Lasermateriaalien vuorovaikutus – avaimenreikäilmiö

Avaimenreikien muodostuminen ja kehitys:

Avaimenreiän määritelmä: Kun säteilyteho on yli 10 ^ 6 W/cm ^ 2, materiaalin pinta sulaa ja höyrystyy laserin vaikutuksesta. Kun haihtumisnopeus on riittävän suuri, syntyvä höyryn palautumispaine riittää voittamaan nestemäisen metallin pintajännityksen ja nestemäisen painovoiman, jolloin osa nestemäisestä metallista syrjäytyy, jolloin viritysvyöhykkeen sula allas vajoaa ja muodostaa pieniä kuoppia. Valonsäde vaikuttaa suoraan pienen kuopan pohjaan, jolloin metalli sulaa ja kaasuuntuu edelleen. Korkeapaineinen höyry pakottaa edelleen kuopan pohjalla olevan nestemäisen metallin virtaamaan sulan altaan reunoille, syventäen pientä reikää entisestään. Tämä prosessi jatkuu, jolloin nestemäiseen metalliin muodostuu lopulta avaimenreiän kaltainen reikä. Kun lasersäteen pienessä reiässä synnyttämä metallin höyrynpaine saavuttaa tasapainon nestemäisen metallin pintajännityksen ja painovoiman kanssa, pieni reikä ei enää syvene ja muodostaa syvyysstabiilin pienen reiän, jota kutsutaan "pienen reiän vaikutukseksi".

Kun lasersäde liikkuu työkappaleeseen nähden, pienen reiän etuosa on hieman taaksepäin kaareva ja takana selvästi kalteva käänteinen kolmio. Pienen reiän etureuna on laserin vaikutusalue, jossa on korkea lämpötila ja korkea höyrynpaine, kun taas takareunan lämpötila on suhteellisen alhainen ja höyrynpaine pieni. Tässä paine- ja lämpötilaerossa sula neste virtaa pienen reiän ympäri etupäästä takapäähän muodostaen pyörteen pienen reiän takapäähän ja lopulta jähmettyy takareunassa. Lasersimulaatiolla ja todellisella hitsauksella saatu avaimenreiän dynaaminen tila on esitetty yllä olevassa kuvassa, jossa näkyy pienten reikien morfologia ja ympäröivän sulan nesteen virtaus eri nopeuksilla liikkuessa.

Pienten reikien läsnäolon vuoksi lasersäteen energia tunkeutuu materiaalin sisään muodostaen tämän syvän ja kapean hitsaussauman. Lasersyvähitsauksen tyypillinen poikkileikkausmorfologia on esitetty yllä olevassa kuvassa. Hitsaussauman tunkeutumissyvyys on lähellä avaimenreiän syvyyttä (tarkemmin sanottuna metallografinen kerros on 60–100 µm syvempi kuin avaimenreikä, yksi nestekerros vähemmän). Mitä suurempi laserenergiatiheys on, sitä syvempi on pieni reikä ja sitä suurempi on hitsaussauman tunkeutumissyvyys. Suuritehoisessa laserhitsauksessa hitsaussauman syvyyden ja leveyden suhde voi olla jopa 12:1.

Imeytymisen analyysilaserenergiaavaimenreiän kautta

Ennen pienten reikien ja plasman muodostumista laserin energia siirtyy pääasiassa työkappaleen sisään lämmönjohtavuuden kautta. Hitsausprosessi kuuluu johtavaan hitsaukseen (tunkeutumissyvyys alle 0,5 mm), ja laserin absorptionopeus materiaaliin on 25–45 %. Kun tähystysreikä on muodostunut, laserin energia absorboituu pääasiassa työkappaleen sisään tähystysreikäefektin kautta, ja hitsausprosessista tulee syvätunkeutumishitsaus (tunkeutumissyvyys yli 0,5 mm). Absorptionopeus voi olla yli 60–90 %.

Avaimenreikäefektillä on erittäin tärkeä rooli laserin absorption parantamisessa esimerkiksi laserhitsauksen, -leikkauksen ja -porauksen kaltaisissa prosessoinneissa. Avaimenreikään tuleva lasersäde absorboituu lähes kokonaan reiän seinämästä tulevien useiden heijastusten kautta.

Yleisesti uskotaan, että laserin energianabsorptiomekanismi avaimenreiän sisällä käsittää kaksi prosessia: käänteisen absorption ja Fresnel-absorption.

Painetasapaino avaimenreiän sisällä

Laserhitsauksessa materiaali höyrystyy voimakkaasti, ja korkean lämpötilan höyryn synnyttämä laajenemispaine työntää sulan metallin ulos muodostaen pieniä reikiä. Materiaalin höyrynpaineen ja ablaatiopaineen (tunnetaan myös nimellä haihtumisreaktiovoima tai rekyylipaine) lisäksi on olemassa myös pintajännitys, painovoiman aiheuttama nesteen staattinen paine ja sulan materiaalin virtauksen aiheuttama dynaaminen paine pienen reiän sisällä. Näistä paineista vain höyrynpaine pitää pienen reiän auki, kun taas kolme muuta voimaa pyrkivät sulkemaan pienen reiän. Avaimenreiän vakauden ylläpitämiseksi hitsausprosessin aikana höyrynpaineen on oltava riittävä voittamaan muut vastukset ja saavuttamaan tasapaino, joka ylläpitää avaimenreiän pitkäaikaista vakautta. Yksinkertaisuuden vuoksi yleisesti uskotaan, että avaimenreiän seinämään vaikuttavat voimat ovat pääasiassa ablaatiopaine (metallihöyryn rekyylipaine) ja pintajännitys.

