열쇠구멍 효과

1.열쇠구멍 정의

열쇠 구멍 정의: 방사선 강도가 10^6W/cm^2보다 클 때 레이저의 작용으로 재료 표면이 녹아 증발할 때 증발 속도가 충분히 클 때 증기에 의해 발생하는 반동 압력 이는 액체 금속의 표면 장력과 액체의 중력을 극복하기에 충분하므로 액체 금속의 일부를 밀어냅니다. 이로 인해 레이저 작업 영역의 용융 풀이 움푹 들어가고 작은 구덩이가 형성됩니다. 빔은 작은 구덩이의 바닥에 직접 작용하여 금속이 더욱 녹고 기화됩니다. 고압 증기는 구덩이 바닥의 액체 금속을 계속해서 용융 풀 주변으로 밀어내도록 하여 작은 구멍을 더욱 깊게 만듭니다. 이 과정이 계속되면서 마침내 액체 금속에 열쇠 구멍과 유사한 구멍이 형성됩니다.

열쇠구멍 효과 레이저 용접 레이저 용접 공정 중 재료의 열팽창과 내부 가스 증발로 인해 작은 기포나 구멍이 형성되는 것을 말합니다. 이러한 구멍은 용접 품질과 용접 이음새의 강도에 영향을 미칠 수 있습니다. 열쇠 구멍 효과는 주로 다음과 같은 이유로 발생합니다.

1) 재료의 열팽창: 레이저 빔의 높은 에너지 밀도는 용접 영역의 온도를 빠르게 상승시켜 재료의 열팽창을 유발합니다. 이로 인해 용접 부위에 응력과 변형이 발생합니다. 용접재료의 열팽창이 균일하지 않으면 구멍이 생기기 쉽습니다.

2) 내부 가스의 증발: 용접 재료에 미세한 가스나 불순물이 있습니다. 레이저 빔을 용접 부위에 조사하면 고온으로 인해 이러한 가스가 빠르게 증발하여 기포나 구멍이 형성됩니다. 이러한 기포는 용접 풀 형성 및 용탕 충전을 방해하여 용접 품질에 영향을 줄 수 있습니다.

3) 재료의 화학 반응: 고온에서 용접 재료는 주변 환경에 존재하는 산소, 수증기 및 기타 요소와 화학적으로 반응하여 산화물 또는 기타 화합물을 생성합니다. 이러한 화합물은 용접 영역의 융점을 낮추고 증가시킵니다. 용접 과정에서 가스가 방출되고 열쇠 구멍 효과가 더욱 유발됩니다.

레이저 빔에 의해 미세 기공 내에서 생성된 금속 증기의 압력이 액체 금속의 표면 장력 및 중력과 평형을 이루게 되면 미세 기공은 더 이상 깊어지지 않고 깊이 안정된 미세 기공을 형성하게 됩니다. 이것이 바로 '열쇠구멍 효과'입니다.

2.열쇠구멍 형성 및 발달

용접 과정에서 열쇠 구멍 벽은 항상 높은 변동 상태에 있습니다. 열쇠 구멍의 전면 벽에 있는 얇은 용융 금속 층은 벽의 요동과 함께 아래쪽으로 흐릅니다. 열쇠 구멍 앞벽의 돌출부는 고출력 밀도 레이저의 조사로 인해 강하게 증발합니다. 생성된 증기는 뒤로 분출되어 후벽의 용융 풀 금속에 충격을 가해 용융 풀을 진동시키고 응고 과정에서 용융 풀의 기포 오버플로에 영향을 줍니다.

미세 기공이 있기 때문에 레이저 빔 에너지가 재료에 침투하여 깊고 좁은 용접 이음새를 형성합니다. 위 그림은 레이저 심용입 용접의 일반적인 단면 형태를 보여줍니다. 용접 깊이와 열쇠 구멍 깊이는 가깝습니다(정확히 말하면 금속 조직학적 비교는 열쇠 구멍보다 60-100um 더 깊습니다. 액상 층). 레이저 에너지 밀도가 클수록 열쇠 구멍이 깊어지고 용접 깊이도 커집니다. 고출력 레이저 용접에서 용접의 가장 높은 깊이 대 폭 비율은 12:1에 도달할 수 있습니다.

용접 공정 중 열쇠 구멍의 불안정성은 주로 열쇠 구멍 전면 벽의 국부 금속 증발로 인해 발생합니다. 다공성을 형성하는 요인은 다음과 같습니다.

1) 국지적인 증발로 인해 보호가스의 침투가 발생합니다.

2) 합금 원소의 연소;

3) 알루미늄 및 그 합금을 레이저 용접하는 동안 냉각 과정에서 알루미늄의 수소 용해도가 급격히 감소합니다.

