Интеракција ласера ​​са материјалом – ефекат кључаонице

Формирање и развој кључаоница:

Дефиниција кључаонице: Када је зрачење веће од 10^6W/cm^2, површина материјала се топи и испарава под дејством ласера. Када је брзина испаравања довољно велика, генерисани притисак паре је довољан да превазиђе површински напон и гравитацију течног метала, чиме се потискује део течног метала, узрокујући да растопљени базен у зони побуђивања потоне и формира мале јаме; Сноп светлости директно делује на дно мале јаме, узрокујући даље топљење и гасификовање метала. Пара високог притиска наставља да приморава течни метал на дну јаме да тече ка периферији растопљеног базена, додатно продубљујући малу рупу. Овај процес се наставља, на крају формирајући рупу сличну кључаоници у течном металу. Када притисак паре метала који генерише ласерски сноп у малој рупи достигне равнотежу са површинским напоном и гравитацијом течног метала, мала рупа се више не продубљује и формира малу рупу стабилне дубине, што се назива „ефекат мале рупе“.

Како се ласерски зрак креће у односу на радни предмет, мали отвор показује благо уназад закривљен предњи део и јасно нагнут обрнути троугао позади. Предња ивица малог отвора је подручје деловања ласера, са високом температуром и високим притиском паре, док је температура дуж задње ивице релативно ниска, а притисак паре мали. Под овом разликом притиска и температуре, растопљена течност тече око малог отвора од предњег до задњег краја, формирајући вртлог на задњем крају малог отвора, и коначно се стврдњава на задњој ивици. Динамичко стање отвора за кључ добијено ласерском симулацијом и стварним заваривањем приказано је на горњој слици, Морфологија малих отвора и ток околне растопљене течности током кретања различитим брзинама.

Због присуства малих рупа, енергија ласерског зрака продире у унутрашњост материјала, формирајући овај дубоки и уски заварени шав. Типична морфологија попречног пресека ласерског дубоког продирања завара приказана је на горњој слици. Дубина продирања завара је близу дубине кључаонице (тачније, металографски слој је 60-100μm дубљи од кључаонице, један слој течности мање). Што је већа густина ласерске енергије, то је дубљи мали руп и већа је дубина продирања завара. Код ласерског заваривања велике снаге, максимални однос дубине и ширине завара може достићи 12:1.

Анализа апсорпцијеласерска енергијакроз кључаоницу

Пре формирања малих рупа и плазме, енергија ласера ​​се углавном преноси у унутрашњост радног предмета путем топлотне проводљивости. Процес заваривања спада у кондуктивно заваривање (са дубином продирања мањом од 0,5 мм), а стопа апсорпције ласера ​​у материјалу је између 25-45%. Када се формира рупа, енергија ласера ​​се углавном апсорбује у унутрашњост радног предмета кроз ефекат рупе, а процес заваривања постаје заваривање дубоког продирања (са дубином продирања већом од 0,5 мм). Стопа апсорпције може достићи преко 60-90%.

Ефекат кључаонице игра изузетно важну улогу у побољшању апсорпције ласера ​​током обраде као што су ласерско заваривање, сечење и бушење. Ласерски зрак који улази у кључаоницу се скоро потпуно апсорбује кроз вишеструке рефлексије од зида рупе.

Генерално се верује да механизам апсорпције енергије ласера ​​унутар кључаонице укључује два процеса: обрнуту апсорпцију и Френелову апсорпцију.

Равнотежа притиска унутар кључаонице

Током ласерског дубоког продирања, материјал подлеже јаком испаравању, а притисак ширења који генерише пара високе температуре избацује течни метал, формирајући мале рупе. Поред притиска паре и притиска аблације (познатог и као сила реакције испаравања или притисак трзаја) материјала, постоје и површински напон, статички притисак течности изазван гравитацијом и динамички притисак флуида генерисан протоком растопљеног материјала унутар мале рупе. Међу овим притисцима, само притисак паре одржава отвор мале рупе, док остале три силе теже да затворе малу рупу. Да би се одржала стабилност кључаонице током процеса заваривања, притисак паре мора бити довољан да превазиђе друге отпоре и постигне равнотежу, одржавајући дугорочну стабилност кључаонице. Ради једноставности, генерално се сматра да су силе које делују на зид кључаонице углавном притисак аблације (притисак трзаја металне паре) и површински напон.

