Sleutelgateffect

1. sleutelgatdefinitie

Sleutelgatdefinitie: Wanneer de stralingsintensiteit groter is dan 10^6W/cm^2, wanneer het oppervlak van een materiaal smelt en verdampt onder invloed van een laser, en wanneer de verdampingssnelheid voldoende groot is, wordt de terugslagdruk gegenereerd door de damp is voldoende om de oppervlaktespanning van het vloeibare metaal en de zwaartekracht van de vloeistof te overwinnen, waardoor een deel van het vloeibare metaal opzij wordt gedrukt. Dit zorgt ervoor dat het smeltbad in het laseractiegebied zich terugtrekt en een kleine put vormt. De straal werkt rechtstreeks op de bodem van de kleine put, waardoor het metaal verder smelt en verdampt. De hogedrukdamp blijft het vloeibare metaal op de bodem van de put dwingen om naar de omgeving van het smeltbad te worden geduwd, waardoor het kleine gat verder wordt verdiept. Naarmate dit proces vordert, wordt uiteindelijk een gat gevormd dat lijkt op een sleutelgat in het vloeibare metaal.

Het sleutelgateffect in laserlassen verwijst naar de vorming van kleine belletjes of gaatjes als gevolg van thermische uitzetting van het materiaal en de verdamping van interne gassen tijdens het laserlasproces. Deze gaten kunnen de kwaliteit van het lassen en de sterkte van de lasnaad beïnvloeden. Het sleutelgateffect treedt voornamelijk op vanwege de volgende redenen:

1）Thermische uitzetting van het materiaal: De hoge energiedichtheid van de laserstraal verhoogt snel de temperatuur in het lasgebied, waardoor het materiaal thermisch uitzet. Dit leidt tot het ontstaan ​​van spanningen en vervormingen in het lasgebied. Wanneer de thermische uitzetting van het lasmateriaal niet uniform is, kunnen er gemakkelijk gaten ontstaan.

2) Verdamping van interne gassen: er zitten kleine gassen of onzuiverheden in het lasmateriaal. Wanneer de laserstraal op het lasgebied schijnt, zorgt de hoge temperatuur ervoor dat deze gassen snel verdampen, waardoor belletjes of gaten ontstaan. Deze belletjes kunnen de vorming van het lasbad en het vullen van gesmolten metaal belemmeren, waardoor de kwaliteit van het lassen wordt aangetast.

3）Chemische reacties van het materiaal: Bij hoge temperaturen reageert het lasmateriaal chemisch met zuurstof, waterdamp en andere elementen die in de omgeving aanwezig zijn, waardoor oxiden of andere verbindingen ontstaan. Deze verbindingen verlagen het smeltpunt van het lasgebied, verhogen het vrijkomen van gassen tijdens het lasproces, en veroorzaken verder het sleutelgateffect.

Wanneer de druk van de metaaldamp gegenereerd door de laserstraal in de microporiën een evenwicht bereikt met de oppervlaktespanning en zwaartekracht van het vloeibare metaal, blijven de microporiën zich niet langer verdiepen en vormen ze een dieptestabiele microporie. Dit wordt ook wel het ‘sleutelgateffect’ genoemd.

2.Sleutelgatvorming en -ontwikkeling

Tijdens het lasproces bevindt de sleutelgatwand zich altijd in een staat van grote fluctuatie. De dunnere laag gesmolten metaal op de voorwand van het sleutelgat stroomt met de wandfluctuatie naar beneden. Elk uitsteeksel op de voorste wand van het sleutelgat zal sterk verdampen als gevolg van bestraling met lasers met een hoge vermogensdichtheid. De gegenereerde damp wordt achterwaarts uitgeworpen, waardoor het gesmolten metaal op de achterwand botst, waardoor het gesmolten zwembad gaat oscilleren en de overstroming van bellen in het gesmolten zwembad tijdens het stollingsproces wordt beïnvloed.

