Schlüssellocheffekt

1. Schlüssellochdefinition

Schlüssellochdefinition: Wenn die Strahlungsintensität größer als 10^6W/cm^2 ist, wenn die Oberfläche eines Materials unter der Einwirkung eines Lasers schmilzt und verdampft und wenn die Verdampfungsgeschwindigkeit ausreichend groß ist, erzeugt der Dampf einen Rückstoßdruck reicht aus, um die Oberflächenspannung des flüssigen Metalls und die Schwerkraft der Flüssigkeit zu überwinden und so einen Teil des flüssigen Metalls zur Seite zu drängen. Dadurch vertieft sich das Schmelzbad im Wirkungsbereich des Lasers und bildet eine kleine Grube. Der Strahl wirkt direkt auf den Boden der kleinen Grube, wodurch das Metall weiter schmilzt und verdampft. Der Hochdruckdampf drückt weiterhin das flüssige Metall am Boden der Grube in die Umgebung des Schmelzbads und vertieft so das kleine Loch weiter. Im weiteren Verlauf dieses Prozesses entsteht schließlich im flüssigen Metall ein schlüssellochähnliches Loch.

Der Schlüssellocheffekt in Laserschweißen bezeichnet die Bildung winziger Blasen oder Löcher aufgrund der thermischen Ausdehnung des Materials und der Verdampfung interner Gase während des Laserschweißprozesses. Diese Löcher können die Schweißqualität und die Festigkeit der Schweißnaht beeinträchtigen. Der Schlüssellocheffekt entsteht hauptsächlich aus folgenden Gründen:

1）Wärmeausdehnung des Materials: Die hohe Energiedichte des Laserstrahls erhöht schnell die Temperatur im Schweißbereich, wodurch sich das Material thermisch ausdehnt. Dies führt zur Entstehung von Spannungen und Verformungen im Schweißbereich. Wenn die Wärmeausdehnung des Schweißmaterials nicht gleichmäßig ist, können leicht Löcher entstehen.

2）Verdampfung interner Gase: Im Schweißmaterial befinden sich winzige Gase oder Verunreinigungen. Wenn der Laserstrahl auf den Schweißbereich trifft, verdampfen diese Gase aufgrund der hohen Temperatur schnell und bilden Blasen oder Löcher. Diese Blasen können die Bildung des Schweißbades und das Einfüllen von geschmolzenem Metall behindern und dadurch die Schweißqualität beeinträchtigen.

3）Chemische Reaktionen des Materials: Bei hohen Temperaturen reagiert das Schweißmaterial chemisch mit Sauerstoff, Wasserdampf und anderen in der Umgebung vorhandenen Elementen und erzeugt Oxide oder andere Verbindungen. Diese Verbindungen senken den Schmelzpunkt des Schweißbereichs und erhöhen ihn die Freisetzung von Gasen während des Schweißvorgangs und provozieren zusätzlich den Schlüssellocheffekt.

Wenn der Druck des durch den Laserstrahl in den Mikroporen erzeugten Metalldampfs das Gleichgewicht mit der Oberflächenspannung und der Schwerkraft des flüssigen Metalls erreicht, vertiefen sich die Mikroporen nicht mehr weiter und es entsteht eine tiefenstabile Mikropore. Dies wird als „Schlüssellocheffekt“ bezeichnet.

2. Schlüssellochbildung und -entwicklung

Während des Schweißprozesses unterliegt die Schlüssellochwandung ständig starken Schwankungen. Die dünnere Schicht geschmolzenen Metalls an der Vorderwand des Schlüssellochs fließt mit der Wandschwankung nach unten. Jeder Vorsprung an der Vorderwand des Schlüssellochs wird durch die Bestrahlung mit Hochleistungslasern stark verdampft. Der erzeugte Dampf wird nach hinten ausgestoßen, prallt auf das geschmolzene Metall des Pools an der hinteren Wand, wodurch das geschmolzene Pool in Schwingungen versetzt wird und das Überströmen von Blasen im geschmolzenen Pool während des Erstarrungsprozesses beeinträchtigt wird.

