Формування і розвиток замкових щілин:
Визначення замкової щілини: коли радіаційне опромінення перевищує 10 ^ 6 Вт/см ^ 2, поверхня матеріалу плавиться і випаровується під дією лазера.Коли швидкість випаровування є достатньо великою, створюваний тиск віддачі пари є достатнім, щоб подолати поверхневий натяг і гравітацію рідини рідкого металу, таким чином витісняючи частину рідкого металу, змушуючи розплавлену ванну в зоні збудження опускатися та утворювати невеликі ямки ;Промінь світла безпосередньо впливає на дно невеликої ями, спричиняючи подальше плавлення та газифікацію металу.Пара під високим тиском продовжує змушувати рідкий метал на дні ями текти до периферії басейну розплаву, ще більше поглиблюючи невеликий отвір.Цей процес триває, зрештою утворюючи замкову щілину в рідкому металі.Коли тиск пари металу, створюваний лазерним променем у маленькому отворі, досягає рівноваги з поверхневим натягом і силою тяжіння рідкого металу, малий отвір більше не поглиблюється й утворює невеликий отвір зі стабільною глибиною, що називається «ефектом малого отвору». .
Коли лазерний промінь рухається відносно деталі, маленький отвір показує трохи загнуту передню частину та чітко нахилений перевернутий трикутник позаду.Передній край маленького отвору є зоною дії лазера з високою температурою та високим тиском пари, тоді як температура вздовж заднього краю є відносно низькою, а тиск пари невеликим.Під цим тиском і різницею температур розплавлена рідина тече навколо маленького отвору від переднього кінця до заднього, утворюючи вихор на задньому кінці маленького отвору, і, нарешті, твердне на задньому краю.Динамічний стан замкової щілини, отриманий за допомогою лазерного моделювання та фактичного зварювання, показано на наведеному вище малюнку Морфологія малих отворів і потік навколишньої розплавленої рідини під час руху з різними швидкостями.
Завдяки наявності невеликих отворів енергія лазерного променя проникає всередину матеріалу, утворюючи цей глибокий і вузький зварний шов.Типова морфологія поперечного перерізу лазерного зварного шва глибокого провару показана на малюнку вище.Глибина провару зварного шва близька до глибини замкової щілини (точніше, металографічний шар на 60-100 мкм глибше замкової щілини, на один рідкий шар менше).Чим вища щільність енергії лазера, тим глибше малий отвір і тим більше глибина проплавлення зварного шва.При високопотужному лазерному зварюванні максимальне відношення глибини до ширини зварювального шва може досягати 12:1.
Аналіз поглинаннялазерна енергіячерез замкову щілину
Перед утворенням невеликих отворів і плазми енергія лазера в основному передається всередину заготовки через теплопровідність.Процес зварювання відноситься до кондуктивного зварювання (з глибиною проплавлення менше 0,5 мм), а ступінь поглинання лазера матеріалом становить 25-45%.Після формування замкової щілини енергія лазера в основному поглинається внутрішньою частиною заготовки через ефект замкової щілини, і процес зварювання стає зварюванням глибокого провару (з глибиною проникнення більше 0,5 мм). Швидкість поглинання може досягати понад 60-90%.
Ефект замкової щілини відіграє надзвичайно важливу роль у посиленні поглинання лазера під час обробки, наприклад лазерного зварювання, різання та свердління.Лазерний промінь, що потрапляє в замкову щілину, майже повністю поглинається через численні відбиття від стінки отвору.
Загальноприйнято вважати, що механізм поглинання енергії лазера всередині замкової щілини включає два процеси: зворотне поглинання та поглинання Френеля.
Баланс тиску в замковій щілині
Під час лазерного зварювання глибоким проплавленням матеріал зазнає сильного випаровування, а тиск розширення, створюваний високотемпературною парою, викидає рідкий метал, утворюючи невеликі отвори.Окрім тиску пари та тиску абляції (також відомого як сила реакції випаровування або тиск віддачі) матеріалу, існує також поверхневий натяг, статичний тиск рідини, спричинений силою тяжіння, та динамічний тиск рідини, створений потоком розплавленого матеріалу всередині маленький отвір.Серед цих тисків тільки тиск пари підтримує відкриття маленького отвору, тоді як інші три сили прагнуть закрити малий отвір.Щоб підтримувати стабільність замкової щілини під час процесу зварювання, тиск пари має бути достатнім, щоб подолати інший опір і досягти рівноваги, зберігаючи довготривалу стабільність замкової щілини.Для простоти зазвичай вважається, що сили, що діють на стінку замкової щілини, це головним чином абляційний тиск (тиск віддачі пари металу) і поверхневий натяг.
