Lasermaterjali vastastikmõju – võtmeaugu efekt

Võtmeaukude teke ja areng:

Võtmeaugu definitsioon: Kui kiirgustihedus on suurem kui 10 ^ 6 W/cm ^ 2, siis materjali pind sulab ja aurustub laseri toimel. Kui aurustumiskiirus on piisavalt suur, on tekkiv auru tagasilöögirõhk piisav, et ületada vedela metalli pindpinevust ja gravitatsiooni, tõrjudes seeläbi osa vedelast metallist välja, põhjustades ergastusvööndis oleva sulabasseini vajumist ja väikeste aukude moodustumist. Valguskiir mõjub otse väikese augu põhja, põhjustades metalli edasist sulamist ja gaasistumist. Kõrgsurveaur sunnib jätkuvalt auku põhjas olevat vedelat metalli voolama sulabasseini perifeeria poole, süvendades veelgi väikest auku. See protsess jätkub, moodustades lõpuks vedelasse metalli võtmeaugu sarnase augu. Kui laserkiire tekitatud metalli aururõhk väikeses augus saavutab tasakaalu vedela metalli pindpinevuse ja gravitatsiooniga, siis väike auk enam ei süvene ja moodustab sügavusega stabiilse väikese augu, mida nimetatakse "väikese augu efektiks".

Kui laserkiir liigub töödeldava detaili suhtes, on väikesel augul kergelt tahapoole kumer esiosa ja tagaosa selgelt kaldu ümberpööratud kolmnurk. Väikese augu esiserv on laseri toimepiirkond, kus on kõrge temperatuur ja kõrge aururõhk, samas kui tagumise serva temperatuur on suhteliselt madal ja aururõhk väike. Selle rõhu ja temperatuuri erinevuse korral voolab sula vedelik väikese augu ümber esiotsast tagumisse otsa, moodustades väikese augu tagumises otsas keerise ja lõpuks tahkestub tagumises servas. Lazersimulatsiooni ja tegeliku keevitamise abil saadud võtmeaugu dünaamiline olek on näidatud ülaltoodud joonisel. Väikeste aukude morfoloogia ja ümbritseva sula vedeliku vool erinevatel kiirustel liikumise ajal.

Väikeste aukude olemasolu tõttu tungib laserkiire energia materjali sisemusse, moodustades selle sügava ja kitsa keevisõmbluse. Laseri sügava läbitungimisega keevisõmbluse tüüpiline ristlõike morfoloogia on näidatud ülaltoodud joonisel. Keevisõmbluse läbitungimissügavus on lähedane võtmeaugu sügavusele (täpsemalt öeldes on metallograafiline kiht 60–100 μm sügavam kui võtmeauk, üks vedelikukiht vähem). Mida suurem on laseri energiatihedus, seda sügavam on väike auk ja seda suurem on keevisõmbluse läbitungimissügavus. Suure võimsusega laserkeevituse korral võib keevisõmbluse maksimaalne sügavuse ja laiuse suhe ulatuda 12:1-ni.

Imendumise analüüslaserenergiavõtmeaugu kaudu

Enne väikeste aukude ja plasma moodustumist kandub laserkiire energia peamiselt töödeldava detaili sisemusse soojusjuhtivuse kaudu. Keevitusprotsess kuulub juhtiva keevituse hulka (läbitungimissügavus alla 0,5 mm) ja materjali neeldumiskiirus laserkiire poolt on 25–45%. Kui võtmeauk on moodustunud, neelab laserkiire energia võtmeauku efekti kaudu peamiselt töödeldava detaili sisemusse ja keevitusprotsess muutub sügava läbitungimisega keevituseks (läbitungimissügavus üle 0,5 mm). Neeldumiskiirus võib ulatuda üle 60–90%.

Võtmeaugu efekt mängib äärmiselt olulist rolli laserkiire neeldumise parandamisel selliste töötluste ajal nagu laserkeevitus, -lõikus ja -puurimine. Võtmeauku sisenev laserkiir neeldub peaaegu täielikult augu seina mitmekordsete peegelduste kaudu.

Üldiselt arvatakse, et laserkiire energia neeldumise mehhanism võtmeaugu sees hõlmab kahte protsessi: pöördneeldumist ja Fresneli neeldumist.

Rõhu tasakaal võtmeaugu sees

Laser-sügavkeevituse ajal aurustub materjal tugevalt ja kõrge temperatuuriga auru tekitatud paisumisrõhk surub vedela metalli välja, moodustades väikesed augud. Lisaks materjali aururõhule ja ablatsioonirõhule (tuntud ka kui aurustumisreaktsioonijõud või tagasilöögirõhk) on olemas ka pindpinevus, gravitatsioonist tingitud vedeliku staatiline rõhk ja väikese augu sees oleva sula materjali voolamise tekitatud vedeliku dünaamiline rõhk. Nende rõhkude hulgas hoiab ainult aururõhk väikese augu avatuna, samas kui ülejäänud kolm jõudu püüavad väikest auku sulgeda. Keevitusprotsessi ajal võtmeaugu stabiilsuse säilitamiseks peab aururõhk olema piisav, et ületada muu takistus ja saavutada tasakaal, säilitades võtmeaugu pikaajalise stabiilsuse. Lihtsuse mõttes arvatakse üldiselt, et võtmeaugu seinale mõjuvad jõud on peamiselt ablatsioonirõhk (metalli auru tagasilöögirõhk) ja pindpinevus.

