Формирование и развитие замочных скважин:
Определение замочной скважины: Когда интенсивность излучения превышает 10^6Вт/см^2, поверхность материала плавится и испаряется под действием лазера. Когда скорость испарения достаточно велика, создаваемое давление отдачи пара достаточно, чтобы преодолеть поверхностное натяжение и гравитацию жидкости жидкого металла, тем самым вытесняя часть жидкого металла, заставляя расплавленную ванну в зоне возбуждения опускаться и образовывать небольшие ямки. ; Луч света воздействует непосредственно на дно небольшой ямы, вызывая дальнейшее плавление и газификацию металла. Пар под высоким давлением продолжает вынуждать жидкий металл на дне ямы течь к периферии ванны расплава, еще больше углубляя небольшое отверстие. Этот процесс продолжается, в конечном итоге образуя в жидком металле замочную скважину. Когда давление паров металла, создаваемое лазерным лучом в маленьком отверстии, достигает равновесия с поверхностным натяжением и гравитацией жидкого металла, маленькое отверстие больше не углубляется и образует стабильное по глубине маленькое отверстие, что называется «эффектом маленького отверстия». .
Когда лазерный луч движется относительно заготовки, маленькое отверстие имеет слегка изогнутую назад переднюю часть и четко наклоненный перевернутый треугольник сзади. Передний край небольшого отверстия является зоной действия лазера с высокой температурой и высоким давлением пара, тогда как температура вдоль заднего края относительно низкая, а давление пара небольшое. Под этой разницей давления и температуры расплавленная жидкость течет вокруг небольшого отверстия от переднего конца к заднему концу, образуя вихрь на заднем конце небольшого отверстия и, наконец, затвердевает на заднем крае. Динамическое состояние замочной скважины, полученное с помощью лазерного моделирования и реальной сварки, показано на рисунке выше. Морфология небольших отверстий и поток окружающей расплавленной жидкости во время движения на разных скоростях.
Благодаря наличию небольших отверстий энергия лазерного луча проникает внутрь материала, образуя глубокий и узкий сварной шов. Типичная морфология поперечного сечения сварного шва с глубоким проплавлением лазером показана на рисунке выше. Глубина проплавления сварного шва близка к глубине замочной скважины (точнее, металлографический слой на 60-100 мкм глубже замочной скважины, на один слой жидкости меньше). Чем выше плотность энергии лазера, тем глубже маленькое отверстие и тем больше глубина провара сварного шва. При мощной лазерной сварке максимальное соотношение глубины и ширины сварного шва может достигать 12:1.
Анализ поглощениялазерная энергиячерез замочную скважину
До образования небольших отверстий и плазмы энергия лазера в основном передается внутрь детали за счет теплопроводности. Процесс сварки относится к кондуктивной сварке (с глубиной проникновения менее 0,5 мм), а степень поглощения лазера материалом составляет 25-45%. После образования замочной скважины энергия лазера в основном поглощается внутренней частью заготовки за счет эффекта замочной скважины, и процесс сварки становится сваркой с глубоким проплавлением (с глубиной проникновения более 0,5 мм). Скорость поглощения может достигать более 60-90%.
Эффект замочной скважины играет чрезвычайно важную роль в усилении поглощения лазера во время обработки, такой как лазерная сварка, резка и сверление. Лазерный луч, попадающий в замочную скважину, почти полностью поглощается за счет многократного отражения от стенки отверстия.
Принято считать, что механизм поглощения энергии лазера внутри замочной скважины включает два процесса: обратное поглощение и френелевское поглощение.
Баланс давления внутри замочной скважины
Во время лазерной сварки с глубоким проплавлением материал подвергается сильному испарению, а давление расширения, создаваемое высокотемпературным паром, выталкивает жидкий металл, образуя небольшие отверстия. Помимо давления пара и давления абляции (также известного как сила реакции испарения или давление отдачи) материала, существуют также поверхностное натяжение, статическое давление жидкости, вызванное силой тяжести, и динамическое давление жидкости, создаваемое потоком расплавленного материала внутри маленькая дырочка. Среди этих давлений только давление пара поддерживает открытие маленького отверстия, в то время как остальные три силы стремятся закрыть маленькое отверстие. Чтобы сохранить стабильность замочной скважины во время процесса сварки, давление пара должно быть достаточным для преодоления других сопротивлений и достижения равновесия, поддерживая долговременную стабильность замочной скважины. Для простоты обычно полагают, что силы, действующие на стенку замочной скважины, представляют собой главным образом давление абляции (давление отдачи паров металла) и поверхностное натяжение.
