Formarea și dezvoltarea găurilor cheii:
Definiția gaurii cheii: Când iradierea radiației este mai mare de 10 ^ 6 W/cm ^ 2, suprafața materialului se topește și se evaporă sub acțiunea laserului. Când viteza de evaporare este suficient de mare, presiunea de retragere a vaporilor generată este suficientă pentru a depăși tensiunea superficială și gravitatea lichidului metalului lichid, deplasând astfel o parte din metalul lichid, provocând scufundarea bazinului topit din zona de excitație și formarea de mici gropi. ; Fasciculul de lumină acționează direct asupra fundului gropii mici, determinând topirea și gazeificarea în continuare a metalului. Aburul de înaltă presiune continuă să forțeze metalul lichid din fundul gropii să curgă spre periferia bazinului topit, adâncind și mai mult gaura mică. Acest proces continuă, formând în cele din urmă o gaură ca o gaură în metalul lichid. Când presiunea vaporilor metalici generată de fasciculul laser în gaura mică atinge echilibrul cu tensiunea superficială și gravitația metalului lichid, gaura mică nu se mai adâncește și formează o gaură mică stabilă în adâncime, care se numește „efectul gaurii mici”. .
Pe măsură ce fasciculul laser se mișcă în raport cu piesa de prelucrat, orificiul mic arată un față ușor curbat înapoi și un triunghi inversat clar înclinat în spate. Marginea frontală a găurii mici este zona de acțiune a laserului, cu temperatură ridicată și presiune ridicată a vaporilor, în timp ce temperatura de-a lungul marginii din spate este relativ scăzută, iar presiunea vaporilor este mică. Sub această diferență de presiune și temperatură, lichidul topit curge în jurul găurii mici de la capătul din față la capătul din spate, formând un vârtej la capătul din spate al găurii mici și în cele din urmă se solidifică la marginea din spate. Starea dinamică a găurii cheii obținute prin simulare cu laser și sudare efectivă este prezentată în figura de mai sus, Morfologia găurilor mici și fluxul lichidului topit înconjurător în timpul deplasării la viteze diferite.
Datorită prezenței unor găuri mici, energia fasciculului laser pătrunde în interiorul materialului, formând această cusătură de sudură adâncă și îngustă. Morfologia tipică în secțiune transversală a cordonului de sudură cu penetrare adâncă cu laser este prezentată în figura de mai sus. Adâncimea de penetrare a cusăturii de sudură este apropiată de adâncimea găurii cheii (mai precis, stratul metalografic este cu 60-100um mai adânc decât gaura cheii, cu un strat lichid mai puțin). Cu cât densitatea energiei laser este mai mare, cu atât gaura mică este mai adâncă și adâncimea de penetrare a cordonului de sudură este mai mare. În sudarea cu laser de mare putere, raportul maxim adâncime/lățime al cordonului de sudură poate ajunge la 12:1.
Analiza absorbției deenergie laserprin gaura cheii
Înainte de formarea de găuri mici și plasmă, energia laserului este transmisă în principal la interiorul piesei de prelucrat prin conducție termică. Procesul de sudare apartine sudurii conductive (cu o adancime de patrundere mai mica de 0,5mm), iar rata de absorbtie a materialului a laserului este intre 25-45%. Odată ce gaura cheii este formată, energia laserului este absorbită în principal de interiorul piesei de prelucrat prin efectul de gaură a cheii, iar procesul de sudare devine sudare cu penetrare adâncă (cu o adâncime de penetrare mai mare de 0,5 mm), rata de absorbție poate atinge peste 60-90%.
Efectul de gaură a cheii joacă un rol extrem de important în îmbunătățirea absorbției laserului în timpul procesării, cum ar fi sudarea, tăierea și găurirea cu laser. Raza laser care intră în gaura cheii este aproape complet absorbită prin reflexii multiple din peretele găurii.
În general, se crede că mecanismul de absorbție a energiei laser în interiorul găurii cheii include două procese: absorbția inversă și absorbția Fresnel.
Echilibrul presiunii în interiorul găurii cheii
În timpul sudării cu penetrare adâncă cu laser, materialul suferă o vaporizare severă, iar presiunea de expansiune generată de aburul la temperatură înaltă expulzează metalul lichid, formând mici găuri. Pe lângă presiunea vaporilor și presiunea de ablație (cunoscută și ca forță de reacție de evaporare sau presiune de recul) a materialului, există și tensiunea superficială, presiunea statică a lichidului cauzată de gravitație și presiunea dinamică a fluidului generată de curgerea materialului topit în interiorul gaura mica. Dintre aceste presiuni, doar presiunea aburului menține deschiderea orificiului mic, în timp ce celelalte trei forțe se străduiesc să închidă orificiul mic. Pentru a menține stabilitatea găurii cheii în timpul procesului de sudare, presiunea vaporilor trebuie să fie suficientă pentru a depăși alte rezistențe și pentru a atinge echilibrul, menținând stabilitatea pe termen lung a găurii cheii. Pentru simplitate, se crede în general că forțele care acționează asupra peretelui găurii cheii sunt în principal presiunea de ablație (presiunea de recul a vaporilor de metal) și tensiunea superficială.
