Bildandet och utvecklingen av nyckelhål:
Nyckelhålsdefinition: När strålningsinstrålningen är större än 10^6W/cm^2 smälter och avdunstar materialets yta under laserns inverkan. När avdunstningshastigheten är tillräckligt stor är det genererade ångrekyltrycket tillräckligt för att övervinna ytspänningen och den flytande metallens tyngdkraft, varigenom en del av den flytande metallen förskjuts, vilket gör att den smälta pölen i excitationszonen sjunker och bildar små gropar. Ljusstrålen verkar direkt på botten av den lilla gropen, vilket gör att metallen smälter och förgasas ytterligare. Högtrycksånga fortsätter att tvinga den flytande metallen i botten av gropen att strömma mot den smälta pölens 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 den flytande metallens tyngdkraft, fördjupas det lilla hålet inte längre och bildar ett djupstabilt litet hål, vilket kallas "småhålseffekten".
När laserstrålen rör sig i förhållande till arbetsstycket visar det lilla hålet en något bakåtböjd framsida och en tydligt lutande inverterad triangel baktill. Det lilla hålets framkant är laserns verkningsområde, med hög temperatur och högt ångtryck, medan temperaturen längs bakkanten är relativt låg och ångtrycket är litet. Under denna tryck- och temperaturskillnad flödar den smälta vätskan runt det lilla hålet från den främre änden till den bakre änden, och bildar en virvel vid den bakre änden av det lilla hålet, och stelnar slutligen vid den bakre kanten. Det dynamiska tillståndet hos nyckelhålet som erhållits genom lasersimulering och faktisk svetsning visas i figuren ovan, Morfologin hos små hål och flödet av omgivande smält vätska under förflyttning vid olika hastigheter.
På grund av närvaron av små hål penetrerar laserstrålens energi in i materialets inre och bildar denna djupa och smala svetsfog. Den typiska tvärsnittsmorfologin för laserdjupsvetsfogen visas i figuren ovan. Svetsfogens penetrationsdjup ligger nära nyckelhålets djup (för att vara exakt är det metallografiska lagret 60-100 µm djupare än nyckelhålet, ett vätskelager mindre). Ju högre laserenergitätheten är, desto djupare är det lilla hålet och desto större är svetsfogens penetrationsdjup. Vid högeffektslasersvetsning kan det maximala förhållandet mellan djup och bredd för svetsfogen nå 12:1.
Analys av absorption avlaserenergimed nyckelhål
Innan små hål och plasma bildas överförs laserns energi huvudsakligen till arbetsstyckets inre genom värmeledning. Svetsprocessen tillhör konduktiv svetsning (med ett penetrationsdjup på mindre än 0,5 mm), och materialets absorptionshastighet för lasern ligger mellan 25-45%. När nyckelhålet har bildats absorberas laserns energi huvudsakligen av arbetsstyckets inre genom nyckelhålseffekten, och svetsprocessen övergår till djupsvetsning (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 multipla reflektioner från hålväggen.
Det anses allmänt att energiabsorptionsmekanismen för laser inuti nyckelhålet innefattar två processer: omvänd absorption och Fresnel-absorption.
Tryckbalans inuti nyckelhålet
Under laserdjupsvetsning genomgår materialet kraftig förångning, och expansionstrycket som genereras av högtemperaturånga stöter ut den flytande metallen och bildar små hål. Förutom materialets ångtryck och ablationstryck (även känt som avdunstningsreaktionskraft eller rekyltryck) finns det också ytspänning, statiskt flytande tryck orsakat av gravitationen och fluiddynamiskt tryck som genereras av flödet av smält material inuti det lilla hålet. Bland dessa tryck är det endast ångtrycket som upprätthåller öppningen av det lilla hålet, medan de andra tre krafterna strävar efter att stänga det lilla hålet. För att bibehålla nyckelhålets stabilitet under svetsprocessen måste ångtrycket vara tillräckligt för att övervinna annat motstånd och uppnå jämvikt, vilket bibehåller nyckelhålets långsiktiga stabilitet. För enkelhetens skull anses det allmänt att de krafter som verkar på nyckelhålets vägg huvudsakligen är ablationstryck (metallångans rekyltryck) och ytspänning.
