A kulcslyukak kialakulása és fejlődése:
Kulcslyuk definíciója: Amikor a sugárzási besugárzás nagyobb, mint 10 ^ 6 W/cm ^ 2, az anyag felülete a lézer hatására megolvad és elpárolog. Amikor a párolgási sebesség elég nagy, a keletkező gőz visszarúgási nyomása elegendő ahhoz, hogy leküzdje a folyékony fém felületi feszültségét és folyadék gravitációját, ezáltal kiszorítva a folyékony fém egy részét, aminek következtében az olvadékmedence a gerjesztési zónában lesüllyed és kis gödrök képződnek. A fénysugár közvetlenül a kis gödör aljára hat, ami a fém további megolvadását és elgázosodását okozza. A nagynyomású gőz továbbra is arra kényszeríti a gödör alján lévő folyékony fémet, hogy az olvadékmedence kerülete felé áramoljon, tovább mélyítve a kis lyukat. Ez a folyamat folytatódik, végül egy kulcslyukszerű lyukat képezve a folyékony fémben. Amikor a lézersugár által a kis lyukban létrehozott fémgőznyomás egyensúlyba kerül a folyékony fém felületi feszültségével és gravitációjával, a kis lyuk már nem mélyül, és egy mélységben stabil kis lyukat képez, ezt nevezik „kis lyuk effektusnak”.
Ahogy a lézersugár a munkadarabhoz képest mozog, a kis lyuk eleje enyhén hátrafelé ívelt, hátul pedig egyértelműen ferde, fordított háromszög látható. A kis lyuk elülső széle a lézer hatásterülete, magas hőmérséklettel és magas gőznyomással, míg a hátsó él mentén a hőmérséklet viszonylag alacsony, a gőznyomás pedig kicsi. Ezen nyomás- és hőmérsékletkülönbség hatására az olvadt folyadék a kis lyuk körül áramlik az elülső végétől a hátsó végéig, örvényt képezve a kis lyuk hátsó végén, majd végül a hátsó szélén megszilárdul. A kulcslyuk lézerszimulációval és tényleges hegesztéssel kapott dinamikus állapota a fenti ábrán látható. A kis lyukak morfológiája és a környező olvadt folyadék áramlása különböző sebességű haladás közben.
A kis lyukak jelenléte miatt a lézersugár energiája behatol az anyag belsejébe, létrehozva ezt a mély és keskeny hegesztési varratot. A lézeres mély behatolású hegesztési varrat tipikus keresztmetszeti morfológiáját a fenti ábra mutatja. A hegesztési varrat behatolási mélysége közel van a kulcslyuk mélységéhez (pontosabban, a metallográfiai réteg 60-100 μm-mel mélyebb, mint a kulcslyuk, eggyel kevesebb folyékony réteggel). Minél nagyobb a lézerenergia-sűrűség, annál mélyebb a kis lyuk, és annál nagyobb a hegesztési varrat behatolási mélysége. Nagy teljesítményű lézerhegesztésnél a hegesztési varrat maximális mélység-szélesség aránya elérheti a 12:1-et.
Az abszorpció elemzéselézerenergiakulcslyukon keresztül
A kis lyukak és a plazma kialakulása előtt a lézer energiája főként hővezetés útján jut a munkadarab belsejébe. A hegesztési eljárás a konduktív hegesztéshez tartozik (0,5 mm-nél kisebb behatolási mélységgel), és a lézer anyagának abszorpciós sebessége 25-45% között van. A kulcslyuk kialakulása után a lézer energiáját főként a munkadarab belseje nyeli el a kulcslyukhatás révén, és a hegesztési eljárás mély behatolású hegesztéshez vezet (0,5 mm-nél nagyobb behatolási mélységgel). Az abszorpciós sebesség elérheti a 60-90%-ot.
A kulcslyukhatás rendkívül fontos szerepet játszik a lézersugár elnyelésének fokozásában olyan megmunkálási folyamatok során, mint a lézerhegesztés, vágás és fúrás. A kulcslyukba belépő lézersugár szinte teljesen elnyelődik a lyuk faláról visszaverődő többszörös visszaverődések révén.
Általános vélekedés szerint a lézer energiaelnyelési mechanizmusa a kulcslyukban két folyamatot foglal magában: a fordított abszorpciót és a Fresnel-abszorpciót.
Nyomásegyensúly a kulcslyukon belül
Lézeres mélyhegesztés során az anyag erős párolgáson megy keresztül, és a magas hőmérsékletű gőz által létrehozott tágulási nyomás kiszorítja a folyékony fémet, kis lyukakat képezve. Az anyag gőznyomása és ablációs nyomása (más néven párolgási reakcióerő vagy visszarúgási nyomás) mellett létezik felületi feszültség, a gravitáció által okozott folyadék statikus nyomása és a folyadék dinamikus nyomása is, amelyet az olvadt anyag áramlása hoz létre a kis lyukban. Ezen nyomások közül csak a gőznyomás tartja nyitva a kis lyukat, míg a másik három erő a kis lyuk bezárására törekszik. A kulcslyuk stabilitásának fenntartása érdekében a hegesztési folyamat során a gőznyomásnak elegendőnek kell lennie ahhoz, hogy leküzdje az egyéb ellenállásokat és elérje az egyensúlyt, fenntartva a kulcslyuk hosszú távú stabilitását. Az egyszerűség kedvéért általában úgy vélik, hogy a kulcslyuk falára ható erők főként az ablációs nyomás (fémmőz visszarúgási nyomása) és a felületi feszültség.