Instabilitatea găurii cheii
Context: Laserul acționează pe suprafața materialelor, determinând evaporarea unei cantități mari de metal. Presiunea de recul apasă în jos pe bazinul topit, formând găuri de cheie și plasmă, rezultând o creștere a adâncimii de topire. În timpul procesului de mișcare, laserul lovește peretele frontal al găurii cheii, iar poziția în care laserul intră în contact cu materialul va provoca o evaporare severă a materialului. În același timp, peretele găurii cheii va suferi pierderi de masă, iar evaporarea va forma o presiune de recul care va apăsa în jos metalul lichid, determinând ca peretele interior al găurii cheii să fluctueze în jos și să se miște în jurul fundului găurii cheii către spatele bazinului topit. Datorită fluctuației bazinului de lichid topit de la peretele frontal la peretele din spate, volumul din interiorul găurii cheii se schimbă constant, presiunea internă a găurii cheii se modifică, de asemenea, în consecință, ceea ce duce la o modificare a volumului de plasmă pulverizată. . Modificarea volumului plasmei duce la modificări ale ecranării, refracției și absorbției energiei laserului, ducând la modificări ale energiei laserului care ajunge la suprafața materialului. Întregul proces este dinamic și periodic, rezultând în cele din urmă o penetrare a metalului ondulată și în formă de dinte de ferăstrău și nu există o sudură netedă cu penetrare egală. Figura de mai sus este o vedere în secțiune transversală a centrului sudurii obținute prin tăiere longitudinală paralelă cu centrul sudurii, precum și o măsurare în timp real a variației adâncimii gaurii cheii de cătreIPG-LDD ca dovadă.
Îmbunătățiți direcția de stabilitate a găurii cheii
În timpul sudării cu penetrare adâncă cu laser, stabilitatea găurii mici poate fi asigurată doar de echilibrul dinamic al diferitelor presiuni din interiorul găurii. Cu toate acestea, absorbția energiei laser de către peretele găurii și evaporarea materialelor, ejectarea vaporilor de metal în afara găurii mici și mișcarea înainte a găurii mici și a bazinului topit sunt toate procese foarte intense și rapide. În anumite condiții de proces, în anumite momente ale procesului de sudare, există posibilitatea ca stabilitatea găurii mici să fie perturbată în zonele locale, ducând la defecte de sudare. Cele mai tipice și obișnuite sunt defecte de porozitate de tip pori mici și stropire cauzate de prăbușirea găurii cheii;
Deci, cum să stabilizezi gaura cheii?
Fluctuația fluidului găurii cheii este relativ complexă și implică prea mulți factori (câmp de temperatură, câmp de curgere, câmp de forță, fizica optoelectronică), care pot fi rezumați simplu în două categorii: relația dintre tensiunea superficială și presiunea de recul a vaporilor metalici; Presiunea de recul a vaporilor de metal acționează direct asupra generării găurilor cheilor, ceea ce este strâns legat de adâncimea și volumul găurilor cheilor. În același timp, fiind singura substanță în mișcare ascendentă a vaporilor de metal în procesul de sudare, este, de asemenea, strâns legată de apariția stropilor; Tensiunea superficială afectează curgerea bazinului topit;
Deci, procesul stabil de sudare cu laser depinde de menținerea gradientului de distribuție a tensiunii superficiale în bazinul topit, fără prea multe fluctuații. Tensiunea superficială este legată de distribuția temperaturii, iar distribuția de temperatură este legată de sursa de căldură. Prin urmare, sursa de căldură compozită și sudarea swing sunt potențiale direcții tehnice pentru un proces de sudare stabil;
Vaporii de metal și volumul găurii cheii trebuie să acorde atenție efectului de plasmă și dimensiunii deschiderii găurii cheii. Cu cât deschiderea este mai mare, cu atât gaura cheii este mai mare și fluctuațiile neglijabile în punctul inferior al bazinului de topire, care au un impact relativ mic asupra volumului general al găurii cheii și asupra modificărilor de presiune internă; Deci, laserul cu modul inel reglabil (punctul inelar), recombinarea arcului laser, modularea frecvenței etc. sunt toate direcțiile care pot fi extinse.
Ora postării: Dec-01-2023
