Bildandet och utvecklingen av nyckelhål:
Nyckelhålsdefinition: När strålningsinstrålningen är större än 10 ^ 6W/cm ^ 2 smälter materialets yta och förångas under inverkan av laser. När förångningshastigheten är tillräckligt stor är det genererade ångrekyltrycket tillräckligt för att övervinna ytspänningen och vätsketyngdkraften hos den flytande metallen, och därigenom förskjuta en del av den flytande metallen, vilket får den smälta poolen vid excitationszonen att sjunka och bilda små gropar ; Ljusstrålen verkar direkt på botten av den lilla gropen, vilket gör att metallen smälter ytterligare och förgasas. Högtrycksånga fortsätter att tvinga den flytande metallen i botten av gropen att strömma mot den smälta poolens periferi, vilket ytterligare fördjupar det lilla hålet. Denna process fortsätter och bildar slutligen ett nyckelhålsliknande hål i den flytande metallen. När metallångtrycket som genereras av laserstrålen i det lilla hålet når jämvikt med ytspänningen och tyngdkraften hos den flytande metallen, blir det lilla hålet inte längre djupare och bildar ett djupstabilt litet hål, som kallas "småhålseffekten" .
När laserstrålen rör sig i förhållande till arbetsstycket visar det lilla hålet en lätt bakåtböjd front och en tydligt lutande inverterad triangel på baksidan. Framkanten av det lilla hålet är laserns aktionsområde, med hög temperatur och högt ångtryck, medan temperaturen längs bakkanten är relativt låg och ångtrycket är litet. Under denna tryck- och temperaturskillnad strömmar den smälta vätskan runt det lilla hålet från den främre änden till den bakre änden, bildar en virvel vid den bakre änden av det lilla hålet och stelnar slutligen i den bakre kanten. Det dynamiska tillståndet för nyckelhålet som erhålls genom lasersimulering och faktisk svetsning visas i ovanstående figur, Morfologin för små hål och flödet av omgivande smält vätska under färd med olika hastigheter.
På grund av närvaron av små hål tränger laserstråleenergin in i materialets inre och bildar denna djupa och smala svetssöm. Den typiska tvärsnittsmorfologin för lasersvetssömmen med djup penetration visas i ovanstående figur. Svetssömmens inträngningsdjup är nära nyckelhålets djup (för att vara exakt är det metallografiska skiktet 60-100um djupare än nyckelhålet, ett vätskeskikt mindre). Ju högre laserenergitäthet, desto djupare är det lilla hålet och desto större inträngningsdjup för svetsfogen. Vid lasersvetsning med hög effekt kan det maximala förhållandet mellan djup och bredd för svetsfogen nå 12:1.
Analys av absorption avlaserenergigenom nyckelhål
Före bildandet av små hål och plasma överförs laserns energi huvudsakligen till det inre av arbetsstycket genom värmeledning. Svetsprocessen hör till ledande svetsning (med ett penetrationsdjup på mindre än 0,5 mm), och materialets absorptionshastighet för lasern är mellan 25-45%. När nyckelhålet har bildats absorberas laserns energi huvudsakligen av det inre av arbetsstycket genom nyckelhålseffekten, och svetsprocessen blir djup penetrationssvetsning (med ett penetrationsdjup på mer än 0,5 mm), absorptionshastigheten kan nå över 60-90%.
Nyckelhålseffekten spelar en extremt viktig roll för att förbättra absorptionen av laser under bearbetning som lasersvetsning, skärning och borrning. Laserstrålen som kommer in i nyckelhålet absorberas nästan helt genom flera reflektioner från hålväggen.
Det anses allmänt att laserns energiabsorptionsmekanism inuti nyckelhålet innefattar två processer: omvänd absorption och Fresnel-absorption.
Tryckbalans inne i nyckelhålet
Under lasersvetsning genomgår materialet kraftig förångning, och expansionstrycket som genereras av högtemperaturånga driver ut den flytande metallen och bildar små hål. Förutom ångtrycket och ablationstrycket (även känd som förångningsreaktionskraft eller rekyltryck) hos materialet finns det också ytspänning, statiskt vätsketryck orsakat av gravitation och vätskedynamiskt tryck som genereras av flödet av smält material inuti litet hål. Bland dessa tryck upprätthåller endast ångtryck öppningen av det lilla hålet, medan de andra tre krafterna strävar efter att stänga det lilla hålet. För att upprätthålla stabiliteten hos nyckelhålet under svetsprocessen måste ångtrycket vara tillräckligt för att övervinna annat motstånd och uppnå jämvikt, vilket bibehåller nyckelhålets långsiktiga stabilitet. För enkelhetens skull tror man allmänt att krafterna som verkar på nyckelhålets vägg huvudsakligen är ablationstryck (metallångrekyltryck) och ytspänning.