Avaimenreiän epävakaus

Tausta: Laser vaikuttaa materiaalien pintaan aiheuttaen suuren määrän metallin haihtumista. Rekyylipaine painaa sulaa metalliallasta alaspäin muodostaen avaimenreikiä ja plasmaa, mikä johtaa sulamissyvyyden kasvuun. Liikkeen aikana laser osuu avaimenreiän etuseinään, ja kohta, jossa laser koskettaa materiaalia, aiheuttaa materiaalin voimakasta haihtumista. Samanaikaisesti avaimenreiän seinämä menettää massaansa, ja haihtuminen muodostaa rekyylipaineen, joka painaa nestemäistä metallia alaspäin aiheuttaen avaimenreiän sisäseinän heilahtelun alaspäin ja liikkumisen avaimenreiän pohjaa pitkin kohti sulan metallia. Nestemäisen sulan metallialtaan heilahtelun vuoksi etuseinästä takaseinään avaimenreiän sisällä oleva tilavuus muuttuu jatkuvasti. Myös avaimenreiän sisäpaine muuttuu vastaavasti, mikä johtaa muutokseen suihkutettavan plasman tilavuudessa. Plasman tilavuuden muutos johtaa muutoksiin laserenergian suojauksessa, taittumisessa ja absorptiossa, mikä johtaa muutoksiin materiaalin pintaan saavuttavan laserin energiassa. Koko prosessi on dynaaminen ja jaksollinen, mikä lopulta johtaa sahanterän muotoiseen ja aaltoilevaan metallin tunkeutumiseen, eikä hitsissä ole tasaista ja tasaista tunkeutuma-aluetta. Yllä oleva kuva on poikkileikkauskuva hitsin keskikohdasta, joka on saatu pitkittäisleikkauksella hitsin keskikohdan suuntaisesti, sekä reaaliaikainen mittaus avaimenreiän syvyyden vaihtelustaIPG-LDD todisteena.

Paranna avaimenreiän vakaussuuntaa

Laserhitsauksessa pienen reiän vakaus voidaan varmistaa vain reiän sisällä olevien paineiden dynaamisen tasapainon avulla. Reiän seinämän laserenergian absorbointi ja materiaalien haihtuminen, metallihöyryn purkautuminen pienen reiän ulkopuolelle sekä pienen reiän ja sulan altaan eteenpäin suuntautuva liike ovat kaikki erittäin voimakkaita ja nopeita prosesseja. Tietyissä prosessiolosuhteissa, tietyissä hitsausprosessin hetkissä, on mahdollista, että pienen reiän vakaus häiriintyy paikallisesti, mikä johtaa hitsausvirheisiin. Tyypillisimpiä ja yleisimpiä ovat pienhuokostyyppiset huokoisuusvirheet ja tähystysreiän sortumisesta johtuvat roiskeet;

Joten miten avaimenreikä vakautetaan?

Avaimenreiän nesteen vaihtelu on suhteellisen monimutkaista ja siihen liittyy liian monta tekijää (lämpötilakenttä, virtauskenttä, voimakenttä, optoelektroninen fysiikka), jotka voidaan yksinkertaisesti jakaa kahteen luokkaan: pintajännityksen ja metallihöyryn palautumispaineen välinen suhde; Metallihöyryn palautumispaine vaikuttaa suoraan avaimenreikien muodostumiseen, mikä liittyy läheisesti avaimenreikien syvyyteen ja tilavuuteen. Samalla, koska se on ainoa ylöspäin liikkuva metallihöyryn aine hitsausprosessissa, se liittyy myös läheisesti roiskeiden esiintymiseen; Pintajännitys vaikuttaa sulan altaan virtaukseen;

Vakaan laserhitsausprosessin edellytyksenä on siis pintajännityksen jakautumisgradientin ylläpitäminen sulassa altaassa ilman liiallisia vaihteluita. Pintajännitys liittyy lämpötilajakaumaan, ja lämpötilajakauma liittyy lämmönlähteeseen. Siksi komposiittilammunlähde ja heilurihitsaus ovat potentiaalisia teknisiä suuntia vakaalle hitsausprosessille.

Metallihöyryn ja avaimenreiän tilavuuden on otettava huomioon plasmavaikutus ja avaimenreiän aukon koko. Mitä suurempi aukko, sitä suurempi avaimenreikä ja sulan altaan pohjapisteen vähäiset vaihtelut, joilla on suhteellisen pieni vaikutus avaimenreiän kokonaistilavuuteen ja sisäisen paineen muutoksiin; Joten säädettävä rengasmuotoinen laser (rengasmainen piste), laserkaarirekombinaatio, taajuusmodulaatio jne. ovat kaikki suuntia, joita voidaan laajentaa.