Nastanek in razvoj ključavnic:
Definicija ključavnice: Ko je sevalna intenzivnost večja od 10^6W/cm^2, se površina materiala pod vplivom laserja stopi in izhlapi. Ko je hitrost izhlapevanja dovolj velika, je ustvarjeni tlak odboja pare zadosten, da premaga površinsko napetost in tekočo težo tekoče kovine, s čimer izpodrine del tekoče kovine, zaradi česar se staljena lokva v vzbujevalnem območju pogrezne in tvori majhne jamice; svetlobni žarek neposredno deluje na dno majhne jamice, zaradi česar se kovina še naprej tali in uplinja. Visokotlačna para še naprej sili tekočo kovino na dnu jamice, da teče proti obrobju staljene lokve, kar še dodatno poglablja majhno luknjo. Ta proces se nadaljuje in na koncu v tekoči kovini tvori luknjo, podobno ključavnici. Ko tlak kovinske pare, ki ga ustvari laserski žarek v majhni luknji, doseže ravnovesje s površinsko napetostjo in težo tekoče kovine, se majhna luknja ne poglablja več in tvori majhno luknjo, ki je stabilna po globini, kar imenujemo "učinek majhne luknje".
Ko se laserski žarek premika glede na obdelovanec, majhna luknja kaže rahlo nazaj ukrivljen sprednji del in jasno nagnjen obrnjen trikotnik na zadnji strani. Sprednji rob majhne luknje je območje delovanja laserja z visoko temperaturo in visokim parnim tlakom, medtem ko je temperatura vzdolž zadnjega roba relativno nizka in parni tlak majhen. Pod to razliko tlaka in temperature staljena tekočina teče okoli majhne luknje od sprednjega do zadnjega konca, pri čemer na zadnjem koncu majhne luknje tvori vrtinec in se na koncu strdi na zadnjem robu. Dinamično stanje ključavnice, pridobljeno z lasersko simulacijo in dejanskim varjenjem, je prikazano na zgornji sliki. Morfologija majhnih lukenj in tok okoliške staljene tekočine med potovanjem z različnimi hitrostmi.
Zaradi prisotnosti majhnih lukenj energija laserskega žarka prodre v notranjost materiala in tvori ta globok in ozek varilni šiv. Tipična morfologija prečnega prereza lasersko globoko prodirajočega varilnega šiva je prikazana na zgornji sliki. Globina prodiranja varilnega šiva je blizu globine ključavnice (natančneje, metalografska plast je 60–100 μm globlja od ključavnice, ena tekoča plast manj). Višja kot je gostota laserske energije, globlja je majhna luknja in večja je globina prodiranja varilnega šiva. Pri varjenju z visokozmogljivim laserjem lahko največje razmerje med globino in širino varilnega šiva doseže 12:1.
Analiza absorpcijelaserska energijaskozi ključavnico
Preden se oblikujejo majhne luknje in plazma, se laserska energija prenaša predvsem v notranjost obdelovanca s toplotno prevodnostjo. Varilni postopek spada med prevodna varjenja (z globino prodiranja manj kot 0,5 mm), stopnja absorpcije laserske svetlobe v materialu pa je med 25 in 45 %. Ko je odprtina oblikovana, se laserska energija v glavnem absorbira v notranjost obdelovanca zaradi učinka odprtine, postopek varjenja pa postane varjenje z globoko penetracijo (z globino prodiranja več kot 0,5 mm). Stopnja absorpcije lahko doseže več kot 60–90 %.
Učinek ključavnice igra izjemno pomembno vlogo pri povečanju absorpcije laserja med obdelavo, kot so 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: povratno absorpcijo in Fresnelovo absorpcijo.
Ravnovesje tlaka znotraj ključavnice
Med laserskim varjenjem z globoko penetracijo se material močno upari, ekspanzijski tlak, ki ga ustvarja visokotemperaturna para, pa iztisne tekočo kovino in tvori majhne luknje. Poleg parnega tlaka in ablacijskega tlaka (znanega tudi kot sila reakcije izhlapevanja ali tlak odboja) materiala obstajajo tudi površinska napetost, statični tlak tekočine, ki ga povzroča gravitacija, in dinamični tlak tekočine, ki ga ustvarja tok staljenega materiala znotraj majhne luknje. Med temi tlaki le tlak pare vzdržuje odprtino majhne luknje, medtem ko si ostale tri sile prizadevajo zapreti majhno luknjo. Da bi ohranili stabilnost ključavnice med varjenjem, mora biti tlak pare zadosten, da premaga druge upore in doseže ravnovesje, s čimer se ohrani dolgoročna stabilnost ključavnice. Zaradi poenostavitve velja splošno prepričanje, da sta sile, ki delujejo na steno ključavnice, predvsem ablacijski tlak (tlak odboja kovinske pare) in površinska napetost.
