Vznik a vývoj kľúčových dierok:
Definícia kľúčovej dierky: Keď je ožiarenie žiarením väčšie ako 10^6W/cm^2, povrch materiálu sa pôsobením laseru roztaví a odparí. Keď je rýchlosť odparovania dostatočne veľká, vytvorený spätný tlak pary je dostatočný na prekonanie povrchového napätia a kvapalnej gravitácie tekutého kovu, čím sa časť tekutého kovu vytlačí, čo spôsobí, že roztavený bazén v excitačnej zóne klesne a vytvorí malé jamky. Svetelný lúč priamo pôsobí na dno malej jamky, čo spôsobí ďalšie roztavenie a splyňovanie kovu. Vysokotlaková para naďalej núti tekutý kov na dne jamky prúdiť smerom k obvodu roztaveného bazéna, čím sa malý otvor ďalej prehlbuje. Tento proces pokračuje a nakoniec sa v tekutom kove vytvorí otvor podobný kľúčovej dierke. Keď tlak kovových pár generovaný laserovým lúčom v malom otvore dosiahne rovnováhu s povrchovým napätím a gravitáciou tekutého kovu, malý otvor sa už neprehlbuje a vytvorí malý otvor so stabilnou hĺbkou, čo sa nazýva „efekt malého otvoru“.
Ako sa laserový lúč pohybuje vzhľadom na obrobok, malý otvor vykazuje mierne dozadu zakrivenú prednú časť a vzadu zreteľne naklonený obrátený trojuholník. Predný okraj malého otvoru je akčnou oblasťou laseru s vysokou teplotou a vysokým tlakom pár, zatiaľ čo teplota pozdĺž zadného okraja je relatívne nízka a tlak pár je malý. Pri tomto rozdiele tlaku a teploty roztavená kvapalina prúdi okolo malého otvoru od predného konca k zadnému koncu, čím vytvára vír na zadnom konci malého otvoru a nakoniec stuhne na zadnom okraji. Dynamický stav kľúčovej dierky získaný laserovou simuláciou a skutočným zváraním je znázornený na obrázku vyššie. Morfológia malých otvorov a tok okolitej roztavenej kvapaliny počas pohybu rôznymi rýchlosťami.
Vďaka prítomnosti malých otvorov preniká energia laserového lúča do vnútra materiálu a vytvára tento hlboký a úzky zvarový šev. Typická morfológia prierezu laserového hlbokého penetračného zvarového švu je znázornená na obrázku vyššie. Hĺbka penetrácie zvarového švu sa blíži hĺbke kľúčovej dierky (presnejšie povedané, metalografická vrstva je o 60 – 100 μm hlbšia ako kľúčová dierka, teda o jednu vrstvu kvapaliny menej). Čím vyššia je hustota laserovej energie, tým hlbší je malý otvor a tým väčšia je hĺbka penetrácie zvarového švu. Pri zváraní laserom s vysokým výkonom môže maximálny pomer hĺbky k šírke zvarového švu dosiahnuť 12:1.
Analýza absorpcielaserová energiakľúčovou dierkou
Pred vytvorením malých otvorov a plazmy sa energia laseru prenáša prevažne do vnútra obrobku prostredníctvom tepelnej vodivosti. Zvárací proces patrí medzi vodivé zváranie (s hĺbkou prieniku menšou ako 0,5 mm) a miera absorpcie laseru materiálom je medzi 25 – 45 %. Po vytvorení kľúčovej dierky je energia laseru absorbovaná prevažne vnútrom obrobku prostredníctvom efektu kľúčovej dierky a zvárací proces sa stáva zváraním hlbokým prienikom (s hĺbkou prieniku viac ako 0,5 mm). Miera absorpcie môže dosiahnuť viac ako 60 – 90 %.
Efekt kľúčovej dierky zohráva mimoriadne dôležitú úlohu pri zvyšovaní absorpcie laseru počas spracovania, ako je laserové zváranie, rezanie a vŕtanie. Laserový lúč vstupujúci do kľúčovej dierky je takmer úplne absorbovaný viacnásobnými odrazmi od steny otvoru.
Všeobecne sa predpokladá, že mechanizmus absorpcie energie laseru vo vnútri kľúčovej dierky zahŕňa dva procesy: spätnú absorpciu a Fresnelovu absorpciu.
