Efekt klíčové dírky

1.definice klíčové dírky

Definice klíčové dírky: Když je intenzita záření větší než 10^6W/cm^2, když se povrch materiálu taví a odpařuje působením laseru a když je rychlost odpařování dostatečně velká, tlak zpětného rázu generovaný výpary je dostačující k překonání povrchového napětí tekutého kovu a gravitace kapaliny, čímž se část tekutého kovu odsune stranou. To způsobí, že se tavenina v oblasti působení laseru zapustí a vytvoří malou prohlubeň. Paprsek působí přímo na dno malé prohlubně, což způsobí, že se kov dále roztaví a odpaří. Vysokotlaká pára nadále nutí tekutý kov na dně jámy, aby byl vytlačován do okolí tavné lázně, čímž se dále prohlubuje malý otvor. Jak tento proces pokračuje, nakonec se v tekutém kovu vytvoří díra podobná klíčové dírce.

Efekt klíčové dírky v laserové svařování se týká vytváření drobných bublinek nebo otvorů v důsledku tepelné roztažnosti materiálu a odpařování vnitřních plynů během procesu laserového svařování. Tyto otvory mohou ovlivnit kvalitu svařování a pevnost svarového švu. K efektu klíčové dírky dochází zejména z následujících důvodů:

1）Tepelná roztažnost materiálu: Vysoká hustota energie laserového paprsku rychle zvyšuje teplotu v oblasti svařování, což způsobuje tepelnou expanzi materiálu. To vede ke vzniku napětí a deformace v oblasti svařování. Když tepelná roztažnost svařovacího materiálu není rovnoměrná, je snadné vytvářet otvory.

2）Odpařování vnitřních plynů: Ve svařovacím materiálu jsou drobné plyny nebo nečistoty. Když laserový paprsek dopadá na svařovanou oblast, vysoká teplota způsobí, že se tyto plyny rychle odpaří a vytvoří bubliny nebo díry. Tyto bubliny mohou bránit tvorbě svařovací lázně a plnění roztaveného kovu, a tím ovlivnit kvalitu svařování.

3）Chemické reakce materiálu: Při vysokých teplotách svařovací materiál chemicky reaguje s kyslíkem, vodní párou a dalšími prvky přítomnými v okolním prostředí, přičemž vznikají oxidy nebo jiné sloučeniny. Tyto sloučeniny snižují bod tání oblasti svařování, zvyšují uvolňování plynů během procesu svařování a dále vyvolává efekt klíčové dírky.

Když tlak kovových par generovaných laserovým paprskem v mikropórech dosáhne rovnováhy s povrchovým napětím a gravitací tekutého kovu, mikropóry se již dále neprohlubují a vytvářejí hloubkově stabilní mikropóry. To je to, co se nazývá „efekt klíčové dírky“.

2.Tvorba a vývoj klíčové dírky

Během procesu svařování je stěna klíčové dírky vždy ve stavu vysoké fluktuace. Tenčí vrstva roztaveného kovu na přední stěně klíčové dírky stéká dolů s kolísáním stěny. Jakýkoli výčnělek na přední stěně klíčové dírky se silně vypaří v důsledku ozáření lasery s vysokou hustotou výkonu. Vytvořená pára je vytlačována zpět, naráží na kov roztavené lázně na zadní stěnu, což způsobuje oscilaci roztavené lázně a ovlivňuje přetékání bublin v roztavené lázni během procesu tuhnutí.

Díky přítomnosti mikropórů proniká energie laserového paprsku do materiálu a vytváří tento hluboký a úzký svar. Obrázek výše ukazuje typickou morfologii průřezu laserového svaru s hlubokým průvarem. Hloubka svaru a hloubka klíčové dírky jsou blízko (pro upřesnění, metalografické srovnání je o 60-100 um hlubší než klíčová dírka, liší se o vrstva kapalné fáze). Čím větší je hustota energie laseru, tím hlubší je klíčová dírka a tím větší je hloubka svaru. Při vysokovýkonném laserovém svařování může nejvyšší poměr hloubek k šířce svaru dosáhnout 12:1.

Nestabilita klíčové dírky během procesu svařování je způsobena především odpařováním místního kovu v přední stěně klíčové dírky. Faktory tvořící pórovitost jsou:

1) Lokální odpařování způsobuje infiltraci ochranného plynu;

2) vyhoření legujících prvků;

3) Během laserového svařování hliníku a jeho slitin rozpustnost vodíku v hliníku drasticky klesá během procesu chlazení.

