Lasermaterialeinteraktion – nøglehulseffekt

Dannelsen og udviklingen af ​​nøglehuller:

Nøglehulsdefinition: Når strålingsbestrålingen er større end 10^6W/cm^2, smelter og fordamper materialets overflade under laserens påvirkning. Når fordampningshastigheden er stor nok, er det genererede damprekyltryk tilstrækkeligt til at overvinde overfladespændingen og den flydende tyngdekraft af det flydende metal, hvorved noget af det flydende metal fortrænges, hvilket får smeltebadet i excitationszonen til at synke og danne små huller. Lysstrålen virker direkte på bunden af ​​det lille hul, hvilket får metallet til at smelte og forgasse yderligere. Højtryksdamp fortsætter med at tvinge det flydende metal i bunden af ​​hullet til at strømme mod periferien af ​​smeltebadet, 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, uddyber det lille hul sig ikke længere og danner et dybdestabilt lille hul, hvilket kaldes "lillehulseffekten".

Når laserstrålen bevæger sig i forhold til emnet, viser det lille hul en let bagud buet forside og en tydeligt skrånende 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 strømmer den smeltede væske rundt om det lille hul fra forenden til bagenden, danner en hvirvel i bagenden af ​​det lille hul og størkner til sidst ved bagkanten. Nøglehullets dynamiske tilstand, der opnås gennem lasersimulering og faktisk svejsning, er vist i ovenstående figur. Morfologien af ​​små huller og strømmen af ​​omgivende smeltet væske under bevægelse 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 for laserdybpenetrationssvejsesømmen er vist i figuren ovenfor. Svejsesømmens indtrængningsdybde er tæt på nøglehullets dybde (for at være præcis er det metallografiske lag 60-100 µm dybere end nøglehullet, et væskelag mindre). Jo højere laserenergitætheden er, desto dybere er det lille hul, og desto større er svejsesømmens indtrængningsdybde. Ved højeffektlasersvejsning kan det maksimale forhold mellem dybde og bredde af svejsesømmen nå 12:1.

Analyse af absorption aflaserenergived nøglehul

Før dannelsen af ​​små huller og plasma overføres laserens energi primært til emnets indre via termisk ledning. Svejseprocessen tilhører konduktiv svejsning (med en indtrængningsdybde på mindre end 0,5 mm), og materialets absorptionshastighed for laseren er mellem 25-45%. Når nøglehullet er dannet, absorberes laserens energi primært af emnets indre gennem nøglehulseffekten, og svejseprocessen bliver til dybpenetrationssvejsning (med en indtrængningsdybde 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 energiabsorptionsmekanismen for laser inde i nøglehullet omfatter to processer: omvendt absorption og Fresnel-absorption.

Trykbalance inde i nøglehullet

Under laserdybpenetrationssvejsning undergår materialet kraftig fordampning, og ekspansionstrykket, der genereres af højtemperaturdamp, presser det flydende metal ud 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 det lille hul. Blandt disse tryk er det kun damptrykket, der opretholder åbningen af ​​det lille hul, mens de andre tre kræfter stræber efter at lukke det lille hul. For at opretholde nøglehullets stabilitet under svejseprocessen skal damptrykket være tilstrækkeligt til at overvinde anden modstand og opnå ligevægt, hvilket opretholder nøglehullets langsigtede stabilitet. For enkelhedens skyld antages det generelt, at de kræfter, der virker på nøglehullets væg, primært er ablationstryk (metaldamprekyltryk) og overfladespænding.

Instabilitet af nøglehullet

Baggrund: Laser virker på materialers overflade og får en stor mængde metal til at fordampe. Rekyltrykket presser ned på smeltebadet og danner nøglehuller og plasma, hvilket resulterer i en øget smeltedybde. Under bevægelsesprocessen rammer laseren nøglehullets forvæg, og den position, hvor laseren berører materialet, vil forårsage kraftig fordampning af materialet. Samtidig vil nøglehullets væg opleve massetab, og fordampningen vil danne et rekyltryk, der vil presse ned på det flydende metal, hvilket får nøglehullets indre væg til at svinge nedad og bevæge sig rundt om bunden af ​​nøglehullet mod bagsiden af ​​smeltebadet. På grund af svingningen i det flydende smeltebad fra forvæggen til bagvæggen ændrer volumenet inde i nøglehullet sig konstant. Det indre tryk i nøglehullet ændrer sig også tilsvarende, hvilket fører til en ændring i volumenet af det plasma, der sprøjtes ud. Ændringen i plasmavolumen fører til ændringer i afskærmning, brydning og absorption af laserenergi, hvilket resulterer i ændringer i den energi, laseren når materialeoverfladen. Hele processen er dynamisk og periodisk, hvilket i sidste ende resulterer i en savtakformet og bølget metalpenetration, og der er ingen jævn, lige penetrationssvejsning. Ovenstående figur er et tværsnit af svejsningens centrum opnået ved langsgående skæring parallelt med svejsningens centrum, samt en realtidsmåling af variationen i nøglehullets dybde vedIPG-LDD som bevis.

Forbedrer stabiliteten i nøglehullets retning

Under laserdybpenetrationssvejsning kan stabiliteten af ​​det lille hul kun sikres ved den dynamiske balance af forskellige tryk inde i hullet. Imidlertid er absorptionen af ​​laserenergi fra hulvæggen og fordampningen af ​​materialer, udstødningen af ​​metaldamp uden for det lille hul og den fremadgående bevægelse af det lille hul og smeltebadet alle meget intense og hurtige processer. Under visse procesforhold er der på bestemte tidspunkter under svejseprocessen en mulighed for, at stabiliteten af ​​det lille hul kan forstyrres lokale steder, hvilket fører til svejsefejl. De mest typiske og almindelige er porøsitetsfejl af typen små porer og sprøjt forårsaget af nøglehulskollaps;

Så hvordan stabiliserer man nøglehullet?

Fluktuationen i nøglehulsvæsken er relativt kompleks og involverer for mange faktorer (temperaturfelt, strømningsfelt, kraftfelt, optoelektronisk fysik), som simpelthen kan opsummeres i to kategorier: forholdet mellem overfladespænding og metaldampens rekyltryk; Metaldampens rekyltryk påvirker direkte dannelsen af ​​nøglehuller, hvilket er tæt forbundet med nøglehullernes dybde og volumen. Samtidig er det, som det eneste opadgående stof af metaldamp i svejseprocessen, også tæt forbundet med forekomsten af ​​sprøjt; Overfladespænding påvirker strømningen af ​​smeltebadet;

Så en stabil lasersvejseproces afhænger af at opretholde fordelingsgradienten af ​​overfladespændingen i smeltebadet uden for store udsving. Overfladespænding er relateret til temperaturfordeling, og temperaturfordeling er relateret til varmekilden. Derfor er kompositvarmekilder og svingningssvejsning potentielle tekniske retninger for en stabil svejseproces;

Metaldampen og nøglehulsvolumenet skal være opmærksomme på plasmaeffekten og størrelsen af ​​nøglehulsåbningen. Jo større åbningen er, desto større er nøglehullet, og de ubetydelige udsving i smeltebassinets bundpunkt har en relativt lille indflydelse på det samlede nøglehulsvolumen og de indre trykændringer. Så justerbar ringtilstandslaser (ringformet plet), laserbuerekombination, frekvensmodulation osv. er alle retninger, der kan udvides.