Нестабилност кључаонице

Позадина: Ласер делује на површину материјала, узрокујући испаравање велике количине метала. Притисак трзаја притиска растопљени базен, формирајући кључаонице и плазму, што резултира повећањем дубине топљења. Током процеса кретања, ласер удара у предњи зид кључаонице, а место где ласер додирује материјал изазваће јако испаравање материјала. Истовремено, зид кључаонице ће доживети губитак масе, а испаравање ће створити притисак трзаја који ће притискати течни метал, узрокујући да унутрашњи зид кључаонице флуктуира надоле и креће се око дна кључаонице према задњем делу растопљеног базена. Због флуктуације течног растопљеног базена од предњег до задњег зида, запремина унутар кључаонице се стално мења. Унутрашњи притисак кључаонице се такође мења сходно томе, што доводи до промене запремине плазме која се распршује. Промена запремине плазме доводи до промена у заштити, преламању и апсорпцији ласерске енергије, што резултира променама у енергији ласера ​​која допире до површине материјала. Читав процес је динамичан и периодичан, што на крају резултира пенетрацијом метала у облику тестера и таласа, и нема глатког завара са једнаким пенетрацијама. Горња слика је попречни пресек центра завара добијеног уздужним сечењем паралелно са центром завара, као и мерење варијације дубине кључаонице у реалном времену помоћу...ИПГ-ЛДД као доказ.

Побољшајте правац стабилности кључаонице

Током ласерског дубоког заваривања, стабилност малог отвора може се осигурати само динамичком равнотежом различитих притисака унутар отвора. Међутим, апсорпција ласерске енергије од стране зида отвора и испаравање материјала, избацивање металне паре изван малог отвора и кретање малог отвора и растопљеног базена напред су веома интензивни и брзи процеси. Под одређеним условима процеса, у одређеним тренуцима током процеса заваривања, постоји могућност да се стабилност малог отвора локално поремети, што доводи до дефеката заваривања. Најтипичнији и најчешћи су дефекти порозности типа малих пора и прскање изазвано урушавањем кључаонице;

Па како стабилизовати кључаоницу?

Флуктуација течности у кључаоници је релативно сложена и укључује превише фактора (температурно поље, поље протока, поље сила, оптоелектронска физика), који се једноставно могу сумирати у две категорије: однос између површинског напона и притиска трзаја металне паре; Притисак трзаја металне паре директно делује на стварање кључаоница, што је уско повезано са дубином и запремином кључаоница. Истовремено, као једина супстанца металне паре која се креће навише у процесу заваривања, такође је уско повезана са појавом прскања; Површински напон утиче на ток растопљеног базена;

Дакле, стабилан процес ласерског заваривања зависи од одржавања градијента расподеле површинског напона у растопљеном базену, без превеликих флуктуација. Површински напон је повезан са расподелом температуре, а расподела температуре је повезана са извором топлоте. Стога су композитни извор топлоте и заваривање са замахом потенцијални технички правци за стабилан процес заваривања;

Метална пара и запремина кључаонице морају обратити пажњу на ефекат плазме и величину отвора кључаонице. Што је отвор већи, то је отвор кључаонице већи, а флуктуације у доњој тачки растопљеног базена су занемарљиве, што има релативно мали утицај на укупну запремину кључаонице и промене унутрашњег притиска; Дакле, подесиви прстенасти ласерски режим (прстенаста тачка), рекомбинација ласерског лука, фреквентна модулација итд. су све правци који се могу проширити.