Instabilitet hos nyckelhålet
Bakgrund: Laser verkar på ytan av material, vilket gör att en stor mängd metall avdunstar. Rekyltrycket pressar ner den smälta poolen och bildar nyckelhål och plasma, vilket resulterar i ett ökat smältdjup. Under förflyttningsprocessen träffar lasern nyckelhålets främre vägg och positionen där lasern kommer i kontakt med materialet kommer att orsaka kraftig avdunstning av materialet. Samtidigt kommer nyckelhålsväggen att uppleva massförlust, och avdunstningen kommer att bilda ett rekyltryck som pressar ner den flytande metallen, vilket gör att nyckelhålets innervägg fluktuerar nedåt och rör sig runt botten av nyckelhålet mot baksidan av den smälta poolen. På grund av fluktuationen av den flytande smälta poolen från den främre väggen till den bakre väggen förändras volymen inuti nyckelhålet ständigt. Det inre trycket i nyckelhålet ändras också i enlighet med detta, vilket leder till en förändring i volymen av plasman som sprutas ut . Förändringen i plasmavolym leder till förändringar i avskärmning, refraktion och absorption av laserenergi, vilket resulterar i förändringar i laserns energi som når materialytan. Hela processen är dynamisk och periodisk, vilket slutligen resulterar i en sågtandsformad och vågig metallgenomträngning, och det finns ingen jämn jämn penetrationssvets. Ovanstående figur är en tvärsnittsvy av mitten av svetsen erhållen genom längsgående skärning parallellt med svetsen. mitten av svetsen, samt en realtidsmätning av nyckelhålets djupvariation medIPG-LDD som bevis.
Förbättra stabilitetsriktningen för nyckelhålet
Under laserdjupsvetsning kan stabiliteten hos det lilla hålet endast säkerställas genom den dynamiska balansen mellan olika tryck inuti hålet. Emellertid är absorptionen av laserenergi av hålväggen och förångningen av material, utstötningen av metallånga utanför det lilla hålet och framåtrörelsen av det lilla hålet och den smälta poolen alla mycket intensiva och snabba processer. Under vissa processförhållanden, vid vissa tillfällen under svetsprocessen, finns det en möjlighet att stabiliteten i det lilla hålet kan störas i lokala områden, vilket leder till svetsfel. De mest typiska och vanliga är porositetsdefekter av små porer och stänk orsakade av nyckelhålskollaps;
Så hur stabiliserar man nyckelhålet?
Fluktuationen av nyckelhålsvätska är relativt komplex och involverar för många faktorer (temperaturfält, flödesfält, kraftfält, optoelektronisk fysik), vilket enkelt kan sammanfattas i två kategorier: förhållandet mellan ytspänning och metallångrekyltryck; Rekyltrycket av metallånga verkar direkt på genereringen av nyckelhål, vilket är nära relaterat till nyckelhålens djup och volym. Samtidigt, som det enda uppåtgående ämnet av metallånga i svetsprocessen, är det också nära relaterat till förekomsten av stänk; Ytspänningen påverkar flödet av den smälta poolen;
Så en stabil lasersvetsprocess beror på att fördelningsgradienten för ytspänningen i den smälta poolen bibehålls utan alltför stora fluktuationer. Ytspänningen är relaterad till temperaturfördelningen och temperaturfördelningen är relaterad till värmekällan. Därför är kompositvärmekälla och svängsvetsning potentiella tekniska riktningar för stabil svetsprocess;
Metallångan och nyckelhålsvolymen måste vara uppmärksam på plasmaeffekten och storleken på nyckelhålsöppningen. Ju större öppning, desto större nyckelhål, och de försumbara fluktuationerna i bottenpunkten av smältbassängen, som har en relativt liten inverkan på nyckelhålets totala volym och inre tryckförändringar; Så justerbar ringlägeslaser (ringformig punkt), laserbågrekombination, frekvensmodulering, etc. är alla riktningar som kan expanderas.
Posttid: Dec-01-2023
