Formiranje i razvoj ključanica:
Definicija ključanice: Kada je ozračenost zračenja veća od 10^6W/cm^2, površina materijala se topi i isparava pod djelovanjem lasera. Kada je brzina isparavanja dovoljno velika, generirani tlak povratnog udara pare dovoljan je da prevlada površinsku napetost i gravitaciju tekućeg metala, čime se istiskuje dio tekućeg metala, uzrokujući da rastaljena lokva u zoni pobuđivanja tone i stvara male udubine; Snop svjetlosti izravno djeluje na dno male udubine, uzrokujući daljnje taljenje i rasplinjavanje metala. Visokotlačna para nastavlja prisiljavati tekući metal na dnu udubine da teče prema periferiji rastaljene lokve, dodatno produbljujući malu rupu. Ovaj proces se nastavlja, na kraju formirajući rupu sličnu ključanici u tekućem metalu. Kada tlak metalne pare koji generira laserska zraka u maloj rupi dostigne ravnotežu s površinskom napetošću i gravitacijom tekućeg metala, mala rupa se više ne produbljuje i formira malu rupu stabilne dubine, što se naziva "efekt male rupe".
Kako se laserska zraka pomiče u odnosu na obradak, mali otvor pokazuje blago unatrag zakrivljenu prednju stranu i jasno nagnut obrnuti trokut straga. Prednji rub malog otvora je područje djelovanja lasera, s visokom temperaturom i visokim tlakom pare, dok je temperatura duž stražnjeg ruba relativno niska, a tlak pare mali. Pod ovom razlikom tlaka i temperature, rastaljena tekućina teče oko malog otvora od prednjeg do stražnjeg kraja, stvarajući vrtlog na stražnjem kraju malog otvora i konačno se skrutnjava na stražnjem rubu. Dinamičko stanje ključanice dobiveno laserskom simulacijom i stvarnim zavarivanjem prikazano je na gornjoj slici. Morfologija malih otvora i tok okolne rastaljene tekućine tijekom kretanja različitim brzinama.
Zbog prisutnosti malih rupa, energija laserske zrake prodire u unutrašnjost materijala, formirajući ovaj duboki i uski zavareni šav. Tipična morfologija poprečnog presjeka laserski duboko prodiranog zavarenog šava prikazana je na gornjoj slici. Dubina prodiranja zavarenog šava blizu je dubine ključanice (točnije, metalografski sloj je 60-100 μm dublji od ključanice, jedan tekući sloj manje). Što je veća gustoća laserske energije, to je dublja mala rupa i veća dubina prodiranja zavarenog šava. Kod zavarivanja laserom velike snage, maksimalni omjer dubine i širine zavarenog šava može doseći 12:1.
Analiza apsorpcijelaserska energijakroz ključanicu
Prije stvaranja malih rupa i plazme, energija lasera se uglavnom prenosi u unutrašnjost obratka putem toplinske vodljivosti. Postupak zavarivanja pripada konduktivnom zavarivanju (s dubinom prodiranja manjom od 0,5 mm), a stopa apsorpcije lasera u materijalu je između 25-45%. Nakon što se formira ključanica, energiju lasera uglavnom apsorbira unutrašnjost obratka putem efekta ključanice, a postupak zavarivanja postaje duboko prodiranje (s dubinom prodiranja većom od 0,5 mm). Stopa apsorpcije može doseći preko 60-90%.
Efekt ključanice igra izuzetno važnu ulogu u poboljšanju apsorpcije lasera tijekom obrade kao što su lasersko zavarivanje, rezanje i bušenje. Laserska zraka koja ulazi u ključanicu gotovo se u potpunosti apsorbira kroz višestruke refleksije od stijenke rupe.
Općenito se vjeruje da mehanizam apsorpcije energije lasera unutar ključanice uključuje dva procesa: obrnutu apsorpciju i Fresnelovu apsorpciju.
Ravnoteža tlaka unutar ključanice
Tijekom laserskog dubokog prodiranja, materijal prolazi kroz snažno isparavanje, a ekspanzijski tlak koji stvara visokotemperaturna para istiskuje tekući metal, stvarajući male rupe. Osim tlaka pare i ablacijskog tlaka (također poznatog kao sila reakcije isparavanja ili tlak trzanja) materijala, tu su i površinska napetost, statički tlak tekućine uzrokovan gravitacijom i dinamički tlak fluida koji stvara protok rastaljenog materijala unutar male rupe. Među tim tlakovima, samo tlak pare održava otvor male rupe, dok ostale tri sile nastoje zatvoriti malu rupu. Kako bi se održala stabilnost ključanice tijekom procesa zavarivanja, tlak pare mora biti dovoljan da svlada druge otpore i postigne ravnotežu, održavajući dugoročnu stabilnost ključanice. Radi jednostavnosti, općenito se smatra da su sile koje djeluju na stijenku ključanice uglavnom ablacijski tlak (tlak trzanja metalne pare) i površinska napetost.