3.Analýza absorpce energie laseru v klíčové dírce

Před vytvořením malého otvoru a plazmatu se energie laseru přenáší hlavně do vnitřku obrobku vedením tepla. Proces svařování patří k vodivému svařování (do hloubky tavení 0.5 mm) a míra absorpce materiálu laserem je mezi 25-45 %, jakmile je vytvořena klíčová dírka, energie laseru závisí hlavně na efektu klíčové dírky. být přímo absorbován vnitřkem obrobku. Proces svařování se stává svařováním s hlubokým průvarem (hloubka tavení více než 0.5 mm)a míra absorpce může dosáhnout 60~90% nebo více.Efekt klíčové dírky hraje nesmírně důležitou roli v posilování absorpce laserů ve zpracovatelských procesech jako je např laserové svařování, řezání a děrování. Laserový paprsek vstupující do klíčové dírky je téměř úplně absorbován vícenásobnými odrazy od stěny díry.

Obecně se má za to, že mechanismus absorpce energie laseru v klíčové dírce zahrnuje dva procesy: inverzní absorpci brzdného záření a Fresnelovu absorpci.

3.1 Fresnelova absorpce

Fresnelova absorpce je absorpční mechanismus stěny klíčové dírky pro laser, který popisuje absorpční chování laseru při vícenásobných odrazech v klíčové dírce. Když laser vstoupí do klíčové dírky, na vnitřní stěně klíčové dírky dojde k mnoha odrazům a během každého procesu odrazu je část energie laseru absorbována stěnou klíčové dírky.

Z levého grafu je vidět, že míra absorpce oceli pro infračervené lasery je asi 2.5krát vyšší než u hořčíku, 3.1krát vyšší než u hliníku a 36krát vyšší než u zlata, stříbra a mědi. U materiálů s vysokou odrazivostí jsou mnohonásobné odrazy laserového paprsku v malém otvoru hlavním mechanismem pro absorpci energie v procesu hlubokého tavení laserového svařování.

Nízká míra absorpce vede k nižší účinnosti vazby energie během laserového svařování materiálů s vysokou odrazivostí (71 % VS 97 %) a vyšší koncentraci absorpce energie na dně malého otvoru. Během procesu laserového svařování materiálů s vysokou odrazivostí , distribuce energie podél směru hloubky malého otvoru je nevyvážená, což urychluje nestabilitu malého otvoru a vede k poréznosti, neúplné fúzi a špatnému vzhledu.

3.2 Reverzní absorpce houževnatosti

Další mechanismus absorpce malých otvorů je průchozí plasmonická inverzní houževnatost absorpce zářeníFotoindukované plazma nejenže existuje nad výstupem z malého otvoru, ale také vyplňuje malý otvor. Laser se pohybuje v plazmatu mezi dvěma odrazy od stěny otvoru, část jeho energie je absorbována plazmatem a energie absorbovaná plazmatem je předávána stěně otvoru konvekcí a zářením.

Úloha a podíl dvou mechanismů absorpce energie: Dva mechanismy pro absorpci laserové energie v malých otvorech mají různé dopady na tvorbu svarového švu.

•Většina energie absorbované plazmou se uvolňuje v horní části malého otvoru a méně se uvolňuje ve spodní části, což usnadňuje získání otvoru ve tvaru „sklenky na víno“, ale neprodlužuje hloubku díry.

• Energie uvolněná Fresnelovou absorpcí stěny díry je relativně rovnoměrná ve směru hloubky díry, což je výhodné pro zvýšení hloubky díry a v konečném důsledku pro získání relativně hlubokého a úzkého svaru.

Z hlediska zlepšení kvality a účinnosti svařování, pokud lze regulovat plazmu uvnitř malého otvoru tak, aby bylo prospěšnější pro stabilitu svařování, jsou potenciálně efektivním technickým řešením laserová modulace, nastavitelný prstencový režim a složený zdroj tepla.

4. Vyvážení tlaku uvnitř klíčové dírky

Během laserového hlubokého tavného svařování se materiál dramaticky vypařuje a expanzní tlak vysokoteplotní páry vytlačí tekutý kov stranou a vytvoří malý otvor. Uvnitř malého otvoru je kromě tlaku par materiálu a ablačního tlaku (také známého jako reakční síla odpařování nebo tlak zpětného rázu) také povrchové napětí, statický tlak kapaliny způsobený gravitací a dynamický tlak kapaliny generovaný tok roztaveného materiálu. Mezi těmito tlaky pouze tlak páry pomáhá udržet malý otvor otevřený, zatímco ostatní tři síly se všechny snaží malý otvor uzavřít. Aby byla zachována stabilita malého otvoru během procesu svařování, tlak par musí být dostatečný k překonání jiných odporových sil, aby se dosáhlo stabilního stavu a udržela se dlouhodobá stabilita klíčové dírky. Pro jednoduchost se obecně má za to, že silami působícími na stěnu klíčové dírky jsou především ablační tlak (tlak zpětného rázu kovových par) a povrchové napětí.

