Lézeres anyagkölcsönhatás – Kulcslyuk effektus

A kulcslyukak kialakulása és fejlődése:

Kulcslyuk definíció: Ha a sugárzási besugárzás nagyobb, mint 10 ^ 6 W/cm ^ 2, az anyag felülete megolvad és elpárolog a lézer hatására. Ha a párolgási sebesség elég nagy, a keletkező gőz visszarúgási nyomása elegendő ahhoz, hogy legyőzze a folyékony fém felületi feszültségét és folyékony gravitációját, ezáltal a folyékony fém egy része kiszorul, és a gerjesztési zónában lévő olvadt medence lesüllyed és kis gödrök képződnek. ; A fénysugár közvetlenül a kis gödör aljára hat, aminek következtében a fém tovább olvad és elgázosodik. A nagynyomású gőz továbbra is arra kényszeríti a folyékony fémet a gödör alján, hogy az olvadt medence peremére áramoljon, tovább mélyítve a kis lyukat. Ez a folyamat folytatódik, és végül kulcslyukszerű lyukat képez a folyékony fémben. Amikor a kis lyukban a lézersugár által keltett fémgőznyomás egyensúlyba kerül a folyékony fém felületi feszültségével és gravitációjával, a kis lyuk már nem mélyül és mélységstabil kis lyukat képez, amit „kislyuk-effektusnak” nevezünk. .

Ahogy a lézersugár a munkadarabhoz képest elmozdul, a kis lyukon egy enyhén hátrafelé ívelt előlap látható, hátul pedig egy jól ferde, fordított háromszög. A kis lyuk elülső széle a lézer működési területe, magas hőmérséklettel és magas gőznyomással, míg a hátsó szél mentén viszonylag alacsony a hőmérséklet és kicsi a gőznyomás. Ennél a nyomás- és hőmérsékletkülönbségnél az olvadt folyadék a kis lyukon körbefolyik az elülső végétől a hátsó végéig, örvényt képezve a kis lyuk hátsó végén, végül a hátsó szélén megszilárdul. A lézeres szimulációval és tényleges hegesztéssel kapott kulcslyuk dinamikus állapotát a fenti ábra mutatja, A kis lyukak morfológiája és a környező olvadt folyadék áramlása a különböző sebességű utazás során.

A kis lyukak jelenléte miatt a lézersugár energiája behatol az anyag belsejébe, kialakítva ezt a mély és keskeny hegesztési varratot. A lézeres mélybehatolású hegesztési varrat jellegzetes keresztmetszeti morfológiája a fenti ábrán látható. A hegesztési varrat behatolási mélysége közel van a kulcslyuk mélységéhez (pontosabban a metallográfiai réteg 60-100 um-rel mélyebb, mint a kulcslyuk, eggyel kevesebb folyadékréteg). Minél nagyobb a lézer energiasűrűsége, annál mélyebb a kis lyuk, és annál nagyobb a hegesztési varrat behatolási mélysége. Nagy teljesítményű lézeres hegesztésnél a hegesztési varrat maximális mélységének és szélességének aránya elérheti a 12:1-et.

Felszívódásának elemzéselézer energiakulcslyukkal

Kis lyukak és plazma kialakulása előtt a lézer energiája főként a munkadarab belsejébe jut át ​​hővezetésen keresztül. A hegesztési eljárás a vezetőképes hegesztéshez tartozik (0,5 mm-nél kisebb behatolási mélységgel), és a lézer anyagának elnyelési aránya 25-45% között van. A kulcslyuk kialakulása után a lézer energiáját a kulcslyukhatáson keresztül főként a munkadarab belseje nyeli el, és a hegesztési folyamat mély behatolású hegesztéssé válik (0,5 mm-nél nagyobb behatolási mélységgel). Az abszorpciós sebesség elérheti 60-90% felett.

A kulcslyuk-effektus rendkívül fontos szerepet játszik a lézer abszorpciójának fokozásában olyan feldolgozások során, mint a lézeres hegesztés, vágás és fúrás. A kulcslyukon belépő lézersugár a lyuk faláról való többszöri visszaverődés révén szinte teljesen elnyelődik.

Általában úgy gondolják, hogy a kulcslyukon belüli lézer energiaelnyelő mechanizmusa két folyamatot foglal magában: fordított abszorpciót és Fresnel abszorpciót.

Nyomásegyensúly a kulcslyukon belül

A lézeres mélybehatolásos hegesztés során az anyag erős párologtatáson megy keresztül, és a magas hőmérsékletű gőz által keltett tágulási nyomás kis lyukakat képezve kilöki a folyékony fémet. Az anyag gőznyomásán és ablációs nyomásán (más néven párolgási reakcióerőn vagy visszarúgási nyomáson) kívül felületi feszültség, a gravitáció által okozott folyadék statikus nyomás, valamint az olvadt anyag áramlása által generált folyadékdinamikus nyomás is létezik az anyag belsejében. kis lyuk. Ezen nyomások közül csak a gőznyomás tartja fenn a kis lyuk nyílását, míg a másik három erő a kis lyuk bezárására törekszik. A kulcslyuk stabilitásának megőrzése érdekében a hegesztési folyamat során a gőznyomásnak elegendőnek kell lennie az egyéb ellenállások leküzdéséhez és az egyensúly eléréséhez, fenntartva a kulcslyuk hosszú távú stabilitását. Az egyszerűség kedvéért általában úgy gondolják, hogy a kulcslyuk falára ható erők főként az ablációs nyomás (a fémgőz visszarúgási nyomása) és a felületi feszültség.