Nestabilnost ključanice
Pozadina: Laser djeluje na površinu materijala, uzrokujući isparavanje velike količine metala. Tlak trzaja pritišće rastaljenu kupku, stvarajući ključanice i plazmu, što rezultira povećanjem dubine taljenja. Tijekom procesa kretanja, laser udara u prednju stijenku ključanice, a mjesto gdje laser dodiruje materijal uzrokovat će ozbiljno isparavanje materijala. Istovremeno, stijenka ključanice će doživjeti gubitak mase, a isparavanje će stvoriti tlak trzaja koji će pritiskati tekući metal, uzrokujući da unutarnja stijenka ključanice fluktuira prema dolje i pomiče se oko dna ključanice prema stražnjoj strani rastaljene kupke. Zbog fluktuacije tekuće rastaljene kupke od prednje stijenke do stražnje stijenke, volumen unutar ključanice se stalno mijenja. Unutarnji tlak ključanice također se mijenja u skladu s tim, što dovodi do promjene volumena plazme koja se raspršuje. Promjena volumena plazme dovodi do promjena u zaštiti, lomu i apsorpciji laserske energije, što rezultira promjenama u energiji lasera koja dopire do površine materijala. Cijeli proces je dinamičan i periodičan, što u konačnici rezultira prodiranjem metala u obliku zubaca pile i valovito, te nema glatkog zavara s jednakom penetracijom. Gornja slika prikazuje presjek središta zavara dobivenog uzdužnim rezanjem paralelnim sa središtem zavara, kao i mjerenje promjene dubine ključanice u stvarnom vremenu pomoću...IPG-LDD kao dokaz.
Poboljšajte smjer stabilnosti ključanice
Tijekom laserskog dubokog prodiranja, stabilnost male rupe može se osigurati samo dinamičkom ravnotežom različitih tlakova unutar rupe. Međutim, apsorpcija laserske energije stijenkom rupe i isparavanje materijala, izbacivanje metalne pare izvan male rupe te kretanje male rupe i rastaljene kupelji prema naprijed vrlo su intenzivni i brzi procesi. Pod određenim uvjetima procesa, u određenim trenucima tijekom procesa zavarivanja, postoji mogućnost da se stabilnost male rupe poremeti na lokalnim područjima, što dovodi do nedostataka zavarivanja. Najčešći i najčešći su nedostaci poroznosti tipa malih pora i prskanje uzrokovano urušavanjem ključanice;
Dakle, kako stabilizirati ključanicu?
Fluktuacija tekućine u ključaonici relativno je složena i uključuje previše čimbenika (temperaturno polje, polje strujanja, polje sile, optoelektronička fizika), koji se jednostavno mogu sažeti u dvije kategorije: odnos između površinske napetosti i tlaka trzaja metalne pare; Tlak trzaja metalne pare izravno djeluje na stvaranje ključanica, što je usko povezano s dubinom i volumenom ključanica. Istovremeno, kao jedina tvar metalne pare koja se kreće prema gore u procesu zavarivanja, također je usko povezana s pojavom prskanja; Površinska napetost utječe na tok rastaljene kupke;
Dakle, stabilan proces laserskog zavarivanja ovisi o održavanju gradijenta raspodjele površinske napetosti u rastaljenom sloju, bez prevelikih fluktuacija. Površinska napetost povezana je s raspodjelom temperature, a raspodjela temperature povezana je s izvorom topline. Stoga su kompozitni izvor topline i zavarivanje s nihanjem potencijalni tehnički smjerovi za stabilan proces zavarivanja;
Metalna para i volumen ključanice moraju obratiti pozornost na plazma efekt i veličinu otvora ključanice. Što je otvor veći, to je veća ključanica, a fluktuacije u donjoj točki taline su zanemarive, što ima relativno mali utjecaj na ukupni volumen ključanice i promjene unutarnjeg tlaka; Dakle, podesivi laserski način rada (prstenasta točka), rekombinacija laserskog luka, frekvencijska modulacija itd. su sve smjerovi koji se mogu proširiti.
Vrijeme objave: 01.12.2023.
