Lasermateriaalien vuorovaikutus – Avaimenreikäefekti

Avaimenreikien muodostuminen ja kehittäminen:

Avaimenreiän määritelmä: Kun säteilyn irradianssi on suurempi kuin 10 ^ 6W/cm ^ 2, materiaalin pinta sulaa ja haihtuu laserin vaikutuksesta. Kun haihtumisnopeus on riittävän suuri, syntyvä höyryn rekyylipaine on riittävä voittamaan nestemäisen metallin pintajännityksen ja nestemäisen painovoiman ja siten syrjäyttämään osan nestemäisestä metallista, jolloin viritysvyöhykkeellä oleva sula altaan vajoaa ja muodostaa pieniä kuoppia. ; Valosäde vaikuttaa suoraan pienen kuopan pohjaan, mikä saa metallin edelleen sulamaan ja kaasuttumaan. Korkeapainehöyry pakottaa edelleen kaivon pohjalla olevan nestemäisen metallin virtaamaan sulan altaan reunaa kohti, mikä syventää pientä reikää entisestään. Tämä prosessi jatkuu muodostaen lopulta avaimenreiän kaltaisen reiän nestemäiseen metalliin. Kun lasersäteen synnyttämä metallihöyrynpaine pienessä reiässä saavuttaa tasapainon nestemäisen metallin pintajännityksen ja painovoiman kanssa, pieni reikä ei enää syvene ja muodostaa syvyysstabiilin pienen reiän, jota kutsutaan "pienen reiän efektiksi". .

Lasersäteen liikkuessa suhteessa työkappaleeseen pienessä reiässä näkyy hieman taaksepäin kaareva etuosa ja selvästi kalteva käänteinen kolmio takana. Pienen reiän etureuna on laserin toiminta-alue, jossa on korkea lämpötila ja korkea höyrynpaine, kun taas takareunan lämpötila on suhteellisen alhainen ja höyrynpaine pieni. Tämän paine- ja lämpötilaeron alaisena sula neste virtaa pienen reiän ympäri etureunasta takapäähän muodostaen pyörteen pienen reiän takapäähän ja lopulta jähmettyy takareunassa. Lasersimulaatiolla ja varsinaisella hitsauksella saadun avaimenreiän dynaaminen tila on esitetty yllä olevassa kuvassa Pienten reikien morfologia ja ympäröivän sulan nesteen virtaus ajon aikana eri nopeuksilla.

Pienten reikien ansiosta lasersäteen energia tunkeutuu materiaalin sisäpuolelle muodostaen tämän syvän ja kapean hitsaussauman. Yllä olevassa kuvassa on esitetty lasersyvään tunkeutuvan hitsisauman tyypillinen poikkileikkausmorfologia. Hitsaussauman tunkeutumissyvyys on lähellä avaimenreiän syvyyttä (tarkemmin sanottuna metallografinen kerros on 60-100um syvempi kuin avaimenreikä, yksi nestekerros vähemmän). Mitä suurempi laserenergian tiheys on, sitä syvempi on pieni reikä ja sitä suurempi on hitsaussauman tunkeutumissyvyys. Suuritehoisessa laserhitsauksessa hitsaussauman suurin syvyys-leveyssuhde voi olla 12:1.

Imeytymisen analyysilaserenergiaaavaimenreiän kautta

Ennen pienten reikien ja plasman muodostumista laserin energia siirtyy pääasiassa työkappaleen sisäpuolelle lämmönjohtavuuden kautta. Hitsausprosessi kuuluu johtavaan hitsaukseen (tunkeutumissyvyys alle 0,5 mm), ja laserin materiaalin absorptionopeus on 25-45 %. Kun avaimenreikä on muodostunut, laserin energia absorboituu pääasiassa työkappaleen sisäosaan avaimenreikävaikutuksen kautta, ja hitsausprosessista tulee syvä tunkeumahitsaus (tunkeutumissyvyys yli 0,5 mm), absorptionopeus voi saavuttaa yli 60-90 %.

Avaimenreikäefektillä on erittäin tärkeä rooli laserin absorption parantamisessa käsittelyn, kuten laserhitsauksen, -leikkauksen ja -porauksen, aikana. Avaimenreikään tuleva lasersäde absorboituu lähes kokonaan reiän seinästä tulevien useiden heijastusten kautta.

Yleisesti uskotaan, että avaimenreiän sisällä olevan laserin energian absorptiomekanismi sisältää kaksi prosessia: käänteisen absorption ja Fresnel-absorption.

Painetasapaino avaimenreiän sisällä

Laserin syväläpihitsauksen aikana materiaali höyrystyy voimakkaasti, ja korkean lämpötilan höyryn synnyttämä paisuntapaine ajaa nestemäisen metallin ulos muodostaen pieniä reikiä. Materiaalin höyrynpaineen ja ablaatiopaineen (tunnetaan myös nimellä haihtumisreaktiovoima tai rekyylipaine) lisäksi on olemassa myös pintajännitystä, painovoiman aiheuttamaa nesteen staattista painetta ja nesteen dynaamista painetta, joka syntyy sulan materiaalin virtauksen seurauksena pieni reikä. Näistä paineista vain höyrynpaine ylläpitää pienen reiän aukkoa, kun taas kolme muuta voimaa pyrkivät sulkemaan pienen reiän. Avaimenreiän vakauden ylläpitämiseksi hitsausprosessin aikana höyrynpaineen on oltava riittävä voittamaan muun vastuksen ja saavuttamaan tasapainon, joka säilyttää avaimenreiän pitkäaikaisen vakauden. Yksinkertaisuuden vuoksi uskotaan yleisesti, että avaimenreiän seinämään vaikuttavat voimat ovat pääasiassa ablaatiopaine (metallihöyryn rekyylipaine) ja pintajännitys.