Door de aanwezigheid van de microporiën dringt de energie van de laserstraal het materiaal binnen, waardoor deze diepe en smalle lasnaad ontstaat. De afbeelding hierboven toont de typische dwarsdoorsnedemorfologie van een laserlas met diepe penetratie. De diepte van de las en de diepte van het sleutelgat liggen dicht bij elkaar (om precies te zijn, de metallografische vergelijking is 60-100 µm dieper dan het sleutelgat, en verschilt met een vloeibare faselaag). Hoe groter de laserenergiedichtheid, hoe dieper het sleutelgat en hoe groter de diepte van de las. Bij laserlassen met hoog vermogen kan de hoogste diepte-breedteverhouding van de las 12:1 bereiken.

De instabiliteit van het sleutelgat tijdens het lasproces wordt voornamelijk veroorzaakt door de verdamping van plaatselijk metaal in de voorwand van het sleutelgat. De factoren die porositeit vormen zijn:

1) Lokale verdamping veroorzaakt de infiltratie van beschermend gas;

2) Het afbranden van legeringselementen;

3) Tijdens het laserlassen van aluminium en zijn legeringen neemt de oplosbaarheid van waterstof in aluminium drastisch af tijdens het koelproces.

3. Analyse van de laserenergie-absorptie in het sleutelgat

Vóór de vorming van het kleine gat en het plasma wordt de energie van de laser voornamelijk door warmtegeleiding naar de binnenkant van het werkstuk overgebracht. Het lasproces behoort tot geleidingslassen (binnen een smeltdiepte van 0.5 mm) en de absorptiesnelheid van het materiaal naar de laser ligt tussen 25-45%. Zodra het sleutelgat is gevormd, is de energie van de laser voornamelijk afhankelijk van het sleutelgateffect direct door de binnenkant van het werkstuk worden geabsorbeerd. Het lasproces wordt dieppenetratielassen (meer dan 0.5 mm smeltdiepte)en het absorptiepercentage kan 60 ~ 90% of meer bereiken.Het sleutelgateffect speelt een uiterst belangrijke rol bij het versterken van de absorptie van lasers in verwerkingsprocessen zoals laserlassen, snijden en ponsen. De laserstraal die het sleutelgat binnendringt, wordt bijna volledig geabsorbeerd door meerdere reflecties van de wand van het gat.

Algemeen wordt aangenomen dat het energieabsorptiemechanisme van de laser in het sleutelgat twee processen omvat: omgekeerde remstralingsabsorptie en Fresnel-absorptie.

3.1 Fresnel-absorptie

Fresnel-absorptie is het absorptiemechanisme van de sleutelgatwand voor de laser, dat het absorptiegedrag van de laser beschrijft onder meerdere reflecties in het sleutelgat. Wanneer de laser het sleutelgat binnendringt, vinden er meerdere reflecties plaats op de binnenwand van het sleutelgat, en tijdens elk reflectieproces wordt een deel van de laserenergie geabsorbeerd door de sleutelgatwand.

Uit de linkergrafiek blijkt dat de absorptiesnelheid van staal voor infraroodlasers ongeveer 2.5 keer die van magnesium, 3.1 keer die van aluminium en 36 keer die van goud, zilver en koper is. Voor materialen met een hoog reflectievermogen zijn de meervoudige reflecties van de laserstraal in het kleine gaatje het belangrijkste mechanisme voor het absorberen van energie in het diepsmeltende laserlasproces.

De lage absorptiesnelheid leidt tot een lagere energiekoppelingsefficiëntie tijdens het laserlassen van sterk reflecterende materialen (71% versus 97%), en een hogere concentratie van energieabsorptie op de bodem van het kleine gat. Tijdens het laserlasproces van sterk reflecterende materialen , de energieverdeling langs de diepterichting van het kleine gat is uit balans, wat de instabiliteit van het kleine gat versnelt en leidt tot porositeit, onvolledige versmelting en een slecht uiterlijk.