Võtmeaugu ebastabiilsus

Taust: Laser toimib materjalide pinnale, põhjustades suure hulga metalli aurustumist. Tagasilöögirõhk surub sulametalli alla, moodustades võtmeaugud ja plasma, mille tulemuseks on sulamissügavuse suurenemine. Liikumise ajal tabab laser võtmeaugu esiseina ja koht, kus laser materjaliga kokku puutub, põhjustab materjali tugevat aurustumist. Samal ajal kaotab võtmeaugu sein massi ja aurustumine tekitab tagasilöögirõhu, mis surub vedelale metallile allapoole, põhjustades võtmeaugu siseseina allapoole kõikumist ja liikumist võtmeaugu põhja ümber sulametalli tagaosa suunas. Vedela sulametalli kõikumise tõttu esiseinast tagaseinale muutub võtmeaugu sees olev ruumala pidevalt. Ka võtmeaugu siserõhk muutub vastavalt, mis viib väljapihustatud plasma mahu muutumiseni. Plasma mahu muutus viib laserenergia varjestuse, murdumise ja neeldumise muutusteni, mille tulemuseks on muutused materjali pinnale jõudva laseri energias. Kogu protsess on dünaamiline ja perioodiline, mille tulemuseks on saehambakujuline ja laineline metalli läbitungimine ning puudub sujuv ja ühtlane läbitungimisega keevisõmblus. Ülaltoodud joonis on keevisõmbluse keskpunkti ristlõige, mis on saadud pikisuunalise lõikamise teel paralleelselt keevisõmbluse keskpunktiga, samuti võtmeaugu sügavuse varieerumise reaalajas mõõtmine.IPG-LDD tõendina.

Parandage võtmeaugu stabiilsussuunda

Laser-sügavkeevituse ajal saab väikese augu stabiilsuse tagada ainult augu sees olevate erinevate rõhkude dünaamilise tasakaalu abil. Laserenergia neeldumine augu seina poolt ja materjalide aurustumine, metalliauru väljutamine väikesest august väljapoole ning väikese augu ja sulavanni edasiliikumine on kõik väga intensiivsed ja kiired protsessid. Teatud protsessitingimustes, teatud keevitusprotsessi hetkedel on võimalik, et väikese augu stabiilsus võib lokaalselt häirida, mis viib keevitusdefektideni. Kõige tüüpilisemad ja levinumad on väikeste pooride tüüpi poorsusdefektid ja pritsmed, mis on põhjustatud võtmeaugu kokkuvarisemisest;

Kuidas siis võtmeauku stabiliseerida?

Võtmeaugu vedeliku kõikumine on suhteliselt keeruline ja hõlmab liiga palju tegureid (temperatuuriväli, vooluväli, jõuväli, optoelektrooniline füüsika), mida saab lihtsalt kokku võtta kahte kategooriasse: pindpinevuse ja metalliauru tagasilöögirõhu vaheline seos; metalliauru tagasilöögirõhk mõjutab otseselt võtmeaukude teket, mis on tihedalt seotud võtmeaukude sügavuse ja mahuga. Samal ajal, kuna see on keevitusprotsessis ainus ülespoole liikuv metalliauru aine, on see tihedalt seotud ka pritsmete tekkimisega; pindpinevus mõjutab sulavanni voolu;

Seega sõltub stabiilne laserkeevitusprotsess sulavannis pindpinevuse jaotusgradiendi säilitamisest, et vältida liigset kõikumist. Pindpinevus on seotud temperatuurijaotusega ja temperatuurijaotus on seotud soojusallikaga. Seetõttu on komposiitsoojusallikas ja kiikkeevitus stabiilse keevitusprotsessi potentsiaalsed tehnilised suunad;

Metalli auru ja võtmeaugu mahu puhul tuleb pöörata tähelepanu plasmaefektile ja võtmeaugu ava suurusele. Mida suurem on ava, seda suurem on võtmeauk ja sulamisbasseini alumise punkti kõikumised on tühised, millel on suhteliselt väike mõju võtmeaugu üldisele mahule ja siserõhu muutustele; Seega on reguleeritav rõngasrežiimiga laser (rõngakujuline punkt), laserkaare rekombinatsioon, sagedusmodulatsioon jne kõik suunad, mida saab laiendada.