Nastanek in razvoj ključavnic:
Definicija ključavnice: Ko je obsevanost sevanja večja od 10 ^ 6 W/cm ^ 2, se površina materiala stopi in izhlapi pod delovanjem laserja. Ko je hitrost izhlapevanja dovolj velika, ustvarjeni parni povratni tlak zadošča za premagovanje površinske napetosti in gravitacije tekočine tekoče kovine, s čimer se izpodrine nekaj tekoče kovine, kar povzroči, da se staljeni bazen na območju vzbujanja potopi in tvori majhne jamice ; Svetlobni žarek neposredno deluje na dno majhne jame, kar povzroči nadaljnje taljenje in uplinjanje kovine. Visokotlačna para še naprej sili tekočo kovino na dnu jame, da teče proti obrobju staljenega bazena in še bolj poglablja majhno luknjo. Ta proces se nadaljuje in končno oblikuje ključavnici podobno luknjo v tekoči kovini. Ko parni tlak kovine, ki ga ustvari laserski žarek v majhni luknji, doseže ravnovesje s površinsko napetostjo in gravitacijo tekoče kovine, se majhna luknja ne poglobi več in tvori globinsko stabilno majhno luknjo, kar se imenuje "učinek majhne luknje" .
Ko se laserski žarek premakne glede na obdelovanec, majhna luknja kaže rahlo nazaj ukrivljeno sprednjo stran in jasno nagnjen obrnjen trikotnik zadaj. Sprednji rob majhne luknje je območje delovanja laserja z visoko temperaturo in visokim parnim tlakom, medtem ko je temperatura vzdolž zadnjega roba razmeroma nizka in parni tlak majhen. Pod to razliko tlaka in temperature staljena tekočina teče okoli majhne luknje od sprednjega konca do zadnjega konca, pri čemer tvori vrtinec na zadnjem koncu majhne luknje in se končno strdi na zadnjem robu. Dinamično stanje ključavnice, pridobljeno z lasersko simulacijo in dejanskim varjenjem, je prikazano na zgornji sliki, Morfologija majhnih lukenj in pretok okoliške staljene tekočine med potovanjem pri različnih hitrostih.
Zaradi prisotnosti majhnih lukenj energija laserskega žarka prodre v notranjost materiala in tvori ta globok in ozek zvar. Na zgornji sliki je prikazana značilna morfologija prečnega prereza zvara z laserskim globokim prodorom. Globina preboja zvara je blizu globine ključavnice (natančneje, metalografska plast je 60-100um globlja od ključavnice, ena manj tekoča plast). Večja kot je gostota laserske energije, globlja je majhna luknja in večja je globina preboja zvara. Pri visokozmogljivem laserskem varjenju lahko največje razmerje med globino in širino zvara doseže 12:1.
Analiza absorpcijelasersko energijopo ključavnici
Pred nastankom majhnih lukenj in plazme se energija laserja v glavnem prenaša v notranjost obdelovanca s toplotno prevodnostjo. Postopek varjenja spada med prevodno varjenje (z globino preboja manj kot 0,5 mm), stopnja absorpcije laserja v materialu pa je med 25-45%. Ko je ključavnica oblikovana, energijo laserja v glavnem absorbira notranjost obdelovanca z učinkom ključavnice in postopek varjenja postane varjenje z globokim prebojem (z globino preboja več kot 0,5 mm). Stopnja absorpcije lahko doseže nad 60-90 %.
Učinek ključavnice igra izjemno pomembno vlogo pri povečanju absorpcije laserja med obdelavo, kot je lasersko varjenje, rezanje in vrtanje. Laserski žarek, ki vstopi v ključavnico, se skoraj v celoti absorbira zaradi večkratnih odbojev od stene luknje.
Na splošno velja, da mehanizem absorpcije energije laserja znotraj ključavnice vključuje dva procesa: reverzno absorpcijo in Fresnelovo absorpcijo.
Ravnovesje tlaka znotraj ključavnice
Med laserskim varjenjem z globokim prebojem je material podvržen močnemu izhlapevanju, ekspanzijski tlak, ki ga ustvari visokotemperaturna para, iztisne tekočo kovino in tvori majhne luknje. Poleg parnega tlaka in ablacijskega tlaka (znanega tudi kot sila reakcije izhlapevanja ali povratni tlak) materiala obstajajo še površinska napetost, statični tlak tekočine, ki ga povzroči gravitacija, in dinamični tlak tekočine, ki ga ustvari tok staljenega materiala znotraj materiala. majhna luknja. Med temi pritiski le tlak pare vzdržuje odprtino luknjice, ostale tri sile pa si prizadevajo zapreti luknjico. Za ohranitev stabilnosti ključavnice med postopkom varjenja mora biti parni tlak zadosten za premagovanje drugih uporov in doseganje ravnovesja, kar ohranja dolgoročno stabilnost ključavnice. Zaradi poenostavitve se na splošno verjame, da sta sili, ki delujeta na steno ključavnice, predvsem ablacijski tlak (povratni tlak kovinske pare) in površinska napetost.