Avaimenreiän epävakaus

Tausta: Laser vaikuttaa materiaalien pintaan, jolloin suuri määrä metallia haihtuu. Rekyylipaine painaa sulaa altaan, muodostaen avaimenreikiä ja plasmaa, mikä lisää sulamissyvyyttä. Siirron aikana laser osuu avaimenreiän etuseinään ja laserin kosketuskohta materiaaliin aiheuttaa materiaalin voimakasta haihtumista. Samanaikaisesti avaimenreiän seinämässä massa häviää ja haihtuminen muodostaa rekyylipaineen, joka painaa nestemäistä metallia, jolloin avaimenreiän sisäseinämä heilahtelee alaspäin ja liikkuu avaimenreiän pohjaa kohti. sulan altaan takana. Johtuen sulan nestemäisen altaan vaihtelusta etuseinästä takaseinään, avaimenreiän sisäinen tilavuus muuttuu jatkuvasti, myös avaimenreiän sisäinen paine muuttuu vastaavasti, mikä johtaa muutokseen ruiskutetun plasman tilavuudessa . Plasman tilavuuden muutos johtaa muutoksiin laserenergian suojauksessa, taitteessa ja absorptiossa, mikä johtaa muutoksiin materiaalin pinnan saavuttavan laserin energiassa. Koko prosessi on dynaaminen ja jaksollinen, mikä johtaa lopulta sahanmuotoiseen ja aaltoilevaan metallin tunkeutumiseen, eikä tasaista tasaläpäisyä ole olemassa. Yllä oleva kuva on poikkileikkauskuva hitsin keskipisteestä, joka on saatu pitkittäisleikkauksella samansuuntaisesti hitsin keskipisteestä sekä reaaliaikainen mittaus avaimenreiän syvyyden vaihtelustaIPG-LDD todisteena.

Paranna avaimenreiän vakaussuuntaa

Laser-syvyhitsauksen aikana pienen reiän vakaus voidaan varmistaa vain reiän sisällä olevien erilaisten paineiden dynaamisella tasapainolla. Kuitenkin laserenergian imeytyminen reiän seinämään ja materiaalien haihtuminen, metallihöyryn poistuminen pienen reiän ulkopuolelle sekä pienen reiän ja sulan altaan liikkuminen eteenpäin ovat kaikki erittäin intensiivisiä ja nopeita prosesseja. Tietyissä prosessiolosuhteissa, tiettyinä hetkinä hitsausprosessin aikana, on mahdollista, että pienen reiän vakaus saattaa häiriintyä paikallisilla alueilla, mikä johtaa hitsausvirheisiin. Tyypillisimpiä ja yleisimpiä ovat avaimenreiän romahtamisen aiheuttamat pienet huokostyyppiset huokoisuusvirheet ja roiskeet;

Joten kuinka vakauttaa avaimenreikä?

Avaimenreikänesteen vaihtelu on suhteellisen monimutkaista ja siihen liittyy liian monia tekijöitä (lämpötilakenttä, virtauskenttä, voimakenttä, optoelektroninen fysiikka), jotka voidaan yksinkertaisesti tiivistää kahteen kategoriaan: pintajännityksen ja metallihöyryn rekyylipaineen välinen suhde; Metallihöyryn rekyylipaine vaikuttaa suoraan avaimenreikien muodostumiseen, mikä liittyy läheisesti avaimenreikien syvyyteen ja tilavuuteen. Samalla se on ainoana ylöspäin liikkuvana metallihöyryn aineena hitsausprosessissa, ja se liittyy läheisesti myös roiskeiden esiintymiseen; Pintajännitys vaikuttaa sulan altaan virtaukseen;

Joten vakaa laserhitsausprosessi riippuu pintajännityksen jakautumisgradientin ylläpitämisestä sulassa altaassa ilman liiallista vaihtelua. Pintajännitys liittyy lämpötilan jakautumiseen ja lämpötilan jakautuminen lämmönlähteeseen. Siksi komposiittilämmönlähde ja kääntöhitsaus ovat mahdollisia teknisiä ohjeita vakaalle hitsausprosessille;

Metallihöyryn ja avaimenreiän tilavuuden tulee kiinnittää huomiota plasmavaikutukseen ja avaimenreiän aukon kokoon. Mitä suurempi aukko, sitä suurempi avaimenreikä ja mitättömät vaihtelut sulatusaltaan pohjapisteessä, joilla on suhteellisen pieni vaikutus avaimenreiän kokonaistilavuuteen ja sisäiseen paineen muutoksiin; Joten säädettävä rengasmuotoinen laser (rengaspiste), laserkaarirekombinaatio, taajuusmodulaatio jne. ovat kaikki suunnat, joita voidaan laajentaa.