3.2 Omgekeerde taaiheidabsorptie

Een ander mechanisme voor absorptie van kleine gaten is door plasmonische inverse taaiheid stralingsabsorptieHet foto-geïnduceerde plasma bevindt zich niet alleen boven de uitgang van het kleine gaatje, maar vult ook het kleine gaatje. De laser beweegt zich in het plasma tussen twee reflecties door de wand van het gat, een deel van zijn energie wordt geabsorbeerd door het plasma en de door het plasma geabsorbeerde energie wordt via convectie en straling doorgegeven aan de wand van het gat.

De rol en het aandeel van de twee energieabsorptiemechanismen: De twee mechanismen voor het absorberen van laserenergie in kleine gaten hebben verschillende gevolgen voor de vorming van lasnaden.

•Het grootste deel van de energie die door het plasma wordt geabsorbeerd, komt vrij in het bovenste deel van het kleine gat, en minder aan de onderkant, wat het gemakkelijk maakt om een ​​gat in de vorm van een "wijnglas" te verkrijgen, maar niet bevorderlijk is voor het vergroten van de diepte van het gat.

•De energie die vrijkomt door de Fresnel-absorptie van de gatwand is relatief uniform in de richting van de gatdiepte, wat gunstig is voor het vergroten van de diepte van het gat en uiteindelijk het verkrijgen van een relatief diepe en smalle lasnaad.

Vanuit het perspectief van het verbeteren van de laskwaliteit en efficiëntie, als het plasma in het kleine gat kan worden gecontroleerd om de lasstabiliteit gunstiger te maken, zijn lasermodulatie, instelbare ringvormige modus en samengestelde warmtebron allemaal potentieel effectieve technische oplossingen.

4. Drukbalans in het sleutelgat

Tijdens laser-diepfusielassen verdampt het materiaal dramatisch, en de expansiedruk van de damp met hoge temperatuur duwt het vloeibare metaal opzij, waardoor een klein gaatje ontstaat. In het kleine gaatje zijn er, naast de dampdruk van het materiaal en de ablatiedruk (ook bekend als verdampingsreactiekracht of terugslagdruk), ook oppervlaktespanning, vloeistofstatische druk veroorzaakt door de zwaartekracht en vloeistofdynamische druk gegenereerd door de stroming van gesmolten materiaal. Bij deze drukken helpt alleen de dampdruk het kleine gaatje open te houden, terwijl de andere drie krachten allemaal proberen het kleine gaatje dicht te maken. Om de stabiliteit van het kleine gaatje tijdens het lasproces te behouden, moet de de dampdruk moet voldoende zijn om andere weerstandskrachten te overwinnen, om een ​​stabiele toestand te bereiken en de stabiliteit van het sleutelgat op lange termijn te behouden. Eenvoudigheidshalve wordt algemeen aangenomen dat de krachten die op de sleutelgatwand inwerken voornamelijk de ablatiedruk (terugslagdruk van metaaldamp) en oppervlaktespanning zijn.

