Formiranje i razvoj ključaonica:
Definicija ključaonice: 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 pritisak povratnog udara pare dovoljan je da savlada površinsku napetost i gravitaciju tečnog metala, čime se istiskuje dio tečnog metala, uzrokujući da rastopljeni bazen u zoni pobude potone i formira male udubine; Snop svjetlosti direktno djeluje na dno male udubine, uzrokujući daljnje topljenje i gasifikaciju metala. Para visokog pritiska nastavlja prisiljavati tečni metal na dnu udubine da teče prema periferiji rastopljenog bazena, dodatno produbljujući malu udubinu. Ovaj proces se nastavlja, na kraju formirajući u tečnom metalu udubinu sličnu ključaonici. Kada pritisak metalne pare koji generira laserski snop u maloj udubini dostigne ravnotežu sa površinskom napetošću i gravitacijom tečnog metala, mala udubina se više ne produbljuje i formira malu udubinu stabilnu po dubini, što se naziva "efekat male udubine".
Kako se laserski snop kreće u odnosu na radni komad, mali otvor pokazuje blago unazad zakrivljen prednji dio i jasno nagnut obrnuti trougao na stražnjoj strani. Prednja ivica malog otvora je područje djelovanja lasera, s 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 tekućina teče oko malog otvora od prednjeg do zadnjeg kraja, formirajući vrtlog na zadnjem kraju malog otvora i konačno se stvrdnjava na zadnjem rubu. Dinamičko stanje ključaonice dobiveno laserskom simulacijom i stvarnim zavarivanjem prikazano je na gornjoj slici. Morfologija malih otvora i tok okolne rastopljene tekućine tokom kretanja različitim brzinama.
Zbog prisustva malih rupa, energija laserskog snopa prodire u unutrašnjost materijala, formirajući ovaj duboki i uski zavareni šav. Tipična morfologija poprečnog presjeka laserskog dubokog prodiranja zavarenog šava prikazana je na gornjoj slici. Dubina prodiranja zavarenog šava je blizu dubine ključaonice (preciznije, metalografski sloj je 60-100µm dublji od ključaonice, jedan sloj tekućine manje). Što je veća gustoća laserske energije, to je dublja mala rupa i veća dubina prodiranja zavarenog šava. Kod laserskog zavarivanja velike snage, maksimalni odnos dubine i širine zavarenog šava može doseći 12:1.
Analiza apsorpcijelaserska energijakroz ključaonicu
Prije formiranja malih rupa i plazme, energija lasera se uglavnom prenosi u unutrašnjost obratka putem termičke provodljivosti. Proces 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 rupa, energiju lasera uglavnom apsorbira unutrašnjost obratka putem efekta rupe, a proces zavarivanja postaje zavarivanje dubokom penetracijom (s dubinom prodiranja većom od 0,5 mm). Stopa apsorpcije može doseći preko 60-90%.
Efekat ključaonice igra izuzetno važnu ulogu u poboljšanju apsorpcije lasera tokom obrade kao što su lasersko zavarivanje, rezanje i bušenje. Laserski snop koji ulazi u ključaonicu gotovo se u potpunosti apsorbira kroz višestruke refleksije od zida rupe.
Općenito se vjeruje da mehanizam apsorpcije energije lasera unutar ključaonice uključuje dva procesa: obrnutu apsorpciju i Fresnelovu apsorpciju.
Ravnoteža pritiska unutar ključaonice
Tokom laserskog dubokog prodiranja, materijal prolazi kroz intenzivno isparavanje, a ekspanzijski pritisak koji stvara visokotemperaturna para istiskuje tečni metal, formirajući male rupe. Pored pritiska pare i ablacijskog pritiska (poznatog i 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 male rupe. Među ovim pritiscima, samo pritisak pare održava otvor 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 smatra da su sile koje djeluju na zid ključaonice uglavnom ablacijski pritisak (pritisak trzanja metalne pare) i površinska napetost.
