Vznik a vývoj klíčových dírek:
Definice klíčové díry: Když je radiační ozáření větší než 10^6W/cm^2, povrch materiálu se působením laseru taví a odpařuje. Když je rychlost odpařování dostatečně velká, generovaný zpětný tlak páry je dostatečný k překonání povrchového napětí a gravitace tekutého kovu, čímž se část tekutého kovu vytlačí, což způsobí, že se roztavená lázeň v excitační zóně propadne a vytvoří se malé prohlubně. Světelný paprsek přímo působí na dno malé prohlubně, což způsobí další tavení a zplyňování kovu. Vysokotlaká pára nadále tlačí tekutý kov na dně prohlubně směrem k obvodu roztavené lázně, čímž se malá prohlubeň dále prohlubuje. Tento proces pokračuje a nakonec se v tekutém kovu vytvoří díra podobná klíčové dírce. Když tlak kovových par generovaný laserovým paprskem v malé prohlubni dosáhne rovnováhy s povrchovým napětím a gravitací tekutého kovu, malá prohlubeň se již neprohlubuje a vytváří malou prohlubeň stabilní v hloubce, což se nazývá „efekt malé prohlubně“.
Jak se laserový paprsek pohybuje vzhledem k obrobku, malý otvor vykazuje mírně dozadu zakřivenou přední stranu a vzadu jasně skloněný obrácený trojúhelník. Přední okraj malého otvoru je akční oblastí laseru s vysokou teplotou a vysokým tlakem par, zatímco teplota podél zadního okraje je relativně nízká a tlak par je malý. Při tomto rozdílu tlaku a teploty proudí roztavená kapalina kolem malého otvoru od předního konce k zadnímu konci, čímž na zadním konci malého otvoru vytváří vír a nakonec na zadním okraji tuhne. Dynamický stav klíčového otvoru získaný laserovou simulací a skutečným svařováním 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 nitra materiálu a vytváří tento hluboký a úzký svarový šev. Typická morfologie průřezu laserového svarového švu s hlubokým průnikem je znázorněna na výše uvedeném obrázku. Hloubka průniku svarového švu se blíží hloubce klíčového otvoru (přesněji řečeno, metalografická vrstva je o 60-100 μm hlubší než klíčový otvor, tedy o jednu kapalnou vrstvu méně). Čím vyšší je hustota laserové energie, tím hlubší je malý otvor a tím větší je hloubka průniku svarového švu. Při vysokovýkonném laserovém svařování může maximální poměr hloubky k šířce svarového švu dosáhnout 12:1.
Analýza absorpcelaserová energieklíčovou dírkou
Před vytvořením malých otvorů a plazmatu se energie laseru přenáší do vnitřku obrobku převážně tepelnou vodivostí. Svařovací proces patří mezi vodivé svařování (s hloubkou průniku menší než 0,5 mm) a absorpční míra laseru materiálem se pohybuje mezi 25-45 %. Po vytvoření klíčové dírky je energie laseru absorbována převážně vnitřkem obrobku v důsledku efektu klíčové dírky a svařovací proces se stává hlubokým průnikem (s hloubkou průniku větší než 0,5 mm). Absorpční míra může dosáhnout více než 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 v důsledku mnohočetných odrazů od stěny otvoru.
Obecně se předpokládá, že mechanismus absorpce energie laseru uvnitř klíčové dírky zahrnuje dva procesy: reverzní absorpci a Fresnelovu absorpci.
Vyrovnání tlaku uvnitř klíčové dírky
Během laserového svařování s hlubokou penetrací dochází k silnému odpařování a expanzní tlak generovaný vysokoteplotní párou vytlačuje tekutý kov, čímž vznikají malé otvory. Kromě tlaku páry a ablačního tlaku (známého také jako odpařovací reakční síla nebo zpětný tlak) materiálu existuje také povrchové napětí, statický tlak kapaliny způsobený gravitací a dynamický tlak tekutiny generovaný prouděním roztaveného materiálu uvnitř malého otvoru. Z těchto tlaků pouze tlak páry udržuje otevření malého otvoru, zatímco ostatní tři síly se snaží malý otvor uzavřít. Aby se během svařovacího procesu udržela stabilita klíčového otvoru, musí být tlak páry dostatečný k překonání ostatních odporů a dosažení rovnováhy, čímž se udrží dlouhodobá stabilita klíčového otvoru. Pro zjednodušení se obecně předpokládá, že síly působící na stěnu klíčového otvoru jsou hlavně ablační tlak (zpětný tlak kovových par) a povrchové napětí.
