Vznik a vývoj klíčových dírek:
Definice klíčové dírky: Když je ozáření větší než 10^6W/cm^2, povrch materiálu se působením laseru roztaví a odpaří.Když je rychlost odpařování dostatečně velká, vytvořený tlak zpětného rázu páry je dostatečný k překonání povrchového napětí a kapalné gravitace tekutého kovu, čímž dojde k vytlačení části tekutého kovu, což způsobí, že se roztavená lázeň v excitační zóně potopí a vytvoří malé důlky. ;Paprsek světla přímo působí na dno malé jámy, což způsobuje další tavení a zplyňování kovu.Vysokotlaká pára nadále nutí tekutý kov na dně jámy k proudění směrem k obvodu roztavené lázně a dále prohlubuje malý otvor.Tento proces pokračuje a nakonec se v tekutém kovu vytvoří díra podobná klíčové dírce.Když tlak par kovu generovaný laserovým paprskem v malé díře dosáhne rovnováhy s povrchovým napětím a gravitací tekutého kovu, malá díra se již neprohlubuje a vytváří hloubkově stabilní malou díru, která se nazývá „efekt malé díry“ .
Jak se laserový paprsek pohybuje vzhledem k obrobku, malý otvor ukazuje mírně dozadu zakřivenou přední část a jasně nakloněný obrácený trojúhelník vzadu.Přední okraj malého otvoru je akční oblastí laseru s vysokou teplotou a vysokým tlakem páry, zatímco teplota podél zadního okraje je relativně nízká a tlak páry je malý.Pod tímto tlakovým a teplotním rozdílem proudí roztavená kapalina kolem malého otvoru od předního konce k zadnímu konci, vytváří vír na zadním konci malého otvoru a nakonec tuhne na zadním okraji.Dynamický stav klíčové dírky získaný pomocí laserové simulace a skutečného svařování je znázorněn na výše uvedeném obrázku Morfologie malých otvorů a proudění okolní roztavené kapaliny během pohybu různými rychlostmi.
Díky přítomnosti malých otvorů proniká energie laserového paprsku do vnitřku materiálu a vytváří tento hluboký a úzký svar.Typická průřezová morfologie svaru s hlubokou penetrací laseru je znázorněna na obrázku výše.Hloubka průniku svarového švu se blíží hloubce klíčové dírky (přesněji řečeno, metalografická vrstva je o 60-100 um hlubší než klíčová dírka, o jednu tekutou vrstvu méně).Čím vyšší je hustota energie laseru, tím hlubší je malý otvor a tím větší je hloubka průniku svarového švu.Při vysokovýkonném laserovém svařování může maximální poměr hloubky a šířky svarového švu dosáhnout 12:1.
Analýza absorpcelaserová energieklíčovou dírkou
Před vytvořením malých otvorů a plazmatu se energie laseru přenáší především do vnitřku obrobku prostřednictvím tepelného vedení.Proces svařování patří k vodivému svařování (s hloubkou průniku menší než 0,5 mm) a absorpce materiálu laserem se pohybuje mezi 25-45%.Jakmile je klíčová dírka vytvořena, energie laseru je převážně absorbována vnitřkem obrobku prostřednictvím efektu klíčové dírky a proces svařování se stává svařováním s hlubokým průvarem (s hloubkou průniku větší než 0,5 mm). Míra absorpce může dosáhnout přes 60-90 %.
Efekt klíčové dírky hraje mimořádně důležitou roli při zvyšování absorpce laseru během zpracování, jako je laserové svařování, řezání a vrtání.Laserový paprsek vstupující do klíčové dírky je téměř úplně absorbován vícenásobnými odrazy od stěny díry.
Obecně se má za to, že mechanismus absorpce energie laseru uvnitř klíčové dírky zahrnuje dva procesy: reverzní absorpci a Fresnelovu absorpci.
Rovnováha tlaku uvnitř klíčové dírky
Během laserového svařování hlubokou penetrací dochází k silnému odpařování materiálu a expanzní tlak generovaný vysokoteplotní párou vytlačuje tekutý kov a vytváří malé otvory.Kromě tlaku par a ablačního tlaku (také známého jako odpařovací reakční síla nebo tlak zpětného rázu) materiálu existuje také povrchové napětí, statický tlak kapaliny způsobený gravitací a dynamický tlak kapaliny generovaný proudem roztaveného materiálu uvnitř malá dírka.Mezi těmito tlaky pouze tlak páry udržuje otevření malého otvoru, zatímco ostatní tři síly se snaží malý otvor uzavřít.Pro udržení stability klíčové dírky během procesu svařování musí být tlak páry dostatečný k překonání jiného odporu a dosažení rovnováhy při zachování dlouhodobé stability klíčové dírky.Pro jednoduchost se obecně má za to, že síly působící na stěnu klíčové dírky jsou hlavně ablační tlak (tlak zpětného rázu kovových par) a povrchové napětí.
