Vznik a vývoj kľúčových dier:
Definícia kľúčovej dierky: Keď je ožiarenie väčšie ako 10^6W/cm^2, povrch materiálu sa pôsobením lasera roztopí a vyparí.Keď je rýchlosť odparovania dostatočne veľká, vytvorený tlak spätného rázu pár je dostatočný na prekonanie povrchového napätia a tekutej gravitácie tekutého kovu, čím sa vytlačí časť tekutého kovu, čo spôsobí, že roztavený bazén v excitačnej zóne klesne a vytvorí malé jamky. ;Lúč svetla priamo pôsobí na dno malej jamy, čo spôsobuje ďalšie tavenie a splyňovanie kovu.Vysokotlaková para naďalej núti tekutý kov na dne jamy prúdiť smerom k okraju roztaveného kúpeľa, čím ďalej prehlbuje malý otvor.Tento proces pokračuje a nakoniec sa v tekutom kove vytvorí diera podobná kľúčovej dierke.Keď tlak pár kovov generovaný laserovým lúčom v malej diere dosiahne rovnováhu s povrchovým napätím a gravitáciou tekutého kovu, malá diera sa už neprehlbuje a vytvára hĺbkovo stabilnú malú dieru, čo sa nazýva „efekt malých dier“ .
Keď sa laserový lúč pohybuje vzhľadom na obrobok, malý otvor ukazuje mierne dozadu zakrivenú prednú časť a jasne naklonený obrátený trojuholník vzadu.Predný okraj malého otvoru je akčnou oblasťou lasera s vysokou teplotou a vysokým tlakom pár, zatiaľ čo teplota pozdĺž zadného okraja je relatívne nízka a tlak pár je malý.Pri tomto tlakovom a teplotnom rozdiele prúdi roztavená kvapalina okolo malého otvoru z predného konca na zadný koniec, pričom vytvára vír na zadnom konci malého otvoru a nakoniec tuhne na zadnom okraji.Dynamický stav kľúčovej dierky získaný pomocou laserovej simulácie a skutočného zvárania je znázornený na obrázku vyššie, Morfológia malých otvorov a prúdenie okolitej roztavenej kvapaliny počas jazdy rôznymi rýchlosťami.
Vďaka prítomnosti malých otvorov preniká energia laserového lúča do vnútra materiálu a vytvára tento hlboký a úzky zvarový šev.Typická prierezová morfológia zvarového švu s hlbokou penetráciou lasera je znázornená na obrázku vyššie.Hĺbka prieniku zvarového švu je blízka hĺbke kľúčovej dierky (presnejšie povedané, metalografická vrstva je o 60-100 um hlbšia ako kľúčová dierka, o jednu tekutú vrstvu menej).Čím vyššia je hustota energie lasera, tým hlbší je malý otvor a tým väčšia je hĺbka prieniku zvarového švu.Pri vysokovýkonnom laserovom zváraní môže maximálny pomer hĺbky a šírky zvarového švu dosiahnuť 12:1.
Analýza absorpcielaserová energiakľúčovou dierkou
Pred vytvorením malých otvorov a plazmy sa energia lasera prenáša hlavne do vnútra obrobku vedením tepla.Proces zvárania patrí k vodivému zváraniu (s hĺbkou prieniku menej ako 0,5 mm) a miera absorpcie materiálu laserom je medzi 25-45%.Po vytvorení kľúčovej dierky je energia lasera absorbovaná hlavne vnútrom obrobku prostredníctvom efektu kľúčovej dierky a proces zvárania sa stáva zváraním s hlbokým prienikom (s hĺbkou prieniku viac ako 0,5 mm), rýchlosť absorpcie môže dosiahnuť nad 60-90%.
Efekt kľúčovej dierky hrá mimoriadne dôležitú úlohu pri zvyšovaní absorpcie lasera počas spracovania, ako je laserové zváranie, rezanie a vŕtanie.Laserový lúč vstupujúci do kľúčovej dierky je takmer úplne absorbovaný prostredníctvom viacerých odrazov od steny otvoru.
Všeobecne sa verí, že mechanizmus absorpcie energie lasera vo vnútri kľúčovej dierky zahŕňa dva procesy: spätnú absorpciu a Fresnelovu absorpciu.
Rovnováha tlaku vo vnútri kľúčovej dierky
Počas zvárania hlbokou penetráciou laserom dochádza k silnému odparovaniu materiálu a expanzný tlak generovaný vysokoteplotnou parou vytláča tekutý kov a vytvára malé otvory.Okrem tlaku pary a ablačného tlaku (tiež známeho ako sila reakcie vyparovania alebo tlak spätného rázu) materiálu existuje aj povrchové napätie, statický tlak kvapaliny spôsobený gravitáciou a dynamický tlak kvapaliny generovaný tokom roztaveného materiálu vo vnútri malá diera.Spomedzi týchto tlakov iba tlak pary udržiava otvorenie malého otvoru, zatiaľ čo ostatné tri sily sa snažia malý otvor uzavrieť.Na udržanie stability kľúčovej dierky počas procesu zvárania musí byť tlak pary dostatočný na prekonanie iného odporu a dosiahnutie rovnováhy pri zachovaní dlhodobej stability kľúčovej dierky.Pre jednoduchosť sa všeobecne verí, že sily pôsobiace na stenu kľúčovej dierky sú hlavne ablačný tlak (tlak spätného rázu kovových pár) a povrchové napätie.
