鍵穴効果

1.鍵穴の定義

鍵穴定義:放射線強度が10^6w/cm^2を超えると,レーザーの作用で材料の表面が溶けて蒸発し,蒸発速度が十分に大きいとき,蒸気によって生成される反射圧は液体金属の表面張力と液体の重力を克服するのに十分で,液体金属の一部を押し寄せる.

鍵穴効果レーザー溶接レーザー溶接過程で材料の熱膨張と内部ガスの蒸発により,小さな泡や穴が形成される.これらの穴は溶接の質と溶接縫い強さに影響する.鍵穴効果は主に以下の理由から発生します.

1)材料の熱膨張:レーザービームの高エネルギー密度は,溶接領域の温度を急速に上昇させ,材料が熱膨張する.これは溶接領域のストレスの発生と変形につながる.溶接材料の熱膨張が均等でないとき,穴が形成されやすい.

2) 内部のガスの蒸発: 溶接材料には微小なガスや不浄物があります. レーザービームが溶接領域に照射されると,高温によりこれらのガスが急速に蒸発し,泡や穴を形成します.これらの泡は溶接池の形成と溶融金属の詰め込みを妨げ,溶接の質に影響

3) 材料の化学反応:高温下では,溶接材料は,酸素,水蒸気,および周囲の環境にある他の元素と化学反応し,酸化物または他の化合物を生成します.これらの化合物は溶接領域の溶融点を低下させ,溶接過程中にガスの放出を増加させ,さらに鍵穴効果を引き起こします.

微孔内のレーザービームによって生成される金属蒸気圧が液体金属の表面張力と重力との均衡に達すると,微孔は深まり続けず,深度安定した微孔を形成します. これは"鍵穴効果"と呼ばれます.

2.鍵穴の形成と発達

溶接過程では,鍵穴壁は常に高い変動状態にあります.鍵穴の前壁の薄い層の溶融金属は壁の変動とともに下流します.鍵穴の前壁の突出物は高密度レーザーによる bestrainingにより強く蒸発します.生成された蒸気は後方に排出され,後壁の溶融池金属に衝撃

微孔の存在により,レーザービームエネルギーは材料に浸透し,この深層・狭い溶接縫合を形成する.上記の図は,レーザー深層溶接の典型的な横断形状を示している.溶接の深さと鍵穴の深さは近い (正確には,金属学的な比較は鍵穴よりも60-100

溶接過程中の鍵穴の不安定性は,主に鍵穴前壁の金属の蒸発によって引き起こされます.

1) 局所蒸発により保護ガスが浸透する

2) 合金元素の燃焼

3) アルミとその合金材のレーザー溶接中に,冷却過程でアルミ中の水素溶解性は急激に減少します.

3.鍵穴のレーザーエネルギー吸収の分析

溶接プロセスは導電溶接 (溶融深さ0.5mm以内) に属し,レーザーへの材料の吸収率は25-45%の間です. 鍵穴が形成されると,レーザーのエネルギーは主に鍵穴効果に依存し,作業部品の内部に直接吸収されます.溶接過程は深深溶接 (溶融深さ0.5mm以上) になります吸収率は60~90%以上に達する.鍵穴効果が非常に重要な役割を果たしますレーザーの吸収力を強化する加工プロセスレーザー溶接鍵穴に侵入するレーザー線は 鍵穴壁からの反射によって ほぼ完全に吸収されます

鍵穴内のレーザーのエネルギー吸収メカニズムには,逆ブレーム線吸収とフレスネル吸収という2つのプロセスが含まれると一般的に考えられています.

フレスネル吸収

フレスネル吸収は,レーザー用の鍵穴壁の吸収メカニズムで,鍵穴内の複数の反射下でレーザーの吸収振る舞いを記述する.レーザーは鍵穴に入ると,鍵穴の内壁に複数の反射が発生し,反射プロセスごとに,レーザーエネルギーの一部が鍵穴壁に吸収される.

左図から わかりますが 赤外線レーザー用の 鋼の吸収率は マグネシウムの約2.5倍 アルミの3.1倍 金銀銅の36倍です高反射性材料では,小さな穴にレーザービームの反射が多重に発生することで,深溶性レーザー溶接過程でエネルギーを吸収する主なメカニズムとなります.