Nestabilita klíčové dírky
Souvislosti: Laser působí na povrch materiálů a způsobuje odpařování velkého množství kovu. Zpětný ráz tlačí na roztavenou lázeň, čímž vznikají díry a plazma, což vede ke zvýšení hloubky tavení. Během pohybu laser naráží na přední stěnu klíčové díry a místo, kde se laser dotýká materiálu, způsobuje jeho silné odpařování. Současně dochází ke ztrátě hmotnosti stěny klíčové díry a odpařování vytváří zpětný ráz, který tlačí na tekutý kov, což způsobuje, že vnitřní stěna klíčové díry kolísá směrem dolů a pohybuje se kolem dna klíčové díry směrem k zadní části roztavené lázně. V důsledku kolísání kapalné roztavené lázně od přední stěny k zadní stěně se objem uvnitř klíčové díry neustále mění. Vnitřní tlak v klíčové díře se také odpovídajícím způsobem mění, což vede ke změně objemu vystřikované plazmy. Změna objemu plazmy vede ke změnám ve stínění, lomu a absorpci laserové energie, což má za následek změny v energii laseru dosahující na povrch materiálu. Celý proces je dynamický a periodický, což má nakonec za následek pilovitý a vlnitý průvar kovu a nedochází k hladkému svaru se stejným průvarem. Výše uvedený obrázek je příčný řez středem svaru získaného podélným řezáním rovnoběžně se středem svaru a také měření změny hloubky klíčové díry v reálném čase pomocí...IPG-LDD jako důkaz.
Zlepšete směr stability klíčové dírky
Během laserového svařování s hlubokým průnikem může být stabilita malého otvoru zajištěna pouze dynamickou rovnováhou různých tlaků uvnitř otvoru. Absorpce laserové energie stěnou otvoru a odpařování materiálů, vyhazování kovových par vně malého otvoru a pohyb malého otvoru a taveniny vpřed jsou však velmi intenzivní a rychlé procesy. Za určitých procesních podmínek, v určitých okamžicích během svařovacího procesu, existuje možnost, že stabilita malého otvoru může být lokálně narušena, což vede k vadám svařování. Nejtypičtějšími a nejběžnějšími jsou vady pórovitého typu s malými póry a rozstřik způsobený zhroucením klíčové dírky;
Jak tedy stabilizovat klíčovou dírku?
Kolísání roztavené kapaliny je relativně složité a zahrnuje mnoho faktorů (teplotní pole, pole proudění, silové pole, optoelektronická fyzika), které lze jednoduše shrnout do dvou kategorií: vztah mezi povrchovým napětím a zpětným tlakem kovových par; zpětný tlak kovových par přímo působí na tvorbu roztavených kapalin, což úzce souvisí s hloubkou a objemem těchto kapalin. Zároveň, jako jediná vzhůru se pohybující látka kovových par v procesu svařování, úzce souvisí i s výskytem rozstřiku; povrchové napětí ovlivňuje tok roztavené lázně;
Stabilní proces laserového svařování tedy závisí na udržení gradientu rozložení povrchového napětí v roztavené lázni bez přílišného kolísání. Povrchové napětí souvisí s rozložením teploty a rozložení teploty souvisí se zdrojem tepla. Proto jsou kompozitní zdroje tepla a kyvné svařování potenciálními technickými směry pro stabilní proces svařování;
Při určování objemu kovových pár a klíčové díry je třeba věnovat pozornost plazmovému efektu a velikosti otvoru klíčové díry. Čím větší je otvor, tím větší je klíčová díra a zanedbatelné jsou kolísání spodního bodu taveniny, což má relativně malý vliv na celkový objem klíčové díry a změny vnitřního tlaku. Proto lze rozšířit laser s nastavitelným prstencovým režimem (prstencová skvrna), rekombinaci laserového oblouku, frekvenční modulaci atd.
Čas zveřejnění: 1. prosince 2023