5. Instabiliteit van het sleutelgat

Wanneer de laser op het materiaaloppervlak inwerkt, verdampt een grote hoeveelheid metaal, de terugslagdruk drukt het gesmolten zwembad naar beneden, waardoor een sleutelgat ontstaat, evenals het plasma, waardoor de smeltdiepte toeneemt. Tijdens het bewegingsproces, wanneer de laser Als de laser de voorwand van het sleutelgat raakt, zorgen alle posities waar de laser in contact komt met het materiaal ervoor dat het materiaal met geweld verdampt. Tegelijkertijd is er sprake van massaverlies op de muur van het sleutelgat, en de door verdamping gevormde terugslagdruk drukt ook het vloeibare metaal naar beneden, waardoor de binnenwand van het sleutelgat naar beneden schommelt, de bodem van het sleutelgat omzeilt en naar de onderkant beweegt. gesmolten zwembad aan de achterkant van het sleutelgat. Door de fluctuerende beweging van het vloeibare gesmolten zwembad van de voorwand naar de achterwand verandert het interne volume van het sleutelgat voortdurend en verandert ook de interne druk van het sleutelgat dienovereenkomstig. De veranderende druk leidt tot het veranderende volume van het uitvloeiende plasma. De verandering in het volume van het plasma leidt tot veranderingen in de afscherming, breking en absorptie van laserenergie, waardoor veranderingen optreden in de energie van de laser die het materiaaloppervlak bereikt. Het hele proces is dynamisch en cyclisch, wat uiteindelijk resulteert in een gekartelde, golfvormige metaalsmeltdiepte, en er is geen lasnaad met gelijke diepte.

De doorsnede van het midden van de lasnaad verkregen door longitudinaal snijden langs het midden evenwijdig aan de lasnaad, evenals de grafiek van de verandering van de sleutelgatdiepte, gemeten in realtime door IPG-LDD, bevestigen dit.

6. Periodieke schommelingen in het sleutelgat

1. De laser werkt op de voorwand van het sleutelgat, waardoor een gewelddadige verdamping van de voorwand ontstaat. De terugslagdruk drukt op de voorwand, waardoor het vloeibare metaal wordt samengedrukt om de neerwaartse beweging te versnellen. De neerwaartse beweging van het vloeibare metaal perst de metaaldamp samen en spuit uit de sleutelgatopening. De plotseling toegenomen metaaldamp absorbeert laserenergie en ioniseert, terwijl hij ook laserenergie breekt en absorbeert, wat resulteert in een scherpe afname van de laserenergie die het sleutelgat bereikt.

2. De scherpe afname van de laserenergie die het sleutelgat bereikt, resulteert in een afname van de hoeveelheid metaalverdamping in het sleutelgat. Hierdoor neemt de sleutelgatdruk af, neemt de hoeveelheid metaaldamp die uit de bovenste opening van het sleutelgat ontsnapt af en neemt de smeltdiepte af.

3. Naarmate de hoeveelheid metaaldamp afneemt, nemen de afscherming, breking en absorptie van laserenergie af, waardoor de laserenergie die de binnenkant van het sleutelgat bereikt toeneemt en de smeltdiepte toeneemt.

7. Sleutelgat onderdrukt de golfrichting

1) Oppervlaktespanning

Invloed: Oppervlaktespanning beïnvloedt de stroming van het gesmolten bad;

Remming: Het stabiliseren van het laserlasproces omvat het handhaven van de gradiëntverdeling van de oppervlaktespanning in het gesmolten zwembad zonder excessieve fluctuaties. De oppervlaktespanning is gerelateerd aan de temperatuurverdeling, die op zijn beurt gerelateerd is aan de warmtebron. Daarom zijn samengestelde warmtebronnen en oscillerend lassen potentiële technische benaderingen om het lasproces te stabiliseren.

2) Terugslagdruk van metaaldamp

Invloed: De terugslagdruk van metaaldamp heeft rechtstreeks invloed op de vorming van sleutelgaten en hangt nauw samen met de diepte en het volume van de sleutelgaten. Omdat de metaaldamp de enige substantie is die tijdens het lasproces naar boven beweegt, hangt deze bovendien nauw samen met het optreden van spatten.

Remming: De relatie tussen metaaldamp en sleutelgatvolume vereist aandacht voor het plasma-effect en de grootte van de sleutelgatopening. Hoe groter de opening, hoe groter het sleutelgat, waardoor de fluctuaties in het kleine gesmolten bad op de bodem verwaarloosbaar lijken. Dit heeft een kleinere impact op het totale sleutelgatvolume en de interne drukveranderingen.Daarom zijn verstelbare ringmoduslasers (ringvormige vlekken), