Interaksyon ng Materyal na Laser – Epekto ng Keyhole

Ang pagbuo at pag-unlad ng mga keyhole:

Kahulugan ng Keyhole: Kapag ang radiation irradiance ay higit sa 10^6W/cm^2, ang ibabaw ng materyal ay natutunaw at sumisingaw sa ilalim ng aksyon ng laser. Kapag sapat na ang bilis ng pagsingaw, ang nabuo na presyon ng singaw ay sapat na upang malampasan ang tensyon sa ibabaw at gravity ng likido ng likidong metal, sa gayon ay inaalis ang ilan sa likidong metal, na nagiging sanhi ng paglubog ng tinunaw na pool sa excitation zone at pagbuo ng maliliit na hukay; Ang sinag ng liwanag ay direktang kumikilos sa ilalim ng maliit na hukay, na nagiging sanhi ng karagdagang pagkatunaw at pag-gas ng metal. Ang high pressure steam ay patuloy na pinipilit ang likidong metal sa ilalim ng hukay na dumaloy patungo sa paligid ng tinunaw na pool, na lalong nagpapalalim sa maliit na butas. Ang prosesong ito ay nagpapatuloy, na sa huli ay bumubuo ng isang butas na parang keyhole sa likidong metal. Kapag ang presyon ng singaw ng metal na nabuo ng laser beam sa maliit na butas ay umabot sa equilibrium sa tensyon sa ibabaw at gravity ng likidong metal, ang maliit na butas ay hindi na lumalalim at bumubuo ng isang maliit na butas na matatag ang lalim, na tinatawag na "epekto ng maliit na butas".

Habang gumagalaw ang sinag ng laser kaugnay ng workpiece, ang maliit na butas ay nagpapakita ng bahagyang paatras na kurbadong harapan at isang malinaw na nakatagilid na baliktad na tatsulok sa likuran. Ang harapang gilid ng maliit na butas ay ang lugar ng aksyon ng laser, na may mataas na temperatura at mataas na presyon ng singaw, habang ang temperatura sa likurang gilid ay medyo mababa at ang presyon ng singaw ay maliit. Sa ilalim ng pagkakaiba ng presyon at temperatura na ito, ang tinunaw na likido ay dumadaloy sa paligid ng maliit na butas mula sa harapang dulo patungo sa likurang dulo, na bumubuo ng isang vortex sa likurang dulo ng maliit na butas, at sa huli ay tumigas sa likurang gilid. Ang dinamikong estado ng keyhole na nakuha sa pamamagitan ng laser simulation at aktwal na hinang ay ipinapakita sa larawan sa itaas, Ang morpolohiya ng maliliit na butas at ang daloy ng nakapalibot na tinunaw na likido habang naglalakbay sa iba't ibang bilis.

Dahil sa pagkakaroon ng maliliit na butas, ang enerhiya ng sinag ng laser ay tumatagos sa loob ng materyal, na bumubuo ng malalim at makitid na weld seam na ito. Ang tipikal na cross-sectional morphology ng laser deep penetration weld seam ay ipinapakita sa larawan sa itaas. Ang lalim ng pagtagos ng weld seam ay malapit sa lalim ng keyhole (para maging tumpak, ang metallographic layer ay 60-100um na mas malalim kaysa sa keyhole, isang mas kaunting likidong layer). Kung mas mataas ang densidad ng enerhiya ng laser, mas malalim ang maliit na butas, at mas malaki ang lalim ng pagtagos ng weld seam. Sa high-power laser welding, ang maximum depth to width ratio ng weld seam ay maaaring umabot sa 12:1.

Pagsusuri ng pagsipsip ngenerhiya ng lasersa pamamagitan ng butas ng susi

Bago mabuo ang maliliit na butas at plasma, ang enerhiya ng laser ay pangunahing ipinapadala sa loob ng workpiece sa pamamagitan ng thermal conduction. Ang proseso ng hinang ay kabilang sa conductive welding (na may lalim ng pagtagos na mas mababa sa 0.5mm), at ang absorption rate ng materyal ng laser ay nasa pagitan ng 25-45%. Kapag nabuo na ang keyhole, ang enerhiya ng laser ay pangunahing hinihigop ng loob ng workpiece sa pamamagitan ng keyhole effect, at ang proseso ng hinang ay nagiging deep penetration welding (na may lalim ng pagtagos na higit sa 0.5mm), ang absorption rate ay maaaring umabot sa mahigit 60-90%.

Ang epekto ng keyhole ay gumaganap ng napakahalagang papel sa pagpapahusay ng pagsipsip ng laser habang pinoproseso tulad ng laser welding, pagputol, at pagbabarena. Ang sinag ng laser na pumapasok sa keyhole ay halos ganap na nasisipsip sa pamamagitan ng maraming repleksyon mula sa dingding ng butas.

Karaniwang pinaniniwalaan na ang mekanismo ng pagsipsip ng enerhiya ng laser sa loob ng keyhole ay may kasamang dalawang proseso: reverse absorption at Fresnel absorption.

Balanse ng presyon sa loob ng keyhole

Sa panahon ng laser deep penetration welding, ang materyal ay sumasailalim sa matinding vaporization, at ang expansion pressure na nalilikha ng high-temperature steam ay naglalabas ng likidong metal, na bumubuo ng maliliit na butas. Bukod sa vapor pressure at ablation pressure (kilala rin bilang evaporation reaction force o recoil pressure) ng materyal, mayroon ding surface tension, liquid static pressure na dulot ng gravity, at fluid dynamic pressure na nalilikha ng daloy ng tinunaw na materyal sa loob ng maliit na butas. Sa mga pressure na ito, tanging ang steam pressure ang nagpapanatili sa pagbukas ng maliit na butas, habang ang iba pang tatlong pwersa ay nagsisikap na isara ang maliit na butas. Upang mapanatili ang katatagan ng keyhole sa panahon ng proseso ng welding, ang vapor pressure ay dapat sapat upang malampasan ang iba pang resistensya at makamit ang equilibrium, na pinapanatili ang pangmatagalang katatagan ng keyhole. Para sa pagiging simple, karaniwang pinaniniwalaan na ang mga pwersang kumikilos sa dingding ng keyhole ay pangunahing ablation pressure (metal vapor recoil pressure) at surface tension.