3. 열쇠 구멍의 레이저 에너지 흡수 분석

작은 구멍과 플라즈마가 형성되기 전에 레이저 에너지는 주로 열전도를 통해 공작물 내부로 전달됩니다. 용접 공정은 전도 용접(용융 깊이 0.5mm 이내)에 속하며 레이저에 대한 재료의 흡수율은 25-45%입니다. 일단 열쇠 구멍이 형성되면 레이저의 에너지는 주로 열쇠 구멍 효과에 의존합니다. 공작물 내부에 직접 흡수됩니다. 용접공정은 심용입용접(용해깊이 0.5mm이상)이 됩니다., 흡수율은 60~90% 이상에 도달할 수 있습니다.열쇠구멍 효과는 매우 중요한 역할을 합니다. 다음과 같은 가공 공정에서 레이저 흡수를 강화합니다. 레이저 용접, 절단 및 펀칭. 열쇠 구멍으로 들어가는 레이저 빔은 구멍 벽의 다중 반사를 통해 거의 완전히 흡수됩니다.

일반적으로 열쇠 구멍에 있는 레이저의 에너지 흡수 메커니즘에는 역 브레름스트랄렁 흡수와 프레넬 흡수라는 두 가지 프로세스가 포함되어 있다고 믿어집니다.

3.1 프레넬 흡수

프레넬 흡수는 레이저에 대한 열쇠 구멍 벽의 흡수 메커니즘으로, 열쇠 구멍의 다중 반사 하에서 레이저의 흡수 동작을 설명합니다. 레이저가 열쇠 구멍에 들어가면 열쇠 구멍 내벽에서 다중 반사가 발생하고 각 반사 과정에서 레이저 에너지의 일부가 열쇠 구멍 벽에 흡수됩니다.

왼쪽 도표를 보면 강철의 적외선 레이저 흡수율은 마그네슘의 약 2.5배, 알루미늄의 약 3.1배, 금, 은, 구리의 약 36배임을 알 수 있다. 반사율이 높은 재료의 경우 작은 구멍에서 레이저 빔의 다중 반사가 심용해 레이저 용접 공정에서 에너지를 흡수하는 주요 메커니즘입니다.

흡수율이 낮으면 반사율이 높은 재료(71% VS 97%)의 레이저 용접 시 에너지 결합 효율이 낮아지고 작은 구멍 바닥에 에너지 흡수 농도가 높아집니다. 반사율이 높은 재료의 레이저 용접 공정 중 , 작은 구멍의 깊이 방향을 따른 에너지 분포가 불균형하여 작은 구멍의 불안정성을 가속화하고 다공성, 불완전한 융합 및 불량한 외관을 초래합니다.

3.2 역인성 흡수

작은 구멍 흡수의 또 다른 메커니즘은 다음과 같습니다. 플라즈몬 역인성 방사선 흡수.광 유도 플라즈마는 작은 구멍 출구 위에 존재할 뿐만 아니라 작은 구멍을 채우는 역할도 합니다. 레이저는 구멍 벽의 두 반사 사이에서 플라즈마 내를 이동하며, 레이저 에너지의 일부는 플라즈마에 흡수되고, 플라즈마에 흡수된 에너지는 대류와 복사를 통해 구멍 벽으로 전달됩니다.

두 가지 에너지 흡수 메커니즘의 역할과 비율: 작은 구멍 내에서 레이저 에너지를 흡수하는 두 가지 메커니즘은 용접 이음새 형성에 서로 다른 영향을 미칩니다.

•플라즈마에 의해 흡수된 에너지의 대부분은 작은 구멍의 상부에서 방출되고 바닥에서는 덜 방출되어 "와인잔" 모양의 구멍을 쉽게 얻을 수 있지만 깊이를 확장하는 데 도움이 되지 않습니다. 구멍의.

•홀 벽의 프레넬 흡수에 의해 방출되는 에너지는 홀 깊이 방향으로 상대적으로 균일하며, 이는 홀 깊이를 증가시키고 궁극적으로 상대적으로 깊고 좁은 용접 이음을 얻는 데 유리합니다.

용접 품질 및 효율성 향상의 관점에서 볼 때, 작은 구멍 내부의 플라즈마를 제어하여 용접 안정성에 더 유리하게 만들 수 있다면 레이저 변조, 조정 가능한 환형 모드 및 복합 열원은 모두 잠재적으로 효과적인 기술 솔루션입니다.

4. 열쇠 구멍 내부의 압력 균형

레이저 심융합 용접 중에 재료는 극적으로 기화되고 고온 증기의 팽창 압력으로 인해 액체 금속이 옆으로 밀려나 작은 구멍이 형성됩니다. 작은 구멍 내부에는 재료의 증기압과 절삭 압력(증발 반력 또는 반동 압력이라고도 함) 외에도 표면 장력, 중력으로 인한 액체 정압 및 생성된 유체 동적 압력이 있습니다. 용융된 재료의 흐름. 이러한 압력 중에서 증기압만이 작은 구멍을 열어 두는 데 도움이 되고 다른 세 가지 힘은 모두 작은 구멍을 닫으려고 합니다. 용접 공정 중에 작은 구멍의 안정성을 유지하려면 증기압은 안정된 상태에 도달하고 열쇠 구멍의 장기적인 안정성을 유지하기 위해 다른 저항력을 극복하기에 충분해야 합니다. 단순화를 위해 일반적으로 열쇠 구멍 벽에 작용하는 힘은 주로 절제 압력(금속 증기 반동 압력)과 표면 장력이라고 믿어집니다.