Nestabilita klíčové dírky
Pozadí: Laser působí na povrch materiálů a způsobuje odpařování velkého množství kovu.Zpětný ráz tlačí na roztavenou lázeň, tvoří klíčové dírky a plazmu, což má za následek zvýšení hloubky tavení.Během procesu pohybu laser narazí na přední stěnu klíčové dírky a poloha, kde se laser dotýká materiálu, způsobí prudké odpařování materiálu.Ve stejné době u stěny klíčové dírky dojde ke ztrátě hmoty a odpařování vytvoří tlak zpětného rázu, který bude tlačit dolů na tekutý kov, což způsobí, že vnitřní stěna klíčové dírky kolísá směrem dolů a pohybuje se kolem dna klíčové dírky směrem k zadní část roztaveného bazénu.V důsledku kolísání kapalné lázně od přední stěny k zadní stěně se objem uvnitř klíčové dírky neustále mění, odpovídajícím způsobem se mění i vnitřní tlak klíčové dírky, což vede ke změně objemu vystřikovaného plazmy. .Změna objemu plazmatu vede ke změnám stínění, lomu a absorpce laserové energie, což má za následek změny energie laseru dosahujícího povrch materiálu.Celý proces je dynamický a periodický, v konečném důsledku vede k pronikání kovu ve tvaru pilových zubů a vlnitosti a nedochází k hladkému stejnoměrnému průvaru. Výše uvedený obrázek je pohled na příčný řez středem svaru získaný podélným řezáním rovnoběžným s řezem. středu svaru, stejně jako měření změny hloubky klíčové dírky v reálném čase oIPG-LDD jako důkaz.
Zlepšete směr stability klíčové dírky
Při laserovém svařování hlubokým průvarem lze stabilitu malého otvoru zajistit pouze dynamickou rovnováhou různých tlaků uvnitř otvoru.Absorpce laserové energie stěnou otvoru a vypařování materiálů, vypuzování kovových par mimo malý otvor a dopředný pohyb malého otvoru a roztavené lázně jsou velmi intenzivní a rychlé procesy.Za určitých podmínek procesu, v určitých okamžicích procesu svařování, existuje možnost, že stabilita malého otvoru může být v místních oblastech narušena, což vede k defektům svařování.Nejtypičtější a nejběžnější jsou defekty pórovitosti typu malých pórů a rozstřiky způsobené kolapsem klíčové dírky;
Jak tedy stabilizovat klíčovou dírku?
Fluktuace tekutiny klíčové dírky je poměrně složitá a zahrnuje příliš mnoho faktorů (teplotní pole, proudové pole, silové pole, optoelektronická fyzika), které lze jednoduše shrnout do dvou kategorií: vztah mezi povrchovým napětím a tlakem zpětného rázu kovových par;Tlak zpětného rázu kovových par přímo působí na generování klíčových dírek, což úzce souvisí s hloubkou a objemem klíčových dírek.Zároveň jako jediná vzhůru se pohybující látka kovových par při svařovacím procesu také úzce souvisí s výskytem rozstřiku;Povrchové napětí ovlivňuje proudění roztavené lázně;
Stabilní proces laserového svařování tedy závisí na udržení distribučního gradientu povrchového napětí v tavné lázni, bez přílišného kolísání.Povrchové napětí souvisí s rozložením teploty a rozložení teploty souvisí se zdrojem tepla.Kompozitní zdroj tepla a švihové svařování jsou proto potenciální technické směry pro stabilní svařovací proces;
Kovové páry a objem klíčové dírky musí věnovat pozornost plazmovému efektu a velikosti otvoru klíčové dírky.Čím větší otvor, tím větší klíčová dírka a zanedbatelné kolísání spodního bodu tavné lázně, které má relativně malý dopad na celkový objem klíčové dírky a změny vnitřního tlaku;Takže nastavitelný prstencový laser (prstencový bod), rekombinace laserového oblouku, frekvenční modulace atd. jsou všechny směry, které lze rozšířit.
Čas odeslání: prosinec-01-2023
