Atslēgas caurumu veidošanās un attīstība:
Atslēgas cauruma definīcija: Kad starojuma apstarojums ir lielāks par 10 ^ 6 W/cm ^ 2, materiāla virsma lāzera iedarbībā kūst un iztvaiko. Kad iztvaikošanas ātrums ir pietiekami liels, radītais tvaika atsitiena spiediens ir pietiekams, lai pārvarētu šķidrā metāla virsmas spraigumu un šķidruma gravitāciju, tādējādi izspiežot daļu no šķidrā metāla, izraisot izkausētā metāla ierosmes zonā esošās iegrimšanas un mazu bedru veidošanos. Gaismas stars tieši iedarbojas uz mazās bedres dibenu, izraisot metāla tālāku kušanu un gazifikāciju. Augstspiediena tvaiks turpina piespiest šķidro metālu bedres dibenā plūst uz izkausētās tvertnes perifēriju, vēl vairāk padziļinot mazo caurumu. Šis process turpinās, galu galā veidojot atslēgas caurumam līdzīgu caurumu šķidrajā metālā. Kad lāzera stara radītais metāla tvaika spiediens mazajā caurumā sasniedz līdzsvaru ar šķidrā metāla virsmas spraigumu un gravitāciju, mazais caurums vairs nepadziļinās un veido dziļumā stabilu mazu caurumu, ko sauc par "mazā cauruma efektu".
Lāzera staram pārvietojoties attiecībā pret sagatavi, mazajam caurumam ir nedaudz atpakaļ izliekta priekšējā daļa un skaidri slīps apgriezts trīsstūris aizmugurē. Mazā cauruma priekšējā mala ir lāzera darbības zona ar augstu temperatūru un augstu tvaika spiedienu, savukārt temperatūra gar aizmugurējo malu ir relatīvi zema un tvaika spiediens ir mazs. Šīs spiediena un temperatūras atšķirības ietekmē izkausētais šķidrums plūst ap mazo caurumu no priekšējā gala uz aizmugurējo galu, veidojot virpuli mazā cauruma aizmugurējā galā un visbeidzot sacietē aizmugurējā malā. Atslēgas cauruma dinamiskais stāvoklis, kas iegūts, izmantojot lāzera simulāciju un faktisko metināšanu, ir parādīts iepriekš redzamajā attēlā. Mazo caurumu morfoloģija un apkārtējā izkausētā šķidruma plūsma kustības laikā ar dažādu ātrumu.
Mazo caurumu klātbūtnes dēļ lāzera stara enerģija iekļūst materiāla iekšpusē, veidojot šo dziļo un šauro metinājuma šuvi. Lāzera dziļās iespiešanās metināšanas šuves tipiskā šķērsgriezuma morfoloģija ir parādīta iepriekš redzamajā attēlā. Metinājuma šuves iespiešanās dziļums ir tuvu atslēgas cauruma dziļumam (precīzāk, metalogrāfiskais slānis ir par 60–100 μm dziļāks nekā atslēgas caurums, par vienu šķidruma slāni mazāk). Jo lielāks lāzera enerģijas blīvums, jo dziļāks ir mazais caurums un jo lielāks ir metinājuma šuves iespiešanās dziļums. Lieljaudas lāzermetināšanā metināšanas šuves maksimālā dziļuma un platuma attiecība var sasniegt 12:1.
Absorbcijas analīzelāzera enerģijapa atslēgas caurumu
Pirms mazu caurumu un plazmas veidošanās lāzera enerģija galvenokārt tiek pārnesta uz sagataves iekšpusi, izmantojot siltumvadītspēju. Metināšanas process pieder pie vadošas metināšanas (ar iespiešanās dziļumu mazāku par 0,5 mm), un lāzera absorbcijas ātrums materiālā ir no 25 līdz 45%. Kad atslēgas caurums ir izveidots, lāzera enerģija galvenokārt tiek absorbēta sagataves iekšpusē, izmantojot atslēgas cauruma efektu, un metināšanas process kļūst par dziļas iespiešanās metināšanu (ar iespiešanās dziļumu vairāk nekā 0,5 mm). Absorbcijas ātrums var sasniegt vairāk nekā 60–90%.
Atslēgas cauruma efektam ir ārkārtīgi svarīga loma lāzera absorbcijas uzlabošanā apstrādes laikā, piemēram, lāzermetināšanas, griešanas un urbšanas laikā. Lāzera stars, kas nonāk atslēgas caurumā, gandrīz pilnībā tiek absorbēts, pateicoties vairākiem atstarojumiem no cauruma sienas.
Parasti tiek uzskatīts, ka lāzera enerģijas absorbcijas mehānisms atslēgas caurumā ietver divus procesus: reverso absorbciju un Frenela absorbciju.
Spiediena līdzsvars atslēgas cauruma iekšpusē
Lāzera dziļās iespiešanās metināšanas laikā materiāls tiek pakļauts spēcīgai iztvaikošanai, un augstas temperatūras tvaika radītais izplešanās spiediens izspiež šķidro metālu, veidojot mazus caurumus. Papildus materiāla tvaika spiedienam un ablācijas spiedienam (pazīstams arī kā iztvaikošanas reakcijas spēks vai atsitiena spiediens) pastāv arī virsmas spraigums, šķidruma statiskais spiediens, ko rada gravitācija, un šķidruma dinamiskais spiediens, ko rada izkausēta materiāla plūsma mazā cauruma iekšpusē. Starp šiem spiedieniem tikai tvaika spiediens uztur mazā cauruma atvērumu, bet pārējie trīs spēki cenšas to aizvērt. Lai metināšanas procesa laikā saglabātu atslēgas cauruma stabilitāti, tvaika spiedienam jābūt pietiekamam, lai pārvarētu citu pretestību un sasniegtu līdzsvaru, saglabājot atslēgas cauruma ilgtermiņa stabilitāti. Vienkāršības labad parasti tiek uzskatīts, ka spēki, kas iedarbojas uz atslēgas cauruma sienu, galvenokārt ir ablācijas spiediens (metāla tvaika atsitiena spiediens) un virsmas spraigums.