Нестабильность Замочной скважины
Предыстория: Лазер воздействует на поверхность материалов, вызывая испарение большого количества металла. Давление отдачи давит на ванну расплава, образуя замочные скважины и плазму, что приводит к увеличению глубины плавления. В процессе перемещения лазер попадает на переднюю стенку замочной скважины, и место контакта лазера с материалом приведет к сильному испарению материала. В то же время стенка замочной скважины будет испытывать потерю массы, а испарение создаст давление отдачи, которое будет давить на жидкий металл, заставляя внутреннюю стенку замочной скважины колебаться вниз и перемещаться вокруг нижней части замочной скважины по направлению к замочной скважине. позади расплавленной ванны. Из-за колебания жидкой ванны расплава от передней стенки к задней стенке объем внутри замочной скважины постоянно меняется. Соответственно изменяется и внутреннее давление замочной скважины, что приводит к изменению объема распыляемой плазмы. . Изменение объема плазмы приводит к изменению экранирования, рефракции и поглощения лазерной энергии, что приводит к изменению энергии лазера, достигающей поверхности материала. Весь процесс является динамичным и периодическим, что в конечном итоге приводит к пилообразному и волнистому проплавлению металла, при этом не возникает гладкого сварного шва с равным проплавлением. На рисунке выше показано поперечное сечение центра сварного шва, полученное путем продольной резки параллельно сварному шву. центра сварного шва, а также измерение изменения глубины замочной скважины в реальном времени с помощьюИПГ-LDD как доказательство.
Улучшить направление стабильности замочной скважины
При лазерной сварке с глубоким проплавлением стабильность небольшого отверстия может быть обеспечена только за счет динамического баланса различных давлений внутри отверстия. Однако поглощение лазерной энергии стенкой отверстия и испарение материалов, выброс паров металла за пределы маленького отверстия, а также движение вперед малого отверстия и ванны расплава — все это очень интенсивные и быстрые процессы. При определенных технологических условиях, в определенные моменты процесса сварки существует вероятность нарушения устойчивости небольшого отверстия на отдельных участках, что приведет к дефектам сварки. Наиболее типичными и распространенными из них являются мелкие дефекты пористого типа и брызги, вызванные обрушением «замочной скважины»;
Так как же стабилизировать замочную скважину?
Колебания жидкости в замочной скважине относительно сложны и включают слишком много факторов (поле температуры, поле потока, силовое поле, оптоэлектронная физика), которые можно просто свести к двум категориям: взаимосвязь между поверхностным натяжением и давлением отдачи паров металла; Давление отдачи паров металла напрямую действует на образование замочных скважин, которое тесно связано с глубиной и объемом замочных скважин. В то же время, как единственное вещество паров металла, движущееся вверх в процессе сварки, оно также тесно связано с возникновением брызг; Поверхностное натяжение влияет на течение ванны расплава;
Таким образом, стабильность процесса лазерной сварки зависит от поддержания градиента распределения поверхностного натяжения в ванне расплава без слишком больших колебаний. Поверхностное натяжение связано с распределением температуры, а распределение температуры связано с источником тепла. Таким образом, использование композитного источника тепла и поворотная сварка являются потенциальными техническими направлениями для обеспечения стабильного сварочного процесса;
Объем паров металла и замочной скважины должен учитывать плазменный эффект и размер отверстия замочной скважины. Чем больше отверстие, тем больше замочная скважина и незначительные колебания нижней точки ванны расплава, которые оказывают относительно небольшое влияние на общий объем замочной скважины и изменения внутреннего давления; Таким образом, регулируемый кольцевой лазер (кольцевое пятно), рекомбинация лазерной дуги, частотная модуляция и т. д. — все это направления, которые можно расширить.
Время публикации: 01 декабря 2023 г.