Nestabilnost Keyhole
Ozadje: Laser deluje na površino materialov in povzroči izhlapevanje velike količine kovine. Povratni tlak pritiska na staljeno bazo, tvori ključavnice in plazmo, kar povzroči povečanje globine taljenja. Med postopkom premikanja laser zadene sprednjo steno ključavnice in položaj, kjer laser pride v stik z materialom, povzroči močno izhlapevanje materiala. Hkrati bo stena ključavnice izgubila maso, izhlapevanje pa bo povzročilo povratni tlak, ki bo pritisnil navzdol na tekočo kovino, zaradi česar bo notranja stena ključavnice nihala navzdol in se premikala okoli dna ključavnice proti zadnji strani staljenega bazena. Zaradi nihanja bazena tekoče staline od sprednje stene do zadnje stene se prostornina znotraj ključavnice nenehno spreminja. Temu primerno se spreminja tudi notranji tlak ključavnice, kar povzroči spremembo prostornine razpršene plazme. . Sprememba volumna plazme povzroči spremembe v zaščiti, lomu in absorpciji laserske energije, kar povzroči spremembe v energiji laserja, ki doseže površino materiala. Celoten proces je dinamičen in periodičen, kar na koncu povzroči žagasto obliko in valovito penetracijo kovine in ni gladkega enakega penetracijskega zvara. Zgornja slika je pogled v prečnem prerezu središča zvara, dobljenega z vzdolžnim rezanjem vzporedno z središče zvara, kot tudi meritev variacije globine ključavnice v realnem časuIPG-LDD kot dokaz.
Izboljšajte smer stabilnosti ključavnice
Med laserskim globoko prebojnim varjenjem lahko stabilnost majhne luknje zagotovi le dinamično ravnovesje različnih pritiskov v notranjosti luknje. Vendar pa so absorpcija laserske energije s steno luknje in izhlapevanje materialov, izmet kovinskih hlapov izven majhne luknje ter premikanje majhne luknje in bazena staline naprej zelo intenzivni in hitri procesi. Pod določenimi procesnimi pogoji, v določenih trenutkih med postopkom varjenja, obstaja možnost, da je stabilnost majhne luknje na lokalnih območjih motena, kar vodi do napak pri varjenju. Najbolj značilne in pogoste so majhne porozne napake tipa por in brizganje, ki jih povzroči zrušitev ključavnice;
Kako torej stabilizirati ključavnico?
Nihanje tekočine v ključavnici je razmeroma zapleteno in vključuje preveč dejavnikov (temperaturno polje, polje toka, polje sil, optoelektronska fizika), ki jih je mogoče preprosto povzeti v dve kategoriji: razmerje med površinsko napetostjo in povratnim tlakom kovinske pare; Povratni tlak kovinske pare neposredno vpliva na nastanek ključavnic, kar je tesno povezano z globino in prostornino ključavnic. Hkrati je kot edina navzgor gibljiva snov kovinske pare v procesu varjenja tesno povezana tudi s pojavom brizganja; Površinska napetost vpliva na tok bazena staline;
Tako stabilen postopek laserskega varjenja je odvisen od vzdrževanja gradienta porazdelitve površinske napetosti v bazenu staline brez prevelikih nihanj. Površinska napetost je povezana s porazdelitvijo temperature, porazdelitev temperature pa z virom toplote. Zato sta kompozitni vir toplote in nihajno varjenje možna tehnična navodila za stabilen postopek varjenja;
Pri kovinski pari in volumnu ključavnice je treba paziti na učinek plazme in velikost odprtine ključavnice. Večja kot je odprtina, večja je ključavnica in zanemarljiva nihanja na spodnji točki bazena taline, ki imajo relativno majhen vpliv na celotno prostornino ključavnice in spremembe notranjega tlaka; Laser z nastavljivim obročnim načinom (obročasta točka), rekombinacija laserskega loka, frekvenčna modulacija itd. so vse smeri, ki jih je mogoče razširiti.
Čas objave: 1. december 2023