A kulcslyuk instabilitása
Háttér: A lézer az anyagok felületére hat, ami nagy mennyiségű fém elpárolgását okozza. A visszarúgás nyomása lenyomja az olvadékmedencét, kulcslyukakat és plazmát képezve, ami az olvadási mélység növekedését eredményezi. A mozgás során a lézer a kulcslyuk elülső falának ütközik, és az anyaggal való érintkezési pont az anyag jelentős párolgását okozza. Ugyanakkor a kulcslyuk fala tömegveszteséget szenved el, és a párolgás visszarúgás nyomást hoz létre, amely lenyomja a folyékony fémet, aminek következtében a kulcslyuk belső fala lefelé ingadozik, és a kulcslyuk alja körül az olvadékmedence hátsó része felé mozdul el. A folyékony olvadékmedence elülső faltól hátsó falig történő ingadozása miatt a kulcslyukban lévő térfogat folyamatosan változik. A kulcslyuk belső nyomása is ennek megfelelően változik, ami a kifröccsenő plazma térfogatának változásához vezet. A plazma térfogatának változása a lézerenergia árnyékolásának, fénytörésének és elnyelésének változásához vezet, ami az anyag felületét elérő lézer energiájának változását eredményezi. A teljes folyamat dinamikus és periodikus, ami végső soron fűrészfog alakú és hullámos fémbehatolást eredményez, és nincs egyenletes behatolású hegesztés. A fenti ábra a hegesztés középpontjának keresztmetszeti nézete, amelyet a hegesztés középpontjával párhuzamos hosszirányú vágással kaptak, valamint a kulcslyuk mélységváltozásának valós idejű mérése a következőképpen:IPG-LDD bizonyítékként.
Javítsa a kulcslyuk stabilitási irányát
Lézeres mélyhegesztés során a kis furat stabilitását csak a furat belsejében lévő különböző nyomások dinamikus egyensúlya biztosíthatja. A lézerenergia furatfal általi elnyelése és az anyagok párolgása, a fémgőz kilökődése a furaton kívülre, valamint a kis furat és az olvadékfürdő előrehaladása mind nagyon intenzív és gyors folyamatok. Bizonyos folyamatkörülmények között, a hegesztési folyamat bizonyos pillanataiban fennáll annak a lehetősége, hogy a kis furat stabilitása lokálisan felborul, ami hegesztési hibákhoz vezethet. A legtipikusabb és leggyakoribbak a kis pórusú porozitási hibák és a kulcslyuk-összeomlás okozta fröccsenés;
Szóval hogyan lehet stabilizálni a kulcslyukat?
A kulcslyukfolyadék ingadozása viszonylag összetett és túl sok tényezőt foglal magában (hőmérsékleti mező, áramlási mező, erőtér, optoelektronikai fizika), amelyeket egyszerűen két kategóriába lehet foglalni: a felületi feszültség és a fémgőz visszarúgási nyomása közötti kapcsolat; A fémgőz visszarúgási nyomása közvetlenül befolyásolja a kulcslyukak keletkezését, ami szorosan összefügg a kulcslyukak mélységével és térfogatával. Ugyanakkor, mivel a hegesztési folyamatban a fémgőz egyetlen felfelé mozgó anyaga, szorosan összefügg a fröccsenés előfordulásával is; A felületi feszültség befolyásolja az olvadékfürdő áramlását;
Tehát a stabil lézeres hegesztési eljárás attól függ, hogy az olvadékfürdőben a felületi feszültség eloszlási gradiense ne legyen túl nagy ingadozás. A felületi feszültség a hőmérséklet-eloszláshoz, a hőmérséklet-eloszlás pedig a hőforráshoz kapcsolódik. Ezért a kompozit hőforrás és a lengőhegesztés a stabil hegesztési eljárás lehetséges műszaki irányai;
A fémgőz és a kulcslyuk térfogatának meghatározásakor figyelembe kell venni a plazmahatást és a kulcslyuknyílás méretét. Minél nagyobb a nyílás, annál nagyobb a kulcslyuk, és az olvadékmedence alján lévő ingadozások elhanyagolhatók, ami viszonylag kis hatással van a kulcslyuk teljes térfogatára és a belső nyomásváltozásokra; Tehát az állítható gyűrűs módú lézer (gyűrűs pont), a lézerív rekombinációja, a frekvenciamoduláció stb. mind olyan irányok, amelyek bővíthetők.
Közzététel ideje: 2023. dec. 1.
