Lasermateriaalinteraksie – Sleutelgat-effek

Die vorming en ontwikkeling van sleutelgate:

Sleutelgatdefinisie: Wanneer die stralingsbestraling groter as 10 ^ 6W/cm ^ 2 is, smelt en verdamp die oppervlak van die materiaal onder die werking van die laser. Wanneer die verdampingspoed groot genoeg is, is die gegenereerde dampterugslagdruk voldoende om die oppervlakspanning en vloeibare swaartekrag van die vloeibare metaal te oorkom, waardeur van die vloeibare metaal verplaas word, wat veroorsaak dat die gesmelte poel in die opwekkingsone sink en klein putjies vorm; Die ligstraal werk direk op die bodem van die klein putjie in, wat veroorsaak dat die metaal verder smelt en vergas. Hoëdrukstoom hou aan om die vloeibare metaal aan die onderkant van die put te dwing om na die omtrek van die gesmelte poel te vloei, wat die klein gaatjie verder verdiep. Hierdie proses gaan voort en vorm uiteindelik 'n sleutelgatagtige gat in die vloeibare metaal. Wanneer die metaaldampdruk wat deur die laserstraal in die klein gaatjie gegenereer word, ewewig bereik met die oppervlakspanning en swaartekrag van die vloeibare metaal, verdiep die klein gaatjie nie meer nie en vorm 'n diepte-stabiele klein gaatjie, wat die "klein gaatjie-effek" genoem word.

Soos die laserstraal relatief tot die werkstuk beweeg, toon die klein gaatjie 'n effens agtertoe geboë voorkant en 'n duidelik skuins omgekeerde driehoek aan die agterkant. Die voorrand van die klein gaatjie is die aksiegebied van die laser, met hoë temperatuur en hoë dampdruk, terwyl die temperatuur langs die agterrand relatief laag is en die dampdruk klein is. Onder hierdie druk- en temperatuurverskil vloei die gesmelte vloeistof om die klein gaatjie van die voorpunt na die agterpunt, wat 'n draaikolk aan die agterkant van die klein gaatjie vorm, en uiteindelik stol aan die agterkant. Die dinamiese toestand van die sleutelgat wat verkry word deur lasersimulasie en werklike sweiswerk word in die bostaande figuur getoon. Die morfologie van klein gaatjies en die vloei van omliggende gesmelte vloeistof tydens beweging teen verskillende snelhede.

As gevolg van die teenwoordigheid van klein gaatjies, dring die laserstraalenergie die binnekant van die materiaal binne en vorm hierdie diep en smal lasnaad. Die tipiese dwarssnitmorfologie van die laser-dieppenetrasielasnaad word in die bostaande figuur getoon. Die penetrasiediepte van die lasnaad is naby die diepte van die sleutelgat (om presies te wees, die metallografiese laag is 60-100 µm dieper as die sleutelgat, een vloeistoflaag minder). Hoe hoër die laserenergiedigtheid, hoe dieper die klein gaatjie en hoe groter die penetrasiediepte van die lasnaad. In hoëkrag-lasersweiswerk kan die maksimum diepte-tot-breedte-verhouding van die lasnaad 12:1 bereik.

Analise van absorpsie vanlaserenergiedeur sleutelgat

Voor die vorming van klein gaatjies en plasma word die energie van die laser hoofsaaklik deur termiese geleiding na die binnekant van die werkstuk oorgedra. Die sweisproses behoort aan geleidende sweiswerk (met 'n penetrasiediepte van minder as 0.5 mm), en die materiaal se absorpsietempo van die laser is tussen 25-45%. Sodra die sleutelgat gevorm is, word die energie van die laser hoofsaaklik deur die binnekant van die werkstuk geabsorbeer deur die sleutelgat-effek, en die sweisproses word diep penetrasiesweiswerk (met 'n penetrasiediepte van meer as 0.5 mm). Die absorpsietempo kan meer as 60-90% bereik.

Die sleutelgat-effek speel 'n uiters belangrike rol in die verbetering van die absorpsie van laser tydens verwerking soos lasersweiswerk, sny en boorwerk. Die laserstraal wat die sleutelgat binnedring, word byna heeltemal geabsorbeer deur veelvuldige weerkaatsings vanaf die gatwand.

Daar word algemeen geglo dat die energie-absorpsiemeganisme van laser binne die sleutelgat twee prosesse insluit: omgekeerde absorpsie en Fresnel-absorpsie.

