Nastanak i razvoj ključanica:
Definicija ključanice: Kada je zračenje veće od 10 ^ 6W/cm ^ 2, površina materijala se topi i isparava pod djelovanjem lasera. Kada je brzina isparavanja dovoljno velika, generirani povratni tlak pare dovoljan je da nadvlada površinsku napetost i gravitaciju tekućeg metala, čime se istiskuje dio tekućeg metala, uzrokujući tonjenje rastaljenog bazena u zoni pobude i stvaranje malih jamica ; Snop svjetlosti izravno djeluje na dno male jame, uzrokujući daljnje taljenje i rasplinjavanje metala. Visokotlačna para nastavlja tjerati tekući metal na dnu jame da teče prema periferiji rastaljenog bazena, dodatno produbljujući malu rupu. Ovaj proces se nastavlja, na kraju stvarajući ključanicu nalik rupi u tekućem metalu. Kada tlak metalne pare generiran laserskom zrakom u maloj rupici dosegne ravnotežu s površinskom napetosti i gravitacijom tekućeg metala, mala rupa se više ne produbljuje i formira malu rupu stabilnu dubinu, što se naziva "učinak male rupe" .
Kako se laserska zraka pomiče u odnosu na radni komad, mala rupa pokazuje blago zakrivljenu prednju stranu i jasno nagnuti obrnuti trokut straga. Prednji rub male rupice je područje djelovanja lasera, s visokom temperaturom i visokim tlakom pare, dok je temperatura duž stražnjeg ruba relativno niska, a tlak pare mali. Pod tom razlikom tlaka i temperature, rastaljena tekućina teče oko male rupe od prednjeg kraja prema stražnjem kraju, formirajući vrtlog na stražnjem kraju male rupe, i konačno se skrutne na stražnjem rubu. Dinamičko stanje ključanice dobiveno laserskom simulacijom i stvarnim zavarivanjem prikazano je na gornjoj slici, Morfologija malih rupa i protok okolne rastaljene tekućine tijekom putovanja različitim brzinama.
Zbog prisutnosti malih rupa, energija laserske zrake prodire u unutrašnjost materijala, tvoreći ovaj duboki i uski zavareni šav. Tipična morfologija poprečnog presjeka zavara dubokog prodiranja laserom prikazana je na gornjoj slici. Dubina prodiranja zavara je blizu dubine ključanice (da budemo precizni, metalografski sloj je 60-100um dublji od ključanice, jedan tekući sloj manje). Što je veća gustoća energije lasera, to je mala rupa dublja i veća je dubina prodiranja zavarenog šava. Kod laserskog zavarivanja velike snage, najveći omjer dubine i širine zavarenog šava može doseći 12:1.
Analiza apsorpcijelaserska energijapo ključanici
Prije stvaranja malih rupa i plazme, energija lasera se uglavnom prenosi u unutrašnjost obratka putem toplinske vodljivosti. Postupak zavarivanja spada u vodljivo zavarivanje (s dubinom prodiranja manjom od 0,5 mm), a stupanj apsorpcije lasera od materijala je između 25-45%. Nakon što se formira ključanica, energiju lasera uglavnom apsorbira unutrašnjost izratka kroz efekt ključanice, a proces zavarivanja postaje zavarivanje dubokim prodiranjem (s dubinom prodiranja većom od 0,5 mm), Stopa apsorpcije može doseći preko 60-90%.
Efekt ključanice igra iznimno važnu ulogu u povećanju apsorpcije lasera tijekom obrade kao što je lasersko zavarivanje, rezanje i bušenje. Laserska zraka koja ulazi u ključanicu gotovo se potpuno apsorbira kroz višestruku refleksiju od zida rupe.
Općenito se vjeruje da mehanizam apsorpcije energije lasera unutar ključanice uključuje dva procesa: reverznu apsorpciju i Fresnelovu apsorpciju.
Ravnoteža tlaka unutar ključanice
Tijekom laserskog zavarivanja dubokim prodiranjem, materijal prolazi kroz ozbiljno isparavanje, a ekspanzijski tlak generiran visokotemperaturnom parom izbacuje tekući metal, stvarajući male rupe. Uz tlak pare i tlak ablacije (također poznat kao sila reakcije isparavanja ili povratni tlak) materijala, postoji i površinska napetost, statički tlak tekućine uzrokovan gravitacijom i dinamički tlak tekućine generiran protokom rastaljenog materijala unutar mala rupa. Među tim pritiscima samo tlak pare održava otvor malog otvora, dok ostale tri sile nastoje zatvoriti otvor. Kako bi se održala stabilnost ključanice tijekom procesa zavarivanja, tlak pare mora biti dovoljan da nadvlada druge otpore i postigne ravnotežu, održavajući dugoročnu stabilnost ključanice. Radi jednostavnosti, općenito se vjeruje da su sile koje djeluju na stijenku ključanice uglavnom tlak ablacije (tlak povratne pare metala) i površinska napetost.
