Формирование и развитие замочных скважин:
Определение эффекта «замочной скважины»: Когда интенсивность излучения превышает 10⁶ Вт/см², поверхность материала плавится и испаряется под действием лазера. При достаточно высокой скорости испарения создаваемое давление отдачи пара становится достаточным для преодоления поверхностного натяжения и силы тяжести жидкого металла, вытесняя часть жидкого металла и вызывая опускание расплавленного металла в зоне возбуждения с образованием небольших ямок; луч света непосредственно воздействует на дно небольшой ямки, вызывая дальнейшее плавление и газификацию металла. Пар высокого давления продолжает выталкивать жидкий металл на дне ямки к периферии расплавленного металла, углубляя небольшое отверстие. Этот процесс продолжается, в конечном итоге образуя в жидком металле отверстие, похожее на замочную скважину. Когда давление пара металла, создаваемое лазерным лучом в небольшом отверстии, достигает равновесия с поверхностным натяжением и силой тяжести жидкого металла, небольшое отверстие перестает углубляться и образует устойчивое по глубине небольшое отверстие, что называется «эффектом малого отверстия».
По мере перемещения лазерного луча относительно заготовки, небольшое отверстие имеет слегка изогнутую назад переднюю часть и отчетливо наклоненный перевернутый треугольник сзади. Передний край небольшого отверстия является зоной действия лазера, где наблюдается высокая температура и высокое давление пара, в то время как температура вдоль заднего края относительно низкая, а давление пара мало. Под действием этой разницы давлений и температур расплавленный жидкий металл обтекает небольшое отверстие от переднего конца к заднему, образуя вихрь на заднем конце, и, наконец, затвердевает на заднем крае. Динамическое состояние сварочной ванны, полученное в результате моделирования лазерного воздействия и реальной сварки, показано на рисунке выше. Морфология небольших отверстий и поток окружающего расплавленного металла при перемещении на разных скоростях.
Благодаря наличию небольших отверстий, энергия лазерного луча проникает внутрь материала, образуя глубокий и узкий сварной шов. Типичная морфология поперечного сечения глубокого лазерного сварного шва показана на рисунке выше. Глубина проплавления сварного шва близка к глубине сквозного отверстия (точнее, металлографический слой на 60-100 мкм глубже сквозного отверстия, на один слой жидкости меньше). Чем выше плотность энергии лазера, тем глубже небольшое отверстие и тем больше глубина проплавления сварного шва. При высокомощной лазерной сварке максимальное соотношение глубины к ширине сварного шва может достигать 12:1.
Анализ поглощениялазерная энергиячерез замочную скважину
До образования мелких отверстий и плазмы энергия лазера передается в основном внутрь заготовки за счет теплопроводности. Процесс сварки относится к кондуктивной сварке (с глубиной проплавления менее 0,5 мм), при этом степень поглощения лазерного излучения материалом составляет от 25 до 45%. После образования сквозного отверстия энергия лазера в основном поглощается внутренней частью заготовки за счет эффекта сквозного отверстия, и процесс сварки переходит в глубокопроплавленную сварку (с глубиной проплавления более 0,5 мм), при этом степень поглощения может достигать более 60-90%.
Эффект «замочной скважины» играет чрезвычайно важную роль в усилении поглощения лазерного излучения в процессе таких операций, как лазерная сварка, резка и сверление. Лазерный луч, попадающий в «замочную скважину», практически полностью поглощается за счет многократных отражений от стенок отверстия.
Принято считать, что механизм поглощения энергии лазера внутри замочной скважины включает два процесса: обратное поглощение и поглощение Френеля.
Баланс давления внутри замочной скважины
В процессе лазерной глубокопроникающей сварки 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 гравитацией, и динамическое давление жидкости, создаваемое потоком расплавленного материала внутри небольшого отверстия. Среди этих давлений только давление пара поддерживает открытие небольшого отверстия, в то время как остальные три силы стремятся его закрыть. Для поддержания стабильности сквозного отверстия в процессе сварки давление пара должно быть достаточным для преодоления других сопротивлений и достижения равновесия, обеспечивая долговременную стабильность сквозного отверстия. Для простоты принято считать, что на стенку сквозного отверстия действуют в основном давление абляции (давление отдачи пара металла) и поверхностное натяжение.