Atslēgas cauruma nestabilitāte
Pamatinformācija: Lāzers iedarbojas uz materiālu virsmu, izraisot liela metāla daudzuma iztvaikošanu. Atsitiena spiediens spiež uz izkausēto materiālu, veidojot atslēgas caurumus un plazmu, kā rezultātā palielinās kušanas dziļums. Kustības procesā lāzers trāpa atslēgas cauruma priekšējai sienai, un pozīcija, kurā lāzers saskaras ar materiālu, izraisīs ievērojamu materiāla iztvaikošanu. Vienlaikus atslēgas cauruma siena piedzīvos masas zudumu, un iztvaikošana radīs atsitiena spiedienu, kas spiedīs uz šķidro metālu, izraisot atslēgas cauruma iekšējās sienas svārstības uz leju un kustību ap atslēgas cauruma apakšu uz izkausētā materiāla aizmuguri. Šķidrā izkausētā materiāla svārstību dēļ no priekšējās sienas uz aizmugurējo sienu atslēgas cauruma iekšpusē esošais tilpums pastāvīgi mainās. Attiecīgi mainās arī atslēgas cauruma iekšējais spiediens, kas izraisa izmaiņas izsmidzinātās plazmas tilpumā. Plazmas tilpuma izmaiņas izraisa izmaiņas lāzera enerģijas ekranēšanā, refrakcijā un absorbcijā, kā rezultātā mainās lāzera enerģija, kas sasniedz materiāla virsmu. Viss process ir dinamisks un periodisks, kā rezultātā rodas zāģzobaina un viļņaina metāla iespiešanās, un nav vienmērīgas, vienādas iespiešanās metinājuma. Iepriekš redzamais attēls ir metinājuma centra šķērsgriezums, kas iegūts, veicot garenisku griešanu paralēli metinājuma centram, kā arī atslēgas cauruma dziļuma variācijas mērījums reāllaikā, izmantojotIPG-LDD kā pierādījums.
Uzlabojiet atslēgas cauruma stabilitātes virzienu
Dziļās iespiešanās lāzera metināšanas laikā mazā cauruma stabilitāti var nodrošināt tikai ar dažādu spiedienu dinamisko līdzsvaru cauruma iekšpusē. Tomēr lāzera enerģijas absorbcija cauruma sienā un materiālu iztvaikošana, metāla tvaiku izmešana ārpus mazā cauruma, kā arī mazā cauruma un izkausētā metāla kustība uz priekšu ir ļoti intensīvi un ātri procesi. Noteiktos procesa apstākļos, noteiktos metināšanas procesa brīžos pastāv iespēja, ka mazā cauruma stabilitāte var tikt lokāli traucēta, izraisot metināšanas defektus. Tipiskākie un izplatītākie no tiem ir mazu poru tipa porainības defekti un šļakatas, ko izraisa atslēgas cauruma sabrukšana;
Tātad, kā stabilizēt atslēgas caurumu?
Atslēgas caurumu šķidruma svārstības ir samērā sarežģītas un ietver pārāk daudz faktoru (temperatūras lauku, plūsmas lauku, spēka lauku, optoelektronisko fiziku), ko var vienkārši apkopot divās kategorijās: virsmas spraiguma un metāla tvaiku atsitiena spiediena saistība; metāla tvaiku atsitiena spiediens tieši ietekmē atslēgas caurumu veidošanos, kas ir cieši saistīts ar atslēgas caurumu dziļumu un tilpumu. Vienlaikus, tā kā metināšanas procesā metāla tvaiki ir vienīgā augšup virzošā viela, tie ir cieši saistīti arī ar šļakatu rašanos; virsmas spraigums ietekmē izkausētās metināšanas baseina plūsmu;
Tātad stabils lāzera metināšanas process ir atkarīgs no virsmas spraiguma sadalījuma gradienta saglabāšanas izkausētā materiālā bez pārāk lielām svārstībām. Virsmas spraigums ir saistīts ar temperatūras sadalījumu, un temperatūras sadalījums ir saistīts ar siltuma avotu. Tāpēc kompozītmateriālu siltuma avots un svārstību metināšana ir potenciāli tehniski virzieni stabila metināšanas procesa nodrošināšanai;
Metāla tvaiku un atslēgas cauruma tilpumam jāpievērš uzmanība plazmas efektam un atslēgas cauruma atveres izmēram. Jo lielāka atvere, jo lielāks atslēgas caurums un niecīgas svārstības kausējuma baseina apakšējā punktā, kam ir relatīvi maza ietekme uz kopējo atslēgas cauruma tilpumu un iekšējā spiediena izmaiņām; Tātad regulējams gredzenveida lāzers (gredzenveida punkts), lāzera loka rekombinācija, frekvences modulācija utt. ir virzieni, kurus var paplašināt.
Publicēšanas laiks: 2023. gada 1. decembris
