Formiranje i razvoj ključaonica:
Definicija ključaonice: Kada je zračenje veće od 10 ^ 6W/cm ^ 2, površina materijala se topi i isparava pod dejstvom lasera.Kada je brzina isparavanja dovoljno velika, generirani povratni pritisak pare je dovoljan da prevaziđe površinsku napetost i tečnu gravitaciju tekućeg metala, čime se istiskuje dio tekućeg metala, uzrokujući tonuće rastopljenog bazena u zoni pobude i formiranje malih jama ;Snop svjetlosti direktno djeluje na dno male jame, uzrokujući da se metal dalje topi i gasifikuje.Para visokog pritiska nastavlja da tera tečni metal na dnu jame da teče prema periferiji rastopljenog bazena, dodatno produbljujući malu rupu.Ovaj proces se nastavlja, formirajući na kraju rupu poput ključaonice u tekućem metalu.Kada pritisak metalne pare koju stvara laserski snop u maloj rupi dostigne ravnotežu s površinskom napetošću i gravitacijom tekućeg metala, mala rupa se više ne produbljuje i formira malu dubinu stabilnu rupu, koja se naziva "efekat male rupe". .
Kako se laserska zraka kreće u odnosu na radni komad, mala rupa pokazuje blago zakrivljenu prednju stranu i jasno nagnut obrnuti trougao pozadi.Prednja ivica male rupe je područje djelovanja lasera, sa visokom temperaturom i visokim pritiskom pare, dok je temperatura duž zadnje ivice relativno niska, a pritisak pare mali.Pod ovom razlikom pritiska i temperature, rastopljena tečnost struji oko male rupe od prednjeg do zadnjeg kraja, formirajući vrtlog na zadnjem kraju male rupe, i konačno se stvrdne na zadnjoj ivici.Dinamičko stanje ključaonice dobijeno laserskom simulacijom i stvarnim zavarivanjem prikazano je na gornjoj slici, Morfologija malih rupa i protok okolne rastopljene tečnosti tokom putovanja različitim brzinama.
Zbog prisutnosti malih rupa, energija laserskog zraka prodire u unutrašnjost materijala, formirajući ovaj duboki i uski zavareni šav.Tipična morfologija poprečnog presjeka laserskog šava dubokog prodora prikazana je na gornjoj slici.Dubina prodiranja zavarenog šava je približna dubini ključaonice (tačnije, metalografski sloj je 60-100um dublji od ključaonice, jedan sloj manje tečnosti).Što je veća gustoća energije lasera, to je dublja mala rupa i veća je dubina prodiranja u zavareni šav.Kod laserskog zavarivanja velike snage, maksimalni omjer dubine i širine zavarenog šava može doseći 12:1.
Analiza apsorpcijelaserska energijapo ključaonici
Prije formiranja malih rupa i plazme, energija lasera se uglavnom prenosi u unutrašnjost obratka kroz toplinsku provodljivost.Proces zavarivanja spada u provodljivo zavarivanje (sa dubinom penetracije manjom od 0,5 mm), a stopa apsorpcije materijala lasera je između 25-45%.Jednom kada se formira ključaonica, energija lasera se uglavnom apsorbuje u unutrašnjost obratka kroz efekat ključaonice, a proces zavarivanja postaje zavarivanje dubokog prodiranja (sa dubinom prodiranja većom od 0,5 mm), brzina apsorpcije može doseći preko 60-90%.
Efekat ključaonice igra izuzetno važnu ulogu u poboljšanju apsorpcije lasera tokom obrade kao što je lasersko zavarivanje, rezanje i bušenje.Laserski snop koji ulazi u ključaonicu gotovo se potpuno apsorbira kroz višestruke refleksije sa zida rupe.
Općenito se vjeruje da mehanizam apsorpcije energije lasera unutar ključaonice uključuje dva procesa: obrnutu apsorpciju i Fresnelovu apsorpciju.
Balans pritiska unutar ključaonice
Tokom laserskog zavarivanja dubokog prodiranja, materijal se podvrgava jakom isparavanju, a pritisak ekspanzije koji stvara para visoke temperature izbacuje tečni metal, formirajući male rupe.Pored pritiska pare i pritiska ablacije (takođe poznatog kao sila reakcije isparavanja ili pritisak trzanja) materijala, postoje i površinska napetost, statički pritisak tečnosti uzrokovan gravitacijom i dinamički pritisak fluida koji stvara protok rastopljenog materijala unutar mala rupa.Među tim pritiscima, samo pritisak pare održava otvaranje male rupe, dok ostale tri sile nastoje zatvoriti malu rupu.Da bi se održala stabilnost ključaonice tokom procesa zavarivanja, pritisak pare mora biti dovoljan da savlada druge otpore i postigne ravnotežu, održavajući dugoročnu stabilnost ključaonice.Radi jednostavnosti, općenito se vjeruje da su sile koje djeluju na zid ključaonice uglavnom pritisak ablacije (povratni pritisak metalne pare) i površinski napon.