A kulcslyuk instabilitása

Háttér: A lézer az anyagok felületén hat, és nagy mennyiségű fém elpárologását okozza. A visszarúgási nyomás lenyomja az olvadt medencét, kulcslyukakat és plazmát képezve, ami az olvadási mélység növekedését eredményezi. A mozgás során a lézer a kulcslyuk elülső falát érinti, és az a helyzet, ahol a lézer érintkezik az anyaggal, az anyag erős párolgását okozza. Ugyanakkor a kulcslyuk fala tömegveszteséget szenved, és a párolgás visszahúzó nyomást hoz létre, amely lenyomja a folyékony fémet, aminek következtében a kulcslyuk belső fala lefelé ingadozik, és a kulcslyuk alja körül mozog a folyékony fémre. hátul az olvadt medence. A folyékony olvadékmedence elülső faltól a hátsó falig történő ingadozása miatt a kulcslyukon belüli térfogat folyamatosan változik, ennek megfelelően változik a kulcslyuk belső nyomása is, ami a kipermetezett plazma térfogatának változásához vezet. . A plazmatérfogat változása az árnyékolásban, a fénytörésben és a lézerenergia abszorpciójában bekövetkező változásokhoz vezet, aminek következtében az anyag felületét elérő lézer energiája megváltozik. Az egész folyamat dinamikus és periodikus, ami végső soron fűrészfog alakú és hullámos fémbehatolást eredményez, és nincs sima, egyenlő behatolású varrat. A fenti ábra a varrat középpontjának keresztmetszeti képe, amelyet a varrattal párhuzamos hosszanti vágással kapunk. a hegesztési varrat középpontja, valamint a kulcslyuk mélységének valós idejű méréseIPG-LDD bizonyítékként.

Javítsa a kulcslyuk stabilitási irányát

A lézeres mélybehatolásos hegesztés során a kis lyuk stabilitását csak a furaton belüli különböző nyomások dinamikus egyensúlya tudja biztosítani. Azonban a lézerenergia elnyelése a lyuk falán és az anyagok elpárolgása, a fémgőz kis lyukon kívüli kilökődése, valamint a kis lyuk és az olvadt medence előremozgása mind nagyon intenzív és gyors folyamatok. Bizonyos folyamatkörülmények között, a hegesztési folyamat bizonyos pillanataiban fennáll annak a lehetősége, hogy a kis lyuk stabilitása a helyi területeken megsérül, ami hegesztési hibákhoz vezethet. A legjellemzőbb és leggyakrabban előforduló apró pórusos porozitási hibák és a kulcslyuk összeomlása okozta fröcskölés;

Tehát hogyan lehet stabilizálni a kulcslyukat?

A kulcslyuk-folyadék fluktuációja viszonylag összetett és túl sok tényezőt foglal magában (hőmérséklet tér, áramlási tér, erőtér, optoelektronikai fizika), ami egyszerűen két kategóriába sorolható: a felületi feszültség és a fémgőz visszarúgási nyomása közötti kapcsolat; A fémgőz visszarúgási nyomása közvetlenül hat a kulcslyukak keletkezésére, ami szorosan összefügg a kulcslyukak mélységével és térfogatával. Ugyanakkor, mint a fémgőz egyetlen felfelé mozgó anyaga a hegesztési folyamatban, szorosan összefügg a fröccsenés előfordulásával is; A felületi feszültség befolyásolja az olvadt medence áramlását;

Tehát a stabil lézeres hegesztési folyamat attól függ, hogy az olvadt medencében a felületi feszültség eloszlási gradiensét túl sok ingadozás nélkül fenntartjuk. A felületi feszültség a hőmérséklet-eloszlással, a hőmérséklet-eloszlás pedig a hőforrással függ össze. Ezért a kompozit hőforrás és a lengőhegesztés a stabil hegesztési folyamat lehetséges műszaki irányai;

A fémgőz és a kulcslyuk térfogatának figyelembe kell vennie a plazma hatást és a kulcslyuk nyílás méretét. Minél nagyobb a nyílás, annál nagyobb a kulcslyuk, és az elhanyagolható ingadozások az olvadékmedence alsó pontjában, amelyek viszonylag kis hatással vannak a kulcslyuk teljes térfogatára és a belső nyomásváltozásokra; Tehát az állítható gyűrűs módú lézer (gyűrűs spot), a lézerív rekombináció, a frekvencia moduláció stb. mind-mind bővíthető irányok.