Aufgrund der Mikroporen dringt die Energie des Laserstrahls in das Material ein und bildet diese tiefe und schmale Schweißnaht. Das Bild oben zeigt die typische Querschnittsmorphologie einer Laser-Tiefschweißschweißung. Die Tiefe der Schweißnaht und die Tiefe des Schlüssellochs liegen nahe beieinander (um genau zu sein, der metallografische Vergleich ist 60-100 µm tiefer als das Schlüsselloch und unterscheidet sich um a Flüssigphasenschicht). Je höher die Energiedichte des Lasers, desto tiefer ist das Schlüsselloch und desto größer ist die Tiefe der Schweißnaht. Beim Hochleistungslaserschweißen kann das höchste Tiefen-zu-Breiten-Verhältnis der Schweißnaht 12:1 erreichen.

Die Instabilität des Schlüssellochs während des Schweißvorgangs wird hauptsächlich durch die Verdampfung von lokalem Metall in der Vorderwand des Schlüssellochs verursacht. Die Faktoren, die die Porosität ausmachen, sind:

1) Lokale Verdunstung führt zum Eindringen von Schutzgas;

2) Das Abbrennen von Legierungselementen;

3) Beim Laserschweißen von Aluminium und seinen Legierungen nimmt die Löslichkeit von Wasserstoff im Aluminium während des Abkühlprozesses drastisch ab.

3.Analyse der Laserenergieabsorption im Schlüsselloch

Vor der Bildung des kleinen Lochs und Plasmas wird die Energie des Lasers hauptsächlich durch Wärmeleitung in das Innere des Werkstücks übertragen. Der Schweißprozess gehört zum Konduktionsschweißen (innerhalb einer Schmelztiefe von 0.5 mm) und die Absorptionsrate des Materials für den Laser liegt zwischen 25 und 45 %. Sobald das Schlüsselloch gebildet ist, beruht die Energie des Lasers hauptsächlich auf dem Schlüssellocheffekt direkt vom Werkstückinneren aufgenommen werden. Der Schweißprozess wird zum Tiefschweißen (mehr als 0.5 mm Schmelztiefe).und die Absorptionsrate kann 60 bis 90 % oder mehr erreichen.Der Schlüssellocheffekt spielt eine äußerst wichtige Rolle bei der Stärkung der Absorption von Lasern in Bearbeitungsprozessen wie z Laserschweißen, Schneiden und Stanzen. Der in das Schlüsselloch eintretende Laserstrahl wird durch mehrfache Reflexionen an der Lochwand nahezu vollständig absorbiert.

Es wird allgemein angenommen, dass der Energieabsorptionsmechanismus des Lasers im Schlüsselloch zwei Prozesse umfasst: inverse Bremsstrahlungsabsorption und Fresnel-Absorption.

3.1 Fresnel-Absorption

Fresnel-Absorption ist der Absorptionsmechanismus der Schlüssellochwand für den Laser, der das Absorptionsverhalten des Lasers bei Mehrfachreflexionen im Schlüsselloch beschreibt. Beim Eintritt des Lasers in das Schlüsselloch kommt es zu mehrfachen Reflexionen an der Innenwand des Schlüssellochs und bei jedem Reflexionsvorgang wird ein Teil der Laserenergie von der Schlüssellochwand absorbiert.

Aus dem linken Diagramm ist ersichtlich, dass die Absorptionsrate von Stahl für Infrarotlaser etwa 2.5-mal so hoch ist wie die von Magnesium, 3.1-mal so hoch wie die von Aluminium und 36-mal so hoch wie die von Gold, Silber und Kupfer. Bei hochreflektierenden Materialien sind die Mehrfachreflexionen des Laserstrahls im kleinen Loch der Hauptmechanismus für die Energieabsorption beim Tiefschmelz-Laserschweißprozess.

Die niedrige Absorptionsrate führt zu einer geringeren Energiekopplungseffizienz beim Laserschweißen hochreflektierender Materialien (71 % vs. 97 %) und zu einer höheren Konzentration der Energieabsorption am Boden des kleinen Lochs. Während des Laserschweißprozesses hochreflektierender Materialien , Die Energieverteilung entlang der Tiefenrichtung des kleinen Lochs ist unausgewogen, was die Instabilität des kleinen Lochs beschleunigt und zu Porosität, unvollständiger Verschmelzung und schlechtem Aussehen führt.

