Formarea și dezvoltarea găurilor de chei:
Definiția gaurii cheii: Când iradierea prin radiație este mai mare de 10^6W/cm^2, suprafața materialului se topește și se evaporă sub acțiunea laserului. Când viteza de evaporare este suficient de mare, presiunea de recul a vaporilor generați este suficientă pentru a depăși tensiunea superficială și gravitația metalului lichid, deplasând astfel o parte din metalul lichid, provocând scufundarea băii topite din zona de excitație și formarea unor gropi mici; Fasciculul de lumină acționează direct asupra fundului gropii mici, provocând topirea și gazificarea în continuare a metalului. Aburul de înaltă presiune continuă să forțeze metalul lichid de la fundul gropii să curgă spre periferia băii topite, adâncind și mai mult gaura mică. Acest proces continuă, formând în cele din urmă o gaură asemănătoare unei găuri cheii 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, ceea ce se numește „efectul găurii mici”.
Pe măsură ce fasciculul laser se mișcă în raport cu piesa de prelucrat, gaura mică prezintă o parte frontală ușor curbată 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 de vapori ridicată, în timp ce temperatura de-a lungul marginii posterioare este relativ scăzută, iar presiunea de vapori este mică. Sub această diferență de presiune și temperatură, lichidul topit curge în jurul găurii mici de la capătul frontal la capătul posterior, formând un vârtej la capătul posterior al găurii mici și în final se solidifică la marginea posterioară. Starea dinamică a găurii cheii obținută prin simulare laser și sudare reală este prezentată în figura de mai sus, Morfologia găurilor mici și curgerea lichidului topit înconjurător în timpul deplasării la diferite viteze.
Datorită prezenței găurilor mici, energia fasciculului laser pătrunde în interiorul materialului, formând această sudură adâncă și îngustă. Morfologia tipică a secțiunii transversale a sudurii cu penetrare profundă cu laser este prezentată în figura de mai sus. Adâncimea de penetrare a sudurii este apropiată de adâncimea găurii cheii (mai precis, stratul metalografic este cu 60-100 µm mai adânc decât gaura cheii, cu un strat de lichid mai puțin). Cu cât densitatea energiei laserului este mai mare, cu atât gaura mică este mai adâncă și cu atât adâncimea de penetrare a sudurii este mai mare. În sudarea cu laser de mare putere, raportul maxim adâncime-lățime al sudurii poate ajunge la 12:1.
Analiza absorbției deenergie laserprin gaura cheii
Înainte de formarea găurilor mici și a plasmei, energia laserului este transmisă în principal în interiorul piesei de prelucrat prin conducție termică. Procesul de sudare aparține sudării conductive (cu o adâncime de penetrare mai mică de 0,5 mm), iar rata de absorbție a laserului în material este între 25-45%. Odată ce gaura de cheie este formată, energia laserului este absorbită în principal de interiorul piesei de prelucrat prin efectul de gaură de cheie, iar procesul de sudare devine sudare cu penetrare profundă (cu o adâncime de penetrare mai mare de 0,5 mm). Rata de absorbție poate ajunge la peste 60-90%.
Efectul de gaură de cheie joacă un rol extrem de important în îmbunătățirea absorbției laserului în timpul proceselor, cum ar fi sudarea cu laser, tăierea și găurirea. Fasciculul laser care intră în gaura de cheie este aproape complet absorbit prin reflexii multiple de pe peretele găurii.
În general, se crede că mecanismul de absorbție a energiei laserului în interiorul găurii cheii include două procese: absorbția inversă și absorbția Fresnel.