Nestabilnost ključaonice
Pozadina: Laser djeluje na površinu materijala, uzrokujući isparavanje velike količine metala.Pritisak trzanja pritišće rastopljeni bazen, formirajući ključaonice i plazmu, što rezultira povećanjem dubine topljenja.Tokom procesa pomeranja, laser udara u prednji zid ključaonice, a pozicija u kojoj laser dolazi u kontakt sa materijalom će izazvati ozbiljno isparavanje materijala.Istovremeno, zid ključaonice će doživjeti gubitak mase, a isparavanje će formirati povratni pritisak koji će pritisnuti tečni metal, uzrokujući da unutrašnji zid ključaonice fluktuira prema dolje i da se kreće oko dna ključaonice prema stražnjem dijelu rastopljenog bazena.Zbog fluktuacije rastopljenog bazena tečnosti od prednjeg zida do zadnjeg zida, zapremina unutar ključaonice se konstantno menja, shodno tome se menja i unutrašnji pritisak ključaonice, što dovodi do promene zapremine raspršene plazme. .Promjena volumena plazme dovodi do promjena u zaštiti, prelamanju i apsorpciji laserske energije, što rezultira promjenama u energiji lasera koja dopire do površine materijala.Čitav proces je dinamičan i periodičan, što u konačnici rezultira prodiranjem metala u obliku zubaca i valovitosti, a ne postoji glatki šav jednake penetracije. Gornja slika je prikaz poprečnog presjeka centra vara dobivenog uzdužnim rezanjem paralelno sa centar vara, kao i mjerenje u realnom vremenu varijacije dubine ključaonice zaIPG-LDD kao dokaz.
Poboljšajte smjer stabilnosti ključaonice
Tokom laserskog zavarivanja dubokog prodiranja, stabilnost male rupe može se osigurati samo dinamičkom ravnotežom različitih pritisaka unutar rupe.Međutim, apsorpcija laserske energije zidom rupe i isparavanje materijala, izbacivanje metalne pare izvan male rupe i kretanje naprijed male rupe i rastopljenog bazena su vrlo intenzivni i brzi procesi.U određenim procesnim uslovima, u određenim trenucima tokom procesa zavarivanja, postoji mogućnost da se stabilnost male rupe naruši u lokalnim područjima, što dovodi do defekta zavarivanja.Najtipičniji i najčešći su defekti poroznosti malih pora i prskanje uzrokovano kolapsom ključaonice;
Dakle, kako stabilizirati ključaonicu?
Fluktuacija fluida ključaonice je relativno složena i uključuje previše faktora (temperaturno polje, polje protoka, polje sile, optoelektronska fizika), koji se jednostavno mogu sažeti u dvije kategorije: odnos između površinske napetosti i povratnog pritiska metalne pare;Povratni pritisak metalne pare direktno deluje na stvaranje ključaonica, što je usko povezano sa dubinom i zapreminom ključaonica.Istovremeno, kao jedina supstanca metalne pare koja se kreće prema gore u procesu zavarivanja, takođe je usko povezana sa pojavom prskanja;Površinska napetost utiče na protok rastopljenog bazena;
Dakle, stabilan proces laserskog zavarivanja ovisi o održavanju gradijenta raspodjele površinske napetosti u rastopljenom bazenu, bez prevelike fluktuacije.Površinska napetost je povezana s raspodjelom temperature, a raspodjela temperature je povezana s izvorom topline.Stoga su kompozitni izvor topline i zavarivanje u zamahu potencijalni tehnički smjerovi za stabilan proces zavarivanja;
Metalna para i zapremina ključaonice treba obratiti pažnju na efekat plazme i veličinu otvora ključaonice.Što je veći otvor, veća je ključaonica i zanemarljive fluktuacije u donjoj tački bazena taline, koje imaju relativno mali uticaj na ukupnu zapreminu ključaonice i promene unutrašnjeg pritiska;Dakle, podesivi laser u obliku prstena (prstenasta tačka), rekombinacija laserskog luka, frekvencijska modulacija, itd. su svi pravci koji se mogu proširiti.
Vrijeme objave: 01.12.2023