Drukbalans binne die sleutelgat

Tydens laser-dieppenetrasiesweiswerk ondergaan die materiaal ernstige verdamping, en die uitbreidingsdruk wat deur hoëtemperatuurstoom gegenereer word, stoot die vloeibare metaal uit, wat klein gaatjies vorm. Benewens die dampdruk en ablasiedruk (ook bekend as verdampingsreaksiekrag of terugslagdruk) van die materiaal, is daar ook oppervlakspanning, vloeibare statiese druk wat deur swaartekrag veroorsaak word, en vloeistofdinamiese druk wat deur die vloei van gesmelte materiaal binne die klein gaatjie gegenereer word. Onder hierdie druk handhaaf slegs stoomdruk die opening van die klein gaatjie, terwyl die ander drie kragte daarna streef om die klein gaatjie toe te maak. Om die stabiliteit van die sleutelgat tydens die sweisproses te handhaaf, moet die dampdruk voldoende wees om ander weerstand te oorkom en ewewig te bereik, wat die langtermynstabiliteit van die sleutelgat handhaaf. Vir eenvoud word algemeen geglo dat die kragte wat op die sleutelgatwand inwerk, hoofsaaklik ablasiedruk (metaaldamp-terugslagdruk) en oppervlakspanning is.

Onstabiliteit van Sleutelgat

Agtergrond: Laser werk op die oppervlak van materiale in en veroorsaak dat 'n groot hoeveelheid metaal verdamp. Die terugslagdruk druk af op die gesmelte poel, wat sleutelgate en plasma vorm, wat lei tot 'n toename in smeltdiepte. Tydens die bewegingsproses tref die laser die voorwand van die sleutelgat, en die posisie waar die laser die materiaal raak, sal ernstige verdamping van die materiaal veroorsaak. Terselfdertyd sal die sleutelgatwand massaverlies ervaar, en die verdamping sal 'n terugslagdruk vorm wat op die vloeibare metaal sal druk, wat veroorsaak dat die binnewand van die sleutelgat afwaarts fluktueer en om die bodem van die sleutelgat na die agterkant van die gesmelte poel beweeg. As gevolg van die fluktuasie van die vloeibare gesmelte poel van die voorwand na die agterwand, verander die volume binne die sleutelgat voortdurend. Die interne druk van die sleutelgat verander ook dienooreenkomstig, wat lei tot 'n verandering in die volume van die plasma wat uitgespuit word. Die verandering in plasmavolume lei tot veranderinge in afskerming, refraksie en absorpsie van laserenergie, wat lei tot veranderinge in die energie van die laser wat die materiaaloppervlak bereik. Die hele proses is dinamies en periodiek, wat uiteindelik lei tot 'n saagtandvormige en golwende metaalpenetrasie, en daar is geen gladde, gelyke penetrasielas nie. Die bostaande figuur is 'n dwarssnitaansig van die middelpunt van die las wat verkry is deur longitudinale sny parallel met die middelpunt van die las, sowel as 'n intydse meting van die sleutelgatdieptevariasie deurIPG-LDD as bewys.

Verbeter die stabiliteitsrigting van die sleutelgat

Tydens laser-dieppenetrasiesweiswerk kan die stabiliteit van die klein gaatjie slegs verseker word deur die dinamiese balans van verskillende druk binne die gaatjie. Die absorpsie van laserenergie deur die gaatjiewand en die verdamping van materiale, die uitwerping van metaaldamp buite die klein gaatjie, en die voorwaartse beweging van die klein gaatjie en die smeltpoel is egter alles baie intense en vinnige prosesse. Onder sekere prosesomstandighede, op sekere oomblikke tydens die sweisproses, is daar 'n moontlikheid dat die stabiliteit van die klein gaatjie in plaaslike gebiede ontwrig kan word, wat tot sweisdefekte kan lei. Die mees tipiese en algemene defekte is klein porietipe porositeitsdefekte en spatsels wat veroorsaak word deur sleutelgat-ineenstorting;

So hoe om die sleutelgat te stabiliseer?

Die fluktuasie van sleutelgatvloeistof is relatief kompleks en behels te veel faktore (temperatuurveld, vloeiveld, kragveld, opto-elektroniese fisika), wat eenvoudig in twee kategorieë opgesom kan word: die verband tussen oppervlakspanning en metaaldamp-terugslagdruk; Die terugslagdruk van metaaldamp werk direk in op die generering van sleutelgate, wat nou verwant is aan die diepte en volume van die sleutelgate. Terselfdertyd, as die enigste opwaarts bewegende stof van metaaldamp in die sweisproses, is dit ook nou verwant aan die voorkoms van spatsels; Oppervlakspanning beïnvloed die vloei van die gesmelte poel;

Dus hang 'n stabiele lasersweisproses af van die handhawing van die verspreidingsgradiënt van oppervlakspanning in die smeltpoel, sonder te veel fluktuasie. Oppervlakspanning hou verband met temperatuurverspreiding, en temperatuurverspreiding hou verband met hittebron. Daarom is saamgestelde hittebronne en swaaisweising potensiële tegniese rigtings vir 'n stabiele sweisproses;

Die metaaldamp en sleutelgatvolume moet aandag gee aan die plasma-effek en die grootte van die sleutelgatopening. Hoe groter die opening, hoe groter die sleutelgat, en die weglaatbare skommelinge in die onderste punt van die smeltpoel het 'n relatief klein impak op die algehele sleutelgatvolume en interne drukveranderinge; dus is verstelbare ringmoduslaser (ringvormige kol), laserboogrekombinasie, frekwensiemodulasie, ens. alles rigtings wat uitgebrei kan word.