Nestabilnost ključavnice
Ozadje: Laser deluje na površino materialov in povzroča izhlapevanje velike količine kovine. Odbojni tlak pritiska na staljeno talino, kar tvori rupice in plazmo, kar povzroči povečanje globine taljenja. Med premikanjem laser zadene sprednjo steno rupice, in mesto, kjer se laser dotakne materiala, povzroči močno izhlapevanje materiala. Hkrati bo stena rupice izgubila maso, izhlapevanje pa bo ustvarilo odbojni tlak, ki bo pritiskal na tekočo kovino, zaradi česar bo notranja stena rupice nihala navzdol in se premikala po dnu rupice proti zadnjemu delu staljene taline. Zaradi nihanja tekoče staljene taline od sprednje do zadnje stene se prostornina v rupici nenehno spreminja. S tem se spreminja tudi notranji tlak v rupici, kar vodi do spremembe prostornine izbrizgane plazme. Sprememba prostornine plazme vodi do sprememb v zaščiti, lomu in absorpciji laserske energije, kar povzroči spremembe v energiji laserja, ki doseže površino materiala. Celoten postopek je dinamičen in periodičen, kar na koncu povzroči žagasto in valovito penetracijo kovine, pri čemer ni gladkega varjenja z enakomerno penetracijo. Zgornja slika prikazuje prečni prerez središča varjenja, dobljenega z vzdolžnim rezanjem, vzporednim s središčem varjenja, ter meritev spremembe globine ključavnice v realnem času zIPG-LDD kot dokaz.
Izboljšajte smer stabilnosti ključavnice
Med laserskim varjenjem z globoko penetracijo je stabilnost majhne luknje mogoče zagotoviti le z dinamičnim ravnovesjem različnih tlakov znotraj luknje. Vendar pa so absorpcija laserske energije s strani stene luknje in izhlapevanje materialov, izmet kovinske pare zunaj majhne luknje ter premikanje majhne luknje in staljene kadi naprej zelo intenzivni in hitri procesi. Pod določenimi procesnimi pogoji obstaja v določenih trenutkih med varjenjem možnost, da se stabilnost majhne luknje na nekaterih območjih poruši, kar povzroči napake pri varjenju. Najpogostejše so napake poroznosti tipa majhnih por in brizganje, ki nastane zaradi zrušitve ključavnice;
Kako torej stabilizirati ključavnico?
Nihanje tekočine v ključavnici je relativno kompleksno in vključuje preveč dejavnikov (temperaturno polje, polje toka, polje sil, optoelektronska fizika), ki jih lahko preprosto povzamemo v dve kategoriji: razmerje med površinsko napetostjo in tlakom odboja kovinskih hlapov; tlak odboja kovinskih hlapov neposredno vpliva na nastanek ključavnic, kar je tesno povezano z globino in prostornino ključavnic. Hkrati je kot edina navzgor premikajoča se snov kovinskih hlapov v varilnem procesu tesno povezana tudi s pojavom brizganja; površinska napetost vpliva na pretok staljene tekočine;
Stabilen postopek laserskega varjenja je torej odvisen od vzdrževanja gradienta porazdelitve površinske napetosti v staljeni talini brez prevelikih nihanj. Površinska napetost je povezana s porazdelitvijo temperature, porazdelitev temperature pa z virom toplote. Zato sta kompozitni vir toplote in nihajno varjenje potencialni tehnični smeri za stabilen postopek varjenja;
Pri izbiri kovinske pare in volumna ključavnice je treba upoštevati plazemski učinek in velikost odprtine ključavnice. Večja kot je odprtina, večja je ključavnica in zanemarljiva so nihanja v spodnji točki taline, kar ima relativno majhen vpliv na celotno prostornino ključavnice in spremembe notranjega tlaka; zato je mogoče razširiti lasersko delovanje z nastavljivim obročastim načinom (obročasta točka), rekombinacijo laserskega loka, frekvenčno modulacijo itd.
Čas objave: 1. dec. 2023
