Формування та розвиток замкових щілин:
Визначення замкової щілини: Коли радіаційне випромінювання перевищує 10^6 Вт/см^2, поверхня матеріалу плавиться та випаровується під дією лазера. Коли швидкість випаровування достатньо велика, утворений тиск віддачі пари достатній для подолання поверхневого натягу та сили тяжіння рідкого металу, тим самим витісняючи частину рідкого металу, що призводить до опускання розплавленої ванни в зоні збудження та утворення невеликих ямок; промінь світла безпосередньо впливає на дно невеликої ямки, що призводить до подальшого плавлення та газифікації металу. Пара високого тиску продовжує змушувати рідкий метал на дні ямки текти до периферії розплавленої ванни, ще більше поглиблюючи невелику ямку. Цей процес продовжується, зрештою утворюючи отвір, схожий на замкову щілину, в рідкому металі. Коли тиск пари металу, що створюється лазерним променем у невеликій ямці, досягає рівноваги з поверхневим натягом та силою тяжіння рідкого металу, невелика ямка більше не поглиблюється та утворює невелику ямку зі стабільною глибиною, що називається «ефектом невеликої ямки».
Коли лазерний промінь рухається відносно заготовки, малий отвір демонструє злегка вигнутий назад передній край та чітко нахилений перевернутий трикутник ззаду. Передній край малого отвору є зоною дії лазера, з високою температурою та високим тиском пари, тоді як температура вздовж заднього краю відносно низька, а тиск пари невеликий. Під цією різницею тиску та температури розплавлена рідина обтікає малий отвір від переднього кінця до заднього, утворюючи вихор на задньому кінці малого отвору, і, зрештою, твердне на задньому краю. Динамічний стан замкової щілини, отриманий за допомогою лазерного моделювання та фактичного зварювання, показано на рисунку вище. Морфологія малих отворів та потік навколишньої розплавленої рідини під час руху з різною швидкістю.
Завдяки наявності малих отворів, енергія лазерного променя проникає всередину матеріалу, утворюючи цей глибокий і вузький зварний шов. Типова морфологія поперечного перерізу лазерного зварного шва глибокого проникнення показана на рисунку вище. Глибина проникнення зварного шва близька до глибини замкової щілини (точніше, металографічний шар на 60-100 мкм глибший за замкову щілину, на один рідкий шар менше). Чим вища щільність лазерної енергії, тим глибший малий отвір і тим більша глибина проникнення зварного шва. При потужному лазерному зварюванні максимальне співвідношення глибини до ширини зварного шва може досягати 12:1.
Аналіз поглинаннялазерна енергіячерез замкову щілину
До утворення невеликих отворів та плазми енергія лазера передається переважно всередину заготовки за допомогою теплопровідності. Процес зварювання належить до кондуктивного зварювання (глибина проникнення менше 0,5 мм), а коефіцієнт поглинання лазера матеріалом становить від 25 до 45%. Після утворення замкової щілини енергія лазера поглинається переважно внутрішньою частиною заготовки завдяки ефекту замкової щілини, і процес зварювання переходить у зварювання з глибоким проникненням (глибина проникнення понад 0,5 мм). Коефіцієнт поглинання може сягати понад 60-90%.
Ефект замкової щілини відіграє надзвичайно важливу роль у посиленні поглинання лазера під час обробки, такої як лазерне зварювання, різання та свердління. Лазерний промінь, що потрапляє в замкову щілину, майже повністю поглинається через багаторазові відбиття від стінки отвору.
Загальноприйнято вважати, що механізм поглинання енергії лазера всередині замкової щілини включає два процеси: зворотне поглинання та поглинання Френеля.