Нестабильность замочной скважины
Введение: Лазер воздействует на поверхность материалов, вызывая испарение большого количества металла. Давление отдачи давит на расплавленный металл, образуя сквозные отверстия и плазму, что приводит к увеличению глубины плавления. В процессе движения лазер ударяется о переднюю стенку сквозного отверстия, и в месте контакта с материалом происходит интенсивное испарение. Одновременно происходит потеря массы стенки сквозного отверстия, и испарение создает давление отдачи, которое давит на жидкий металл, вызывая колебания внутренней стенки сквозного отверстия вниз и перемещение ее к задней части расплавленного металла. Из-за колебаний объема расплавленного металла от передней стенки к задней, объем внутри сквозного отверстия постоянно меняется, соответственно изменяется и внутреннее давление в сквозном отверстии, что приводит к изменению объема выбрасываемой плазмы. Изменение объема плазмы приводит к изменениям экранирования, преломления и поглощения энергии лазера, что, в свою очередь, изменяет энергию лазера, достигающего поверхности материала. Весь процесс является динамическим и периодическим, в конечном итоге приводя к образованию пилообразного и волнообразного проплавления металла, без ровного и равномерного проплавления сварного шва. На рисунке выше представлен поперечный разрез центра сварного шва, полученного продольным разрезом параллельно центру шва, а также измерение в реальном времени изменения глубины сквозного отверстия.ИПГ-LDD в качестве доказательства.
Улучшить направление устойчивости замочной скважины.
При лазерной сварке с глубоким проплавлением стабильность небольшого отверстия может быть обеспечена только динамическим равновесием различных давлений внутри отверстия. Однако поглощение лазерной энергии стенкой отверстия и испарение материала, выброс паров металла за пределы небольшого отверстия, а также движение небольшого отверстия и расплавленной ванны вперед — все это очень интенсивные и быстрые процессы. При определенных условиях процесса, в определенные моменты сварки, существует вероятность локального нарушения стабильности небольшого отверстия, что приводит к дефектам сварки. Наиболее типичными и распространенными являются дефекты пористости типа «мелкие поры» и разбрызгивание металла, вызванное схлопыванием сварочной ванны;
Итак, как же стабилизировать замочную скважину?
Колебания параметров расплавленной жидкости в сварочной ванне являются относительно сложным процессом, включающим множество факторов (температурное поле, поле потока, силовое поле, оптоэлектронная физика), которые можно условно свести к двум категориям: взаимосвязь между поверхностным натяжением и давлением отдачи паров металла; давление отдачи паров металла непосредственно влияет на образование сварочных ванн, что тесно связано с глубиной и объемом этих ванн. В то же время, будучи единственным восходящим веществом паров металла в процессе сварки, оно также тесно связано с образованием брызг; поверхностное натяжение влияет на течение расплавленной ванны;
Таким образом, стабильность процесса лазерной сварки зависит от поддержания градиента распределения поверхностного натяжения в расплавленной ванне без чрезмерных колебаний. Поверхностное натяжение связано с распределением температуры, а распределение температуры связано с источником тепла. Следовательно, использование комбинированного источника тепла и сварка с изменением направления являются потенциальными техническими направлениями для обеспечения стабильного процесса сварки;
При расчете объема металлического пара и диаметра сварочной ванны необходимо учитывать плазменный эффект и размер отверстия сварочной ванны. Чем больше отверстие, тем больше сварочная ванна, а колебания в нижней точке расплавленной ванны незначительны и оказывают относительно небольшое влияние на общий объем сварочной ванны и изменения внутреннего давления. Поэтому регулируемый кольцевой лазер (кольцевое пятно), рекомбинация лазерной дуги, частотная модуляция и т.д. — все это направления, которые можно развивать.
Дата публикации: 01.12.2023