低吸収率により,反射性の高い材料のレーザー溶接時のエネルギー結合効率が低下 (71%対97%),そして,反射性の高い材料のレーザー溶接過程で,小さな穴の下部でエネルギー吸収濃度が高くなります.穴の深さ方向に沿ったエネルギー分布が不均衡になり 小穴の不安定性が加速し 毛孔性や不完全な融合 悪い外観が生まれます

3.2 逆硬さ吸収

穴が小さい間隔を吸収する別のメカニズムがプラズモニック逆硬さ 放射線吸収レーザーは穴壁から2つの反射の間にプラズマを移動し,そのエネルギーの一部はプラズマに吸収され,プラズマが吸収したエネルギーはコンベクションと放射線によって穴壁に伝わります.

2つのエネルギー吸収メカニズムの役割と比率溶接シート形成には,小さな穴内のレーザーエネルギーを吸収する2つのメカニズムが異なる影響を与える.

•プラズマが吸収するエネルギーのほとんどは小さな穴の上部で放出され,その下部では少なめが放出されます.これは"ワイングラス"の形状の穴を簡単に作れるが,穴の深さを拡大するのに有利ではありません.

•穴の壁のフレネル吸収によって放出されるエネルギーは穴の深さ方向に比較的均質であり,穴の深さを増加させ,最終的に比較的深い狭い溶接シームを得ることに有利です.

溶接の質と効率の向上という観点から,小穴内のプラズマが溶接安定性にとってより有益な制御が可能であれば,レーザー調節,調整可能な環形モード,複合熱源は,すべて潜在的に効果的な技術的解決策です.

4.鍵穴内での圧力のバランス

レーザー深融合溶接中に材料は劇的に蒸発し,高温蒸気膨張圧が液体金属を脇に押し,小さな穴を形成する.小さな穴の内部では,材料の蒸気圧と脱出圧 (蒸発反応力または反発圧としても知られる) に加えて,表面張力,重力によって引き起こされる

5. 鍵穴の不安定性

レーザーは材料表面に作用すると,大量の金属が蒸発し,反射圧力が溶けた池を下向きに圧迫し,鍵穴を形成し,溶融の深さを増加させるプラズマも形成する.移動過程でレーザーは鍵穴の前壁に衝突すると,レーザーの接触するすべての位置で材料が猛烈に

溶接縫い筋の中央を溶接縫い筋の平行に沿って長さに沿って切ることで得られた溶接縫い筋の断面図と,ipg-lddによってリアルタイムで測定された鍵穴深さの変化図は,これを裏付けている.

6.鍵穴の周期的な変動

1.レーザーは鍵穴の前壁に作用し,前壁の猛烈な蒸発を引き起こす.反発圧力は前壁を圧迫し,液体金属を圧迫して下向きの動きを加速させる.液体金属の下向きの動きは,鍵穴の開口から噴出する金属蒸気を圧迫する.突然増加した金属

鍵穴の内部での金属蒸発量の減少を起こす.これは鍵穴の圧力が低下し,鍵穴の上側の開口から抜け出す金属蒸気量の減少を起こす.そして溶融深さは減少する.

3. 金属蒸気量が減少すると,レーザーエネルギーの遮蔽,屈折,吸収が減少し,鍵穴内側に届くレーザーエネルギーの増加と溶融深さの増加を引き起こす.

7.鍵穴は波の方向を抑制する

1) 表面張力

影響:表面張力が溶融池の流れに影響を与える

抑制:レーザー溶接プロセスを安定させるには,溶融池内の表面張力のグラデント分布を過度の変動なく維持すること.表面張力は温度分布に関連しており,これは熱源に関連している.したがって,複合熱源と振動溶接は溶接プロセスを安定させる潜在的な技術的アプローチである.

2) 金属蒸気反発圧

影響:金属蒸気の反発圧は,鍵穴の形成に直接影響し,鍵穴の深さと体積と密接に関連しています.また,溶接過程で上向きに移動する唯一の物質は金属蒸気なので,噴出の発生と密接に関連しています.

阻害:金属蒸気と鍵穴の容量の関係により,プラズマ効果と鍵穴の開口の大きさに注意を払う必要があります.開口が大きいほど,鍵穴が大きいので,底部にある小さな溶けたプール内の変動は無視できます.これは,鍵穴の総容量と内部圧力変化により少ない影響を及ぼします.したがって,調整可能なリングモードレーザー (リング状のスポット),レーザー・アーチ組み合わせ,周波数調節など,これらはすべて拡張の可能性のある方向です.