Nestabilnost ključanice
Pozadina: Laser djeluje na površinu materijala, uzrokujući isparavanje velike količine metala. Povratni pritisak pritišće bazen rastaline, stvarajući ključanice i plazmu, što rezultira povećanjem dubine taljenja. Tijekom procesa pomicanja, laser udara u prednju stijenku ključanice, a položaj u kojem laser dolazi u kontakt s materijalom uzrokovat će ozbiljno isparavanje materijala. U isto vrijeme, stijenka ključanice će doživjeti gubitak mase, a isparavanje će stvoriti povratni pritisak koji će pritisnuti tekući metal, uzrokujući da unutarnja stijenka ključanice fluktuira prema dolje i kreće se oko dna ključanice prema stražnji dio rastaljenog bazena. Zbog fluktuacije bazena tekuće rastaline od prednje do stražnje stijenke, volumen unutar ključanice se stalno mijenja. Unutarnji tlak ključanice također se mijenja u skladu s tim, što dovodi do promjene u volumenu raspršene plazme. . Promjena volumena plazme dovodi do promjena u zaštiti, lomu i apsorpciji laserske energije, što rezultira promjenama u energiji lasera koji dopire do površine materijala. Cijeli proces je dinamičan i periodičan, što u konačnici rezultira valovitim prodiranjem metala u obliku zuba pile, a nema glatkog jednakog prodiranja zavara. Gornja slika je pogled na presjek središta zavara dobiven uzdužnim rezanjem paralelnim s središta zavara, kao i mjerenje varijacije dubine ključanice u stvarnom vremenuIPG-LDD kao dokaz.
Poboljšajte smjer stabilnosti ključanice
Tijekom laserskog zavarivanja dubokim prodiranjem, stabilnost male rupe može se osigurati samo dinamičkom ravnotežom različitih pritisaka unutar rupe. Međutim, apsorpcija laserske energije od strane stijenke rupe i isparavanje materijala, izbacivanje metalne pare izvan male rupe i kretanje male rupe i rastaljenog bazena prema naprijed vrlo su intenzivni i brzi procesi. Pod određenim uvjetima procesa, u određenim trenucima tijekom procesa zavarivanja, postoji mogućnost da stabilnost male rupe može biti poremećena u lokalnim područjima, što dovodi do grešaka u zavarivanju. Najtipičniji i najčešći su defekti poroznosti tipa malih pora i prskanje uzrokovano kolapsom ključanice;
Dakle, kako stabilizirati ključanicu?
Fluktuacija tekućine u ključanici je relativno složena i uključuje previše čimbenika (temperaturno polje, polje protoka, polje sile, optoelektronička fizika), koji se mogu jednostavno sažeti u dvije kategorije: odnos između površinske napetosti i povratnog tlaka metalne pare; Povratni tlak metalne pare izravno djeluje na stvaranje ključanica, što je usko povezano s dubinom i volumenom ključanica. U isto vrijeme, kao jedina supstanca metalne pare koja se kreće prema gore u procesu zavarivanja, također je usko povezana s pojavom prskanja; Površinska napetost utječe na tok bazena rastaljene tvari;
Dakle, stabilan proces laserskog zavarivanja ovisi o održavanju gradijenta distribucije površinske napetosti u bazenu rastaljene mase, bez prevelikih fluktuacija. Površinska napetost povezana je s raspodjelom temperature, a raspodjela temperature s izvorom topline. Stoga su kompozitni izvor topline i zavarivanje s ljuljanjem mogući tehnički smjerovi za stabilan proces zavarivanja;
Kod metalne pare i volumena ključanice potrebno je obratiti pozornost na učinak plazme i veličinu otvora ključanice. Što je veći otvor, veća je ključanica i zanemarive su fluktuacije u donjoj točki bazena taline, koje imaju relativno mali utjecaj na ukupni volumen ključanice i promjene unutarnjeg tlaka; Dakle, laser s podesivim prstenastim načinom rada (prstenasta točka), rekombinacija laserskog luka, frekvencijska modulacija itd. sve su to smjerovi koji se mogu proširiti.
Vrijeme objave: 1. prosinca 2023