Instabilitet i nyckelhålet
Bakgrund: Laser verkar på materialytan och orsakar att en stor mängd metall avdunstar. Rekylen trycker ner på smältan och bildar nyckelhål och plasma, vilket resulterar i en ökning av smältdjupet. Under rörelsen träffar lasern nyckelhålets främre vägg, och positionen där lasern kommer i kontakt med materialet kommer att orsaka kraftig avdunstning av materialet. Samtidigt kommer nyckelhålets vägg att uppleva massförlust, och avdunstningen kommer att skapa ett rekyltryck som trycker ner på den flytande metallen, vilket får nyckelhålets innervägg att fluktuera nedåt och röra sig runt botten av nyckelhålet mot baksidan av smältan. På grund av fluktuationen av den flytande smältan från framväggen till bakväggen förändras volymen inuti nyckelhålet ständigt. Det inre trycket i nyckelhålet förändras också i enlighet därmed, vilket leder till en förändring i volymen av det plasma som sprutas ut. Förändringen i plasmavolym leder till förändringar i avskärmning, brytning och absorption av laserenergi, vilket resulterar i förändringar i den energi som lasern når materialytan. Hela processen är dynamisk och periodisk, vilket slutligen resulterar i en sågtandsformad och vågig metallpenetration, och det finns ingen jämn, jämn penetrationssvets. Figuren ovan är en tvärsnittsvy av svetsens centrum erhållen genom längsgående skärning parallellt med svetsens centrum, samt en realtidsmätning av nyckelhålsdjupsvariationen medIPG-LDD som bevis.
Förbättra nyckelhålets stabilitetsriktning
Vid laserdjupsvetsning kan stabiliteten hos det lilla hålet endast säkerställas genom den dynamiska balansen mellan olika tryck inuti hålet. Absorptionen av laserenergi av hålväggen och avdunstningen av material, utstötningen av metallånga utanför det lilla hålet, samt den framåtriktade rörelsen av det lilla hålet och smältbadet är dock alla mycket intensiva och snabba processer. Under vissa processförhållanden, vid vissa tillfällen under svetsprocessen, finns det en möjlighet att stabiliteten hos det lilla hålet kan störas i lokala områden, vilket leder till svetsfel. De mest typiska och vanligaste är porositetsdefekter av små porer och stänk orsakade av nyckelhålskollaps;
Så hur stabiliserar man nyckelhålet?
Fluktuationen i nyckelhålsvätskan är relativt komplex och involverar många faktorer (temperaturfält, flödesfält, kraftfält, optoelektronisk fysik), vilka enkelt kan sammanfattas i två kategorier: förhållandet mellan ytspänning och rekyltrycket hos metallångan; rekyltrycket hos metallångan verkar direkt på genereringen av nyckelhål, vilket är nära relaterat till nyckelhålens djup och volym. Samtidigt, som den enda uppåtgående substansen av metallånga i svetsprocessen, är den också nära relaterad till förekomsten av stänk; Ytspänningen påverkar flödet i smältbadet;
Så en stabil lasersvetsningsprocess är beroende av att bibehålla fördelningsgradienten för ytspänningen i smältbadet, utan alltför stora fluktuationer. Ytspänning är relaterad till temperaturfördelning, och temperaturfördelning är relaterad till värmekällan. Därför är kompositvärmekälla och svängsvetsning potentiella tekniska riktningar för en stabil svetsprocess;
Metallångan och nyckelhålsvolymen måste beaktas med hänsyn till plasmaeffekten och storleken på nyckelhålsöppningen. Ju större öppningen är, desto större är nyckelhålet och de försumbara fluktuationerna i smältbassängens bottenpunkt har en relativt liten inverkan på den totala nyckelhålsvolymen och de inre tryckförändringarna. Så justerbar ringlägeslaser (ringfläck), laserbågsrekombination, frekvensmodulering etc. är alla riktningar som kan utökas.
Publiceringstid: 1 december 2023