Vyváženie tlaku vo vnútri kľúčovej dierky
Počas laserového zvárania hlbokým prevarením dochádza k intenzívnemu odparovaniu materiálu a expanzný tlak generovaný vysokoteplotnou parou vytláča tekutý kov, čím vytvára malé otvory. Okrem tlaku pary a ablačného tlaku (známeho aj ako reakčná sila odparovania alebo spätný tlak) materiálu existuje aj povrchové napätie, statický tlak kvapaliny spôsobený gravitáciou a dynamický tlak tekutiny generovaný prúdením roztaveného materiálu vo vnútri malého otvoru. Spomedzi týchto tlakov iba tlak pary udržiava otvorenie malého otvoru, zatiaľ čo ostatné tri sily sa snažia malý otvor uzavrieť. Aby sa počas procesu zvárania udržala stabilita kľúčového otvoru, musí byť tlak pary dostatočný na prekonanie iného odporu a dosiahnutie rovnováhy, čím sa zachová dlhodobá stabilita kľúčového otvoru. Pre jednoduchosť sa všeobecne predpokladá, že sily pôsobiace na stenu kľúčového otvoru sú hlavne ablačný tlak (spätný tlak kovových pár) a povrchové napätie.
Nestabilita kľúčovej dierky
Pozadie: Laser pôsobí na povrch materiálov a spôsobuje odparovanie veľkého množstva kovu. Spätný tlak tlačí na roztavený kúpeľ, čím vytvára dierky a plazmu, čo vedie k zvýšeniu hĺbky tavenia. Počas pohybu laser naráža na prednú stenu dierky a miesto, kde sa laser dotýka materiálu, spôsobuje jeho silné odparovanie. Zároveň dochádza k strate hmotnosti steny dierky a odparovanie vytvára spätný tlak, ktorý tlačí na tekutý kov, čo spôsobuje, že vnútorná stena dierky kolíše smerom nadol a pohybuje sa okolo dna dierky smerom k zadnej časti roztaveného kúpeľa. V dôsledku kolísania roztaveného kúpeľa od prednej steny k zadnej stene sa objem vo vnútri dierky neustále mení. Vnútorný tlak v dierke sa tiež mení zodpovedajúcim spôsobom, čo vedie k zmene objemu vystrekovanej plazmy. Zmena objemu plazmy vedie k zmenám v tienení, lome a absorpcii laserovej energie, čo vedie k zmenám v energii laseru dosahujúcej povrch materiálu. Celý proces je dynamický a periodický, čoho výsledkom je pílovitý a vlnitý prievar kovu a nedochádza k hladkému zvaru s rovnakým prievarom. Vyššie uvedený obrázok je prierezový pohľad na stred zvaru získaný pozdĺžnym rezaním rovnobežne so stredom zvaru, ako aj meranie zmeny hĺbky kľúčovej dierky v reálnom čase pomocou...IPG-LDD ako dôkaz.
Zlepšite smer stability kľúčovej dierky
Počas laserového zvárania s hlbokým prienikom je stabilita malého otvoru zabezpečená iba dynamickou rovnováhou rôznych tlakov vo vnútri otvoru. Avšak absorpcia laserovej energie stenou otvoru a odparovanie materiálov, vyvrhovanie kovových pár mimo malého otvoru a pohyb malého otvoru a roztaveného kúpeľa sú veľmi intenzívne a rýchle procesy. Za určitých procesných podmienok, v určitých okamihoch počas procesu zvárania, existuje možnosť, že stabilita malého otvoru môže byť lokálne narušená, čo vedie k chybám zvárania. Najtypickejšími a najbežnejšími sú chyby pórovitého typu s malými pórmi a rozstrek spôsobený kolapsom kľúčovej dierky;
Ako teda stabilizovať kľúčovú dierku?
Kolísanie roztavenej kvapaliny je relatívne 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 spätným tlakom kovových pár; spätný tlak kovových pár priamo pôsobí na tvorbu roztavených dierok, čo úzko súvisí s hĺbkou a objemom roztavených dierok. Zároveň, ako jediná látka kovových pár pohybujúca sa nahor v procese zvárania, úzko súvisí aj s výskytom rozstreku; povrchové napätie ovplyvňuje tok roztavenej kvapaliny;
Stabilný proces laserového zvárania teda závisí od udržiavania gradientu rozloženia povrchového napätia v roztavenom kúpeli bez prílišného kolísania. Povrchové napätie súvisí s rozložením teploty a rozloženie teploty súvisí so zdrojom tepla. Preto sú kompozitné zdroje tepla a kolísavé zváranie potenciálnymi technickými smermi pre stabilný proces zvárania;
Pri meraní objemu kovových pár a kľúčovej dierky je potrebné venovať pozornosť plazmovému efektu a veľkosti otvoru kľúčovej dierky. Čím väčší je otvor, tým väčšia je kľúčová dierka a zanedbateľné sú výkyvy v spodnom bode taveniny, čo má relatívne malý vplyv na celkový objem kľúčovej dierky a zmeny vnútorného tlaku. Preto je možné rozšíriť laser s nastaviteľným prstencovým režimom (prstencový bod), rekombináciu laserového oblúka, frekvenčnú moduláciu atď.
Čas uverejnenia: 1. decembra 2023