3.2 Umgekehrte Zähigkeitsaufnahme

Ein weiterer Mechanismus der Absorption kleiner Löcher ist der Durchgang plasmonische inverse Zähigkeitsstrahlungsabsorption.Das fotoinduzierte Plasma existiert nicht nur über dem Ausgang des kleinen Lochs, sondern füllt auch das kleine Loch. Der Laser bewegt sich im Plasma zwischen zwei Reflexionen an der Lochwand, ein Teil seiner Energie wird vom Plasma absorbiert und die vom Plasma absorbierte Energie wird durch Konvektion und Strahlung an die Lochwand weitergegeben.

Die Rolle und das Verhältnis der beiden Energieabsorptionsmechanismen: Die beiden Mechanismen zur Absorption von Laserenergie in kleinen Löchern haben unterschiedliche Auswirkungen auf die Schweißnahtbildung.

•Der größte Teil der vom Plasma absorbierten Energie wird im oberen Teil des kleinen Lochs freigesetzt, und weniger wird am Boden freigesetzt, wodurch es leicht ist, ein „Weinglas“-förmiges Loch zu erhalten, aber nicht dazu beiträgt, die Tiefe zu vergrößern des Lochs.

•Die durch die Fresnel-Absorption der Lochwand freigesetzte Energie ist in Richtung der Lochtiefe relativ gleichmäßig, was sich positiv auf die Vergrößerung der Lochtiefe und letztlich auf die Erzielung einer relativ tiefen und schmalen Schweißnaht auswirkt.

Unter dem Gesichtspunkt der Verbesserung der Schweißqualität und -effizienz sind Lasermodulation, einstellbarer Ringmodus und Verbundwärmequelle potenziell wirksame technische Lösungen, wenn das Plasma im Inneren des kleinen Lochs so gesteuert werden kann, dass es sich vorteilhafter auf die Schweißstabilität auswirkt.

4.Druckausgleich im Schlüsselloch

Beim Laser-Tiefschmelzschweißen verdampft das Material stark und der Expansionsdruck des Hochtemperaturdampfes drückt das flüssige Metall zur Seite, wodurch ein kleines Loch entsteht. Im Inneren des kleinen Lochs gibt es neben dem Dampfdruck des Materials und dem Ablationsdruck (auch als Verdampfungsreaktionskraft oder Rückstoßdruck bekannt) auch Oberflächenspannung, durch die Schwerkraft verursachten statischen Flüssigkeitsdruck und durch die Flüssigkeit erzeugten dynamischen Druck Fließen des geschmolzenen Materials. Von diesen Drücken trägt nur der Dampfdruck dazu bei, das kleine Loch offen zu halten, während die anderen drei Kräfte alle versuchen, das kleine Loch zu schließen. Um die Stabilität des kleinen Lochs während des Schweißvorgangs aufrechtzuerhalten, muss der Der Dampfdruck muss ausreichen, um andere Widerstandskräfte zu überwinden, um einen stabilen Zustand zu erreichen und die Langzeitstabilität des Schlüssellochs aufrechtzuerhalten. Der Einfachheit halber wird allgemein angenommen, dass die auf die Schlüssellochwand wirkenden Kräfte hauptsächlich aus dem Ablationsdruck (Rückstoßdruck des Metalldampfs) und der Oberflächenspannung bestehen.

5. Schlüssellochinstabilität

Wenn der Laser auf die Materialoberfläche einwirkt, verdampft eine große Menge Metall, der Rückstoßdruck drückt das Schmelzbad nach unten und bildet ein Schlüsselloch sowie das Plasma, das die Schmelztiefe erhöht. Während des Bewegungsvorgangs, wenn der Laser Trifft der Laser auf die Vorderwand des Schlüssellochs, kommt es an allen Stellen, an denen der Laser das Material berührt, zu einer heftigen Verdampfung des Materials. Gleichzeitig kommt es zu einem Massenverlust an der Schlüssellochwand, und der durch die Verdampfung entstehende Rückstoßdruck drückt das flüssige Metall ebenfalls nach unten, wodurch die Innenwand des Schlüssellochs nach unten schwankt, den Boden des Schlüssellochs umgeht und sich in Richtung des Schlüssellochs bewegt Schmelzbad an der Rückseite des Schlüssellochs. Aufgrund der schwankenden Bewegung des flüssigen Schmelzbads von der Vorderwand zur Rückwand ändert sich das Innenvolumen des Schlüssellochs ständig und auch der Innendruck des Schlüssellochs ändert sich entsprechend. Der sich ändernde Druck führt zu einem sich ändernden Volumen des effusiven Plasmas. Die Volumenänderung des Plasmas führt zu Änderungen der Abschirmung, Brechung und Absorption der Laserenergie, was zu Änderungen der Energie des Lasers führt, die die Materialoberfläche erreicht. Der gesamte Prozess ist dynamisch und zyklisch, was letztendlich zu einer gezackten, wellenförmigen Metallschmelztiefe führt und es keine gleichmäßig tiefe Schweißnaht gibt.