Nestabilnost ključaonice
Pozadina: Laser djeluje na površinu materijala, uzrokujući isparavanje velike količine metala. Pritisak trzaja pritiska rastopljeni sloj, formirajući ključaonice i plazmu, što rezultira povećanjem dubine topljenja. Tokom procesa kretanja, laser udara u prednji zid ključaonice, a mjesto gdje laser dodiruje materijal uzrokovat će ozbiljno isparavanje materijala. Istovremeno, zid ključaonice će doživjeti gubitak mase, a isparavanje će stvoriti pritisak trzaja koji će pritiskati tekući metal, uzrokujući da unutrašnji zid ključaonice fluktuira prema dolje i kreće se oko dna ključaonice prema stražnjem dijelu rastopljenog sloja. Zbog fluktuacije tekućeg rastopljenog sloja od prednjeg do stražnjeg zida, volumen unutar ključaonice se stalno mijenja. Unutrašnji pritisak ključaonice se također mijenja shodno tome, što dovodi do promjene volumena plazme koja se raspršuje. Promjena volumena plazme dovodi do promjena u zaštiti, prelamanju i apsorpciji laserske energije, što rezultira promjenama u energiji lasera koja dopire do površine materijala. Cijeli proces je dinamičan i periodičan, što na kraju rezultira prodiranjem metala u obliku zubaca pile i valovito, te ne postoji glatki zavar s jednakim prodiranjem. Gornja slika prikazuje poprečni presjek središta zavara dobivenog uzdužnim rezanjem paralelnim sa središtem zavara, kao i mjerenje promjene dubine ključaonice u stvarnom vremenu pomoću...IPG-LDD kao dokaz.
Poboljšajte smjer stabilnosti ključaonice
Tokom laserskog dubokog prodiranja, stabilnost malog otvora može se osigurati samo dinamičkom ravnotežom različitih pritisaka unutar otvora. Međutim, apsorpcija laserske energije od strane zida otvora i isparavanje materijala, izbacivanje metalne pare izvan malog otvora i kretanje malog otvora i rastopljenog bazena naprijed su vrlo intenzivni i brzi procesi. Pod određenim procesnim uslovima, u određenim trenucima tokom procesa zavarivanja, postoji mogućnost da se stabilnost malog otvora poremeti u lokalnim područjima, što dovodi do defekata zavarivanja. Najčešći i najčešći su defekti poroznosti tipa malih pora i prskanje uzrokovano urušavanjem ključaonice;
Dakle, kako stabilizirati ključaonicu?
Fluktuacija tekućine u ključaonici je relativno složena i uključuje previše faktora (temperaturno polje, polje protoka, polje sila, optoelektronska fizika), koji se jednostavno mogu sažeti u dvije kategorije: odnos između površinske napetosti i pritiska trzaja metalne pare; Pritisak trzaja metalne pare direktno djeluje na stvaranje ključaonica, što je usko povezano s dubinom i volumenom ključaonica. Istovremeno, 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 rastopljenog kupatila;
Dakle, stabilan proces laserskog zavarivanja zavisi od održavanja gradijenta distribucije površinske napetosti u rastopljenom sloju, bez prevelikih fluktuacija. Površinska napetost je povezana s distribucijom temperature, a distribucija temperature je povezana s izvorom topline. Stoga su kompozitni izvor topline i zavarivanje s oscilacijom potencijalni tehnički pravci za stabilan proces zavarivanja;
Metalna para i volumen ključaonice moraju se uzeti u obzir zbog efekta plazme i veličine otvora ključaonice. Što je otvor veći, to je veća ključaonica, a fluktuacije u donjoj tački rastopljenog bazena su zanemarljive, što ima relativno mali utjecaj na ukupnu zapreminu ključaonice i promjene unutrašnjeg pritiska; Dakle, podesivi laserski način rada (prstenasta tačka), rekombinacija laserskog luka, frekventna modulacija itd. su sve pravci koji se mogu proširiti.
Vrijeme objave: 01.12.2023.