Нестабільність Keyhole
Передумови: лазер діє на поверхню матеріалів, викликаючи випаровування великої кількості металу.Тиск віддачі тисне на розплавлену ванну, утворюючи замкові щілини та плазму, що призводить до збільшення глибини плавлення.Під час руху лазер потрапляє на передню стінку замкової щілини, і місце, де лазер контактує з матеріалом, призведе до сильного випаровування матеріалу.У той же час стінка замкової щілини втратить масу, а випаровування створить тиск віддачі, який тисне на рідкий метал, змушуючи внутрішню стінку замкової щілини коливатися вниз і рухатися навколо дна замкової щілини в напрямку до задній частині розплавленого басейну.Через коливання рідкого розплавленого басейну від передньої стінки до задньої стінки, об’єм всередині замкової щілини постійно змінюється. Внутрішній тиск замкової щілини також змінюється відповідно, що призводить до зміни об’єму плазми, що розпилюється. .Зміна об’єму плазми призводить до змін екранування, заломлення та поглинання лазерної енергії, в результаті чого змінюється енергія лазера, що досягає поверхні матеріалу.Весь процес є динамічним і періодичним, що в кінцевому підсумку призводить до пилкоподібного та хвилеподібного проникнення металу, і немає гладкого рівного проплавлення зварного шва. Наведене вище зображення є поперечним перерізом центру зварного шва, отриманого поздовжнім різанням, паралельним до центру зварного шва, а також вимірювання зміни глибини замкової щілини в режимі реального часуIPG-LDD як доказ.
Покращити напрямок стабільності замкової щілини
Під час лазерного зварювання глибоким проплавленням стабільність маленького отвору може бути забезпечена лише динамічним балансом різних тисків усередині отвору.Однак поглинання лазерної енергії стінкою отвору та випаровування матеріалів, викид парів металу за межі маленького отвору та рух вперед маленького отвору та розплавленої ванни є дуже інтенсивними та швидкими процесами.За певних умов процесу, у певні моменти процесу зварювання, існує ймовірність того, що стабільність маленького отвору може бути порушена в локальних областях, що призведе до дефектів зварювання.Найбільш типовими та поширеними з них є дрібні дефекти пористості типу пор і бризки, спричинені колапсом замкової щілини;
Отже, як стабілізувати замкову щілину?
Коливання рідини в замковій щілині є відносно складним і включає занадто багато факторів (температурне поле, поле потоку, силове поле, оптоелектронна фізика), які можна просто звести до двох категорій: взаємозв’язок між поверхневим натягом і тиском віддачі пари металу;Тиск віддачі пари металу безпосередньо впливає на утворення замкових щілин, що тісно пов’язане з глибиною та об’ємом замкових щілин.У той же час, як єдина речовина металевої пари, що рухається вгору, у процесі зварювання, вона також тісно пов’язана з виникненням бризок;Поверхневий натяг впливає на потік розплавленої ванни;
Отже, стабільний процес лазерного зварювання залежить від підтримки градієнта розподілу поверхневого натягу в розплавленій ванні без надто великих коливань.Поверхневий натяг пов’язаний з розподілом температури, а розподіл температури – з джерелом тепла.Таким чином, композиційне джерело тепла та поворотне зварювання є потенційними технічними напрямками для стабільного процесу зварювання;
Металева пара та обсяг замкової щілини повинні звернути увагу на ефект плазми та розмір отвору замкової щілини.Чим більше отвір, тим більше замкова щілина, і незначні коливання в нижній точці басейну розплаву, які мають відносно невеликий вплив на загальний об’єм замкової щілини та зміни внутрішнього тиску;Отже, регульований кільцевий лазер (кільцеподібна пляма), рекомбінація лазерної дуги, частотна модуляція тощо – це всі напрямки, які можна розширити.
Час публікації: 01 грудня 2023 р