5. Nestabilita klíčové dírky

Když laser působí na povrch materiálu, odpaří se velké množství kovu, tlak zpětného rázu stlačí roztavenou lázeň směrem dolů a vytvoří klíčovou dírku, stejně jako plazma, která zvýší hloubku tavení. Během procesu pohybu, kdy laser Narazí na přední stěnu klíčové dírky, všechny polohy, kde se laser dotýká materiálu, způsobí prudké odpaření materiálu. Současně dochází ke ztrátě hmoty na stěně klíčové dírky a tlak zpětného rázu vzniklý odpařováním také tlačí tekutý kov dolů, což způsobuje, že vnitřní stěna klíčové dírky kolísá směrem dolů, obchází dno klíčové dírky a pohybuje se směrem k tavenina v zadní části klíčové dírky. V důsledku kolísavého pohybu kapalné taveniny od přední stěny k zadní stěně se vnitřní objem klíčové dírky neustále mění a podle toho se mění i vnitřní tlak v klíčové dírce. Měnící se tlak vede ke změně objemu efuzivní plazmy. Změna objemu plazmatu vede ke změnám stínění, lomu a absorpce laserové energie, což způsobuje změny v energii laseru dopadajícího na povrch materiálu. Celý proces je dynamický a cyklický, jehož výsledkem je vroubkovaná, vlnovitá hloubka tavení kovu a neexistuje hladce stejná hloubka svaru.

Pohled v řezu na střed svarového švu získaný podélným řezáním podél středu rovnoběžně se svarovým švem, stejně jako graf změny hloubky klíčové dírky měřený v reálném čase pomocí IPG-LDD, to potvrzují.

6.Keyhole periodické fluktuace

1. Laser působí na přední stěnu klíčové dírky a způsobuje prudké vypařování přední stěny. Zpětný ráz tlačí na přední stěnu a mačká tekutý kov, aby se urychlil jeho pohyb dolů. Pohyb tekutého kovu směrem dolů stlačuje kovovou páru, aby vystříkla ven z otvoru klíčové dírky. Náhle zvýšené množství kovových výparů absorbuje laserovou energii a ionizuje a zároveň láme a absorbuje laserovou energii, což má za následek prudký pokles laserové energie dosahující klíčové dírky.

2. Prudký pokles laserové energie dosahující klíčové dírky má za následek snížení množství odpařování kovu uvnitř klíčové dírky. To způsobí, že se tlak v klíčové dírce sníží, množství kovových par unikajících z horního otvoru klíčové dírky se sníží a hloubka tavení se sníží.

3. S klesajícím množstvím kovových par se snižuje stínění, lom a absorpce laserové energie, což způsobuje, že energie laseru dosahující vnitřku klíčové dírky se zvyšuje a hloubka tavení se zvyšuje.

7.Keyhole potlačuje směr vlnění

1) Povrchové napětí

Vliv: Povrchové napětí ovlivňuje proudění roztavené lázně;

Inhibice: Stabilizace procesu laserového svařování zahrnuje udržení gradientního rozložení povrchového napětí v tavné lázni bez nadměrných výkyvů. Povrchové napětí souvisí s rozložením teplot, které zase souvisí se zdrojem tepla. Proto jsou kompozitní zdroje tepla a oscilační svařování potenciálními technickými přístupy pro stabilizaci svařovacího procesu.

2) Tlak zpětného rázu kovových par

Vliv: Tlak zpětného rázu kovových par přímo ovlivňuje tvorbu klíčových dírek a úzce souvisí s hloubkou a objemem klíčových dírek. Vzhledem k tomu, že výpary kovu jsou jedinou látkou pohybující se nahoru během procesu svařování, úzce souvisí s výskytem rozstřiku.

Inhibice: Vztah mezi výpary kovu a objemem klíčové dírky vyžaduje pozornost věnovanou plazmovému efektu a velikosti otvoru klíčové dírky. Čím větší je otvor, tím větší je klíčová dírka, takže výkyvy v malém roztaveném bazénu na dně se zdají zanedbatelné. To má menší dopad na celkový objem klíčové dírky a změny vnitřního tlaku.Proto jsou potenciálními směry expanze laser s nastavitelným prstencovým módem (prstencové body), kombinace laser-oblouk, frekvenční modulace atd.