Баланс тиску всередині замкової щілини
Під час лазерного зварювання глибоким проникненням матеріал зазнає сильного випаровування, а тиск розширення, що створюється високотемпературною парою, виштовхує рідкий метал, утворюючи маленькі отвори. Окрім тиску пари та тиску абляції (також відомого як сила реакції випаровування або тиск віддачі) матеріалу, існують також поверхневий натяг, статичний тиск рідини, спричинений силою тяжіння, та динамічний тиск рідини, що створюється потоком розплавленого матеріалу всередині маленького отвору. Серед цих тисків лише тиск пари підтримує отвір маленького отвору, тоді як інші три сили прагнуть закрити його. Щоб підтримувати стабільність замкової щілини під час процесу зварювання, тиск пари має бути достатнім для подолання інших опорів та досягнення рівноваги, підтримуючи довготривалу стабільність замкової щілини. Для спрощення вважається, що сили, що діють на стінку замкової щілини, - це головним чином тиск абляції (тиск віддачі металевої пари) та поверхневий натяг.
Нестабільність замкової щілини
Передумови: Лазер впливає 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 контакту лазера з матеріалом спричиняє сильне випаровування матеріалу. Одночасно стінка замкової щілини втрачає масу, а випаровування створює тиск віддачі, який тисне на рідкий метал, змушуючи внутрішню стінку замкової щілини коливатися вниз і рухатися навколо дна замкової щілини до задньої частини розплавленої ванни. Через коливання рідкої розплавленої ванни від передньої до задньої стінки об'єм всередині замкової щілини постійно змінюється. Відповідно змінюється і внутрішній тиск у замковій щілині, що призводить до зміни об'єму плазми, що розпилюється. Зміна об'єму плазми призводить до змін екранування, заломлення та поглинання лазерної енергії, що призводить до змін енергії лазера, що досягає поверхні матеріалу. Весь процес є динамічним та періодичним, що зрештою призводить до пилкоподібного та хвилястого проникнення металу, і немає гладкого зварного шва з рівним проникненням. Наведений вище малюнок являє собою поперечний переріз центру зварного шва, отриманого поздовжнім різанням паралельно центру зварного шва, а також вимірювання зміни глибини замкової щілини в режимі реального часу за допомогою...ІПГ-LDD як доказ.
Покращення напрямку стабільності замкової щілини
Під час лазерного зварювання глибоким проникненням стабільність малого отвору може бути забезпечена лише динамічним балансом різних тисків всередині отвору. Однак поглинання лазерної енергії стінкою отвору та випаровування матеріалів, викидання металевої пари за межі малого отвору, а також рух малого отвору та розплавленої ванни вперед – все це дуже інтенсивні та швидкі процеси. За певних умов процесу, у певні моменти під час процесу зварювання, існує ймовірність порушення стабільності малого отвору в локальних зонах, що призводить до дефектів зварювання. Найбільш типовими та поширеними є дефекти пористості типу дрібних пор та розбризкування, спричинені руйнуванням замкової щілини;
То як же стабілізувати замкову щілину?
Коливання рідини, що утворює замкову щілину, є відносно складним процесом і включає 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 металевої пари; тиск віддачі металевої пари безпосередньо впливає на утворення замкових щілин, що тісно пов'язано з глибиною та об'ємом замкових щілин. Водночас, як єдина речовина металевої пари, що рухається вгору в процесі зварювання, він також тісно пов'язаний з виникненням розбризкування; поверхневий натяг впливає на потік розплавленої ванни;
Отже, стабільний процес лазерного зварювання залежить від підтримки градієнта розподілу поверхневого натягу в розплавленій ванні без надмірних коливань. Поверхневий натяг пов'язаний з розподілом температури, а розподіл температури пов'язаний з джерелом тепла. Тому композитне джерело тепла та зварювання з перемішуванням є потенційними технічними напрямками для стабільного процесу зварювання;
При визначенні об'єму металевої пари та замкової щілини необхідно враховувати плазмовий ефект та розмір отвору замкової щілини. Чим більший отвір, тим більша замкова щілина, і коливання в нижній точці розплавленої ванни незначні, що має відносно незначний вплив на загальний об'єм замкової щілини та зміни внутрішнього тиску; тому можна розширити лазерний режим з регульованим кільцевим режимом (кільцеподібна пляма), рекомбінацію лазерної дуги, частотну модуляцію тощо.
Час публікації: 01 грудня 2023 р.