Echilibrul de presiune în interiorul găurii cheii
În timpul sudării cu laser cu penetrare profundă, materialul suferă o vaporizare puternică, iar presiunea de expansiune generată de aburul la temperatură înaltă expulzează metalul lichid, formând găuri mici. Pe lângă presiunea de vapori și presiunea de ablație (cunoscută și sub numele de forță de reacție la evaporare sau presiune de recul) a materialului, există și tensiune superficială, presiunea statică a lichidului cauzată de gravitație și presiunea dinamică a fluidului generată de curgerea materialului topit în interiorul găurii mici. Printre aceste presiuni, doar presiunea aburului menține deschiderea găurii mici, în timp ce celelalte trei forțe se străduiesc să o închidă. Pentru a menține stabilitatea găurii cheii în timpul procesului de sudare, presiunea de vapori trebuie să fie suficientă pentru a depăși alte rezistențe și a atinge echilibrul, menținând stabilitatea pe termen lung a găurii cheii. Pentru simplitate, se consideră în general că forțele care acționează asupra peretelui găurii cheii sunt în principal presiunea de ablație (presiunea de recul a vaporilor metalici) și tensiunea superficială.
Instabilitatea găurii cheii
Context: Laserul acționează asupra suprafeței materialelor, provocând evaporarea unei cantități mari de metal. Presiunea de recul apasă pe baia de metal topit, formând găuri de chei și plasmă, rezultând o creștere a adâncimii de topire. În timpul procesului de mișcare, laserul atinge peretele frontal al găurii de chei, iar poziția în care laserul intră în contact cu materialul va provoca o evaporare severă a acestuia. În același timp, peretele găurii de chei va suferi o pierdere de masă, iar evaporarea va forma o presiune de recul care va apăsa pe metalul lichid, determinând peretele interior al găurii de chei să fluctueze în jos și să se deplaseze în jurul fundului găurii de chei spre spatele băii de metal topit. Datorită fluctuației băii de metal topit de la peretele frontal la peretele din spate, volumul din interiorul găurii de chei se schimbă constant. Presiunea internă a găurii de chei 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, rezultând modificări ale energiei laserului care ajunge la suprafața materialului. Întregul proces este dinamic și periodic, rezultând în cele din urmă o penetrare a metalului în formă de dinte de fierăstrău și ondulată, și nu există o sudură cu penetrare egală și netedă. Figura de mai sus este o vedere în secțiune transversală a centrului sudurii obținută prin tăiere longitudinală paralelă cu centrul sudurii, precum și o măsurare în timp real a variației adâncimii găurii de cheie prinIPG-LDD ca dovadă.
Îmbunătățiți stabilitatea direcției găurii cheii
În timpul sudării cu laser cu penetrare profundă, stabilitatea găurii mici poate fi asigurată doar prin echilibrul dinamic al diferitelor presiuni din interiorul găurii. Cu toate acestea, absorbția energiei laser de către peretele găurii și evaporarea materialelor, ejecția vaporilor metalici în afara găurii mici și mișcarea înainte a găurii mici și a băii topite 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 anumite zone, ducând la defecte de sudare. Cele mai tipice și comune sunt defectele de porozitate de tip poros mic și stropii cauzați de prăbușirea găurii de cheie;
Deci, cum să stabilizezi gaura cheii?
Fluctuația fluidului de tip „găuri de chei” 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 metalici acționează direct asupra generării găurilor de chei, care este strâns legată de adâncimea și volumul găurilor de chei. În același timp, fiind singura substanță ascendentă a vaporilor metalici în procesul de sudare, este, de asemenea, strâns legată de apariția stropilor; Tensiunea superficială afectează curgerea băii topite;
Așadar, un proces stabil de sudare cu laser depinde de menținerea gradientului de distribuție a tensiunii superficiale în baia de topitură, fără fluctuații prea mari. Tensiunea superficială este legată de distribuția temperaturii, iar distribuția temperaturii este legată de sursa de căldură. Prin urmare, sudarea cu sursă de căldură compozită și sudarea pendulară sunt direcții tehnice potențiale pentru un proces de sudare stabil;
Volumul vaporilor metalici și al orificiului cheii trebuie să fie atent la efectul plasmei și la dimensiunea orificiului cheii. Cu cât orificiul este mai mare, cu atât orificiul cheii este mai mare, iar fluctuațiile neglijabile ale punctului inferior al bazinului de topitură au un impact relativ mic asupra volumului total al orificiului cheii și asupra modificărilor de presiune internă; prin urmare, laserul cu mod inelar reglabil (punct inelar), recombinarea arcului laser, modularea frecvenței etc. sunt toate direcții care pot fi extinse.
Data publicării: 01.12.2023