Nestabilita Keyhole
Pozadie: Laser pôsobí na povrch materiálov a spôsobuje odparovanie veľkého množstva kovu.Tlak spätného rázu tlačí na roztavený bazén, vytvára kľúčové dierky a plazmu, čo vedie k zvýšeniu hĺbky topenia.Počas procesu pohybu laser narazí na prednú stenu kľúčovej dierky a poloha, kde sa laser dotýka materiálu, spôsobí prudké vyparenie materiálu.Stena kľúčovej dierky súčasne zaznamená stratu hmoty a vyparovanie vytvorí spätný tlak, ktorý bude tlačiť na tekutý kov, čo spôsobí, že vnútorná stena kľúčovej dierky bude kolísať smerom nadol a pohybovať sa okolo spodnej časti kľúčovej dierky smerom k zadnej časti roztaveného bazéna.V dôsledku kolísania kvapalného roztaveného kúpeľa od prednej steny k zadnej stene sa objem vo vnútri kľúčovej dierky neustále mení, zodpovedajúcim spôsobom sa mení aj vnútorný tlak kľúčovej dierky, čo vedie k zmene objemu vystrekovanej plazmy. .Zmena objemu plazmy vedie k zmenám v tienení, lomu a absorpcii laserovej energie, čo vedie k zmenám energie lasera dosahujúceho povrch materiálu.Celý proces je dynamický a periodický, čo v konečnom dôsledku vedie k pílovitému a zvlnenému prenikaniu kovu a nedochádza k hladkému rovnomernému prieniku zvaru. Vyššie uvedený obrázok je pohľad v reze na stred zvaru získaný pozdĺžnym rezaním rovnobežným s stredu zvaru, ako aj meranie zmeny hĺbky kľúčovej dierky v reálnom čase oIPG-LDD ako dôkaz.
Zlepšite smer stability kľúčovej dierky
Pri zváraní hlbokou penetráciou laserom môže byť stabilita malého otvoru zabezpečená iba dynamickým vyvážením rôznych tlakov vo vnútri otvoru.Absorpcia laserovej energie stenou otvoru a vyparovanie materiálov, vyhadzovanie kovových pár mimo malého otvoru a pohyb malého otvoru a roztaveného bazéna dopredu sú veľmi intenzívne a rýchle procesy.Za určitých podmienok procesu, v určitých momentoch počas procesu zvárania, existuje možnosť, že stabilita malého otvoru môže byť narušená v miestnych oblastiach, čo vedie k poruchám zvárania.Najtypickejšie a najbežnejšie sú defekty pórovitosti typu malých pórov a rozstrek spôsobený kolapsom kľúčovej dierky;
Ako teda stabilizovať kľúčovú dierku?
Kolísanie tekutiny kľúčovej dierky je pomerne zložité a zahŕňa príliš veľa faktorov (teplotné pole, pole prúdenia, silové pole, optoelektronická fyzika), ktoré možno jednoducho zhrnúť do dvoch kategórií: vzťah medzi povrchovým napätím a tlakom spätného rázu kovových pár;Tlak spätného rázu kovových pár priamo pôsobí na vytváranie kľúčových dier, čo úzko súvisí s hĺbkou a objemom kľúčových dier.Zároveň, ako jediná nahor sa pohybujúca látka kovových pár v procese zvárania, úzko súvisí aj s výskytom rozstrekov;Povrchové napätie ovplyvňuje prúdenie roztaveného bazéna;
Stabilný proces laserového zvárania teda závisí od udržiavania distribučného gradientu povrchového napätia v roztavenom kúpeli bez príliš veľkého kolísania.Povrchové napätie súvisí s rozložením teploty a rozloženie teploty súvisí so zdrojom tepla.Preto sú kompozitný zdroj tepla a švihové zváranie potenciálnymi technickými smermi pre stabilný proces zvárania;
Výpary kovu a objem kľúčovej dierky musia venovať pozornosť plazmovému efektu a veľkosti otvoru kľúčovej dierky.Čím väčší je otvor, tým väčšia je kľúčová dierka a zanedbateľné výkyvy v bode dna taveniny, ktoré majú relatívne malý vplyv na celkový objem kľúčovej dierky a zmeny vnútorného tlaku;Takže nastaviteľný prstencový laser (prstencový bod), rekombinácia laserového oblúka, frekvenčná modulácia atď. sú všetky smery, ktoré možno rozšíriť.
Čas odoslania: 1. decembra 2023