Kawalang-tatag ng Keyhole

Kaligiran: Ang laser ay kumikilos sa ibabaw ng mga materyales, na nagiging sanhi ng pagsingaw ng malaking halaga ng metal. Ang presyon ng recoil ay bumababa sa tinunaw na pool, na bumubuo ng mga keyhole at plasma, na nagreresulta sa pagtaas ng lalim ng pagkatunaw. Sa proseso ng paggalaw, ang laser ay tumatama sa harapang dingding ng keyhole, at ang posisyon kung saan dumidikit ang laser sa materyal ay magdudulot ng matinding pagsingaw ng materyal. Kasabay nito, ang dingding ng keyhole ay makakaranas ng pagkawala ng masa, at ang pagsingaw ay bubuo ng presyon ng recoil na pipindutin pababa sa likidong metal, na magiging sanhi ng pagbabago-bago ng panloob na dingding ng keyhole pababa at paggalaw sa ilalim ng keyhole patungo sa likuran ng tinunaw na pool. Dahil sa pagbabago-bago ng likidong tinunaw na pool mula sa harapang dingding patungo sa likurang dingding, ang volume sa loob ng keyhole ay patuloy na nagbabago. Ang panloob na presyon ng keyhole ay nagbabago rin nang naaayon, na humahantong sa pagbabago sa volume ng plasma na ini-spray palabas. Ang pagbabago sa volume ng plasma ay humahantong sa mga pagbabago sa shielding, refraction, at absorption ng enerhiya ng laser, na nagreresulta sa mga pagbabago sa enerhiya ng laser na umaabot sa ibabaw ng materyal. Ang buong proseso ay pabago-bago at pana-panahon, na sa huli ay nagreresulta sa hugis-ngipin at kulot na metal na pagtagos, at walang makinis at pantay na pagtagos na hinang. Ang pigura sa itaas ay isang cross-sectional na pananaw ng gitna ng hinang na nakuha sa pamamagitan ng paayon na pagputol na parallel sa gitna ng hinang, pati na rin ang isang real-time na pagsukat ng pagkakaiba-iba ng lalim ng keyhole sa pamamagitan ngIPG-LDD bilang ebidensya.

Pagbutihin ang direksyon ng katatagan ng butas ng susi

Sa panahon ng laser deep penetration welding, ang katatagan ng maliit na butas ay masisiguro lamang sa pamamagitan ng dynamic balance ng iba't ibang pressure sa loob ng butas. Gayunpaman, ang pagsipsip ng laser energy ng dingding ng butas at ang pagsingaw ng mga materyales, ang pagbuga ng metal vapor sa labas ng maliit na butas, at ang pasulong na paggalaw ng maliit na butas at tinunaw na pool ay pawang napakatindi at mabilis na proseso. Sa ilalim ng ilang kondisyon ng proseso, sa ilang sandali habang isinasagawa ang proseso ng hinang, may posibilidad na ang katatagan ng maliit na butas ay maaaring magambala sa mga lokal na lugar, na humahantong sa mga depekto sa hinang. Ang pinakakaraniwan at karaniwan ay ang mga depekto sa porosity na uri ng maliliit na butas at pagtalsik na dulot ng pagguho ng keyhole;

Kaya paano patatagin ang butas ng susi?

Ang pagbabago-bago ng keyhole fluid ay medyo kumplikado at kinasasangkutan ng napakaraming salik (temperatura, daloy, puwersa, optoelectronic physics), na maaaring ibuod sa dalawang kategorya: ang ugnayan sa pagitan ng surface tension at metal vapor recoil pressure; Ang recoil pressure ng metal vapor ay direktang nakakaapekto sa pagbuo ng mga keyhole, na malapit na nauugnay sa lalim at dami ng mga keyhole. Kasabay nito, bilang tanging pataas na gumagalaw na sangkap ng metal vapor sa proseso ng hinang, ito ay malapit ding nauugnay sa paglitaw ng spatter; Ang surface tension ay nakakaapekto sa daloy ng tinunaw na pool;

Kaya ang matatag na proseso ng laser welding ay nakasalalay sa pagpapanatili ng distribution gradient ng surface tension sa tinunaw na pool, nang walang labis na pagbabago-bago. Ang surface tension ay nauugnay sa distribusyon ng temperatura, at ang distribusyon ng temperatura ay nauugnay sa pinagmumulan ng init. Samakatuwid, ang composite heat source at swing welding ay mga potensyal na teknikal na direksyon para sa matatag na proseso ng hinang;

Ang singaw ng metal at ang dami ng keyhole ay kailangang bigyang-pansin ang epekto ng plasma at ang laki ng bukana ng keyhole. Kung mas malaki ang bukana, mas malaki ang keyhole, at ang bale-wala na pagbabago-bago sa ilalim na punto ng melt pool, na may maliit na epekto sa pangkalahatang dami ng keyhole at mga pagbabago sa panloob na presyon; Kaya ang adjustable ring mode laser (annular spot), laser arc recombination, frequency modulation, atbp. ay pawang mga direksyon na maaaring palawakin.