Die Schnittansicht der Schweißnahtmitte, die durch Längsschneiden entlang der Mitte parallel zur Schweißnaht erhalten wurde, sowie das von IPG-LDD in Echtzeit gemessene Diagramm der Schlüssellochtiefenänderung bestätigen dies.

6.Periodische Schlüssellochschwankungen

1. Der Laser wirkt auf die Vorderwand des Schlüssellochs und führt zu einer heftigen Verdampfung der Vorderwand. Der Rückstoßdruck drückt auf die Vorderwand und drückt das flüssige Metall zusammen, um seine Abwärtsbewegung zu beschleunigen. Die Abwärtsbewegung des flüssigen Metalls drückt den Metalldampf zusammen und spritzt aus der Schlüssellochöffnung. Der plötzlich erhöhte Metalldampf absorbiert Laserenergie und ionisiert, bricht und absorbiert gleichzeitig Laserenergie, was zu einem starken Rückgang der Laserenergie führt, die das Schlüsselloch erreicht.

2. Der starke Rückgang der Laserenergie, die das Schlüsselloch erreicht, führt zu einer Verringerung der Metallverdampfung im Inneren des Schlüssellochs. Dadurch sinkt der Schlüssellochdruck, die Menge des aus der oberen Öffnung des Schlüssellochs austretenden Metalldampfs nimmt ab und die Schmelztiefe nimmt ab.

3. Wenn die Menge an Metalldampf abnimmt, nehmen die Abschirmung, Brechung und Absorption der Laserenergie ab, was dazu führt, dass die Laserenergie, die das Innere des Schlüssellochs erreicht, zunimmt und die Schmelztiefe zunimmt.

7.Keyhole unterdrückt die Wellenrichtung

1） Oberflächenspannung

Einfluss: Die Oberflächenspannung beeinflusst die Strömung des Schmelzbades;

Hemmung: Zur Stabilisierung des Laserschweißprozesses gehört die Aufrechterhaltung der Gradientenverteilung der Oberflächenspannung im Schmelzbad ohne übermäßige Schwankungen. Die Oberflächenspannung hängt mit der Temperaturverteilung zusammen, die wiederum mit der Wärmequelle zusammenhängt. Verbundwärmequellen und oszillierendes Schweißen sind daher potenzielle technische Ansätze zur Stabilisierung des Schweißprozesses.

2）Rückstoßdruck des Metalldampfes

Einfluss: Der Rückstoßdruck von Metalldampf wirkt sich direkt auf die Bildung von Schlüssellöchern aus und hängt eng mit der Tiefe und dem Volumen der Schlüssellöcher zusammen. Da der Metalldampf die einzige Substanz ist, die sich während des Schweißprozesses nach oben bewegt, ist er zudem eng mit der Entstehung von Spritzern verbunden.

Hemmung: Die Beziehung zwischen Metalldampf und Schlüssellochvolumen erfordert Aufmerksamkeit auf den Plasmaeffekt und die Größe der Schlüssellochöffnung. Je größer die Öffnung, desto größer das Schlüsselloch, wodurch die Schwankungen im kleinen Schmelzbad am Boden vernachlässigbar erscheinen. Dies hat einen geringeren Einfluss auf das gesamte Schlüssellochvolumen und die internen Druckänderungen.Daher sind einstellbare Ringmoduslaser (ringförmige Punkte), Laser-Bogen-Kombination, Frequenzmodulation usw. mögliche Richtungen für eine Erweiterung.