5. 열쇠구멍 불안정성

레이저가 재료 표면에 작용하면 다량의 금속이 증발하고 반동 압력에 의해 용융 풀이 아래로 내려가 열쇠 구멍이 형성되고 플라즈마가 형성되어 용융 깊이가 증가합니다. 이동 과정에서 레이저가 열쇠 구멍의 전면 벽에 닿으면 레이저가 재료와 접촉하는 모든 위치에서 재료가 격렬하게 증발합니다. 동시에 열쇠구멍 벽에 질량 손실이 생기고 증발에 의해 형성된 반동압력도 액체 금속을 아래로 밀어내며 열쇠구멍 내벽이 아래쪽으로 요동하게 되어 열쇠구멍 바닥을 우회하여 열쇠구멍 쪽으로 이동하게 됩니다. 열쇠 구멍 뒤쪽의 용융 풀. 전면 벽에서 뒷벽으로 액체 용융 풀의 변동하는 움직임으로 인해 열쇠 구멍의 내부 부피가 지속적으로 변하고 그에 따라 열쇠 구멍의 내부 압력도 변경됩니다. 변화하는 압력은 유출 플라즈마의 부피 변화로 이어집니다. 플라즈마 부피의 변화는 레이저 에너지의 차폐, 굴절 및 흡수의 변화로 이어져 재료 표면에 도달하는 레이저 에너지의 변화를 유발합니다. 전체 공정은 역동적이고 순환적이며 궁극적으로 톱니 모양의 물결 모양의 금속 용융 깊이가 발생하며 용접 이음매 깊이가 매끄럽게 동일하지 않습니다.

용접심과 평행한 중심을 따라 세로로 절단하여 얻은 용접심 중심의 단면도와 IPG-LDD로 실시간 측정한 키홀 깊이 변화 차트가 이를 뒷받침합니다.

6.열쇠구멍 주기적인 변동

1. 레이저는 열쇠구멍 전면벽에 작용하여 전면벽을 격렬하게 증발시킵니다. 반동 압력이 전면 벽을 누르고 액체 금속을 압착하여 하향 이동을 가속화합니다. 액체 금속이 아래쪽으로 움직이면 금속 증기가 압착되어 열쇠 구멍 구멍에서 뿜어져 나옵니다. 갑자기 증가한 금속 증기는 레이저 에너지를 흡수하여 이온화하는 동시에 레이저 에너지를 굴절 및 흡수하여 열쇠 구멍에 도달하는 레이저 에너지가 급격히 감소합니다.

2. 열쇠 구멍에 도달하는 레이저 에너지의 급격한 감소로 인해 열쇠 구멍 내부의 금속 기화량이 감소합니다. 이로 인해 열쇠 구멍 압력이 감소하고 열쇠 구멍 상단 구멍에서 빠져나가는 금속 증기의 양이 감소하며 녹는 깊이가 감소합니다.

3. 금속 증기의 양이 감소함에 따라 레이저 에너지의 차폐, 굴절, 흡수가 감소하여 열쇠 구멍 내부에 도달하는 레이저 에너지가 증가하고 용융 깊이가 증가합니다.

7.열쇠구멍으로 파동의 방향을 억제

1) 표면 장력

영향: 표면 장력은 용융 풀의 흐름에 영향을 미칩니다.

억제:레이저 용접 공정을 안정화하려면 과도한 변동 없이 용융 풀의 표면 장력 기울기 분포를 유지해야 합니다. 표면 장력은 온도 분포와 관련이 있으며 이는 다시 열원과 관련이 있습니다. 따라서 복합 열원과 진동 용접은 용접 공정을 안정화하기 위한 잠재적인 기술적 접근 방식입니다.

2) 금속 증기 반동 압력

영향:금속 증기의 반동 압력은 열쇠 구멍의 형성에 직접적인 영향을 미치며 열쇠 구멍의 깊이 및 부피와 밀접한 관련이 있습니다. 또한, 금속증기는 용접과정에서 위로 이동하는 유일한 물질이므로 스패터링 발생과 밀접한 관련이 있습니다.

억제: 금속 증기와 열쇠구멍 부피 사이의 관계는 플라즈마 효과와 열쇠구멍 개구부의 크기에 주의를 기울여야 합니다. 개구부가 클수록 열쇠 구멍도 커지므로 바닥에 있는 작은 녹은 웅덩이의 변동은 무시할 수 있는 것처럼 보입니다. 이는 전체 열쇠 구멍 부피와 내부 압력 변화에 미치는 영향이 적습니다.따라서 조정 가능한 링 모드 레이저(링 모양의 점), 레이저-아크 조합, 주파수 변조 등은 모두 잠재적인 확장 방향입니다.