laseren kommer i kontakt med materialet, vil forårsage alvorlig fordampning af materialet. Samtidig vil nøglehulsvæggen opleve massetab, og fordampningen vil danne et rekyltryk, der vil presse ned på det flydende metal, hvilket får nøglehullets indervæg til at svinge nedad og bevæge sig rundt i bunden af nøglehullet mod bagsiden af den smeltede pool. På grund af fluktuationen af det flydende smeltede bassin fra forvæggen til bagvæggen ændres volumenet inde i nøglehullet konstant, Nøglehullets indre tryk ændres også tilsvarende, hvilket fører til en ændring i volumen af det udsprøjtede plasma . Ændringen i plasmavolumen fører til ændringer i afskærmning, brydning og absorption af laserenergi, hvilket resulterer i ændringer i laserens energi, der når materialets overflade. Hele processen er dynamisk og periodisk, hvilket i sidste ende resulterer i en savtandsformet og bølget metalgennemtrængning, og der er ingen jævn, lige penetrationssvejsning. Ovenstående figur er et tværsnitsbillede af midten af svejsningen opnået ved langsskæring parallelt med centrum af svejsningen, samt en realtidsmåling af nøglehulsdybdevariationen vedIPG-LDD som bevis.
Forbedre stabilitetsretningen af nøglehullet
Under laser dyb penetrationssvejsning kan stabiliteten af det lille hul kun sikres ved den dynamiske balance mellem forskellige tryk inde i hullet. Absorptionen af laserenergi af hulvæggen og fordampningen af materialer, udstødningen af metaldamp uden for det lille hul og fremadgående bevægelse af det lille hul og den smeltede pool er alle meget intense og hurtige processer. Under visse procesforhold, på bestemte tidspunkter under svejseprocessen, er der mulighed for, at stabiliteten af det lille hul kan blive forstyrret i lokale områder, hvilket fører til svejsefejl. De mest typiske og almindelige er porøsitetsdefekter af små porer og sprøjt forårsaget af nøglehulskollaps;
Så hvordan stabiliseres nøglehullet?
Nøglehulsvæskens udsving er relativt kompleks og involverer for mange faktorer (temperaturfelt, strømningsfelt, kraftfelt, optoelektronisk fysik), som ganske enkelt kan opsummeres i to kategorier: forholdet mellem overfladespænding og metaldamprekyltryk; Rekyltrykket af metaldamp virker direkte på genereringen af nøglehuller, hvilket er tæt forbundet med nøglehullernes dybde og volumen. På samme tid, som det eneste opadgående stof af metaldamp i svejseprocessen, er det også tæt forbundet med forekomsten af sprøjt; Overfladespænding påvirker strømmen af den smeltede pool;
Så en stabil lasersvejseproces afhænger af opretholdelse af fordelingsgradienten af overfladespændingen i smeltebadet uden for store udsving. Overfladespænding er relateret til temperaturfordeling, og temperaturfordeling er relateret til varmekilde. Derfor er komposit varmekilde og svingsvejsning potentielle tekniske retninger for stabil svejseproces;
Metaldampen og nøglehulsvolumenet skal være opmærksom på plasmaeffekten og størrelsen af nøglehulsåbningen. Jo større åbningen er, desto større er nøglehullet, og de ubetydelige udsving i smeltebassinets bundpunkt, som har en relativt lille indvirkning på det samlede nøglehulsvolumen og indre trykændringer; Så justerbar ringtilstand laser (ringformet plet), laserbuerekombination, frekvensmodulation osv. er alle retninger, der kan udvides.
Posttid: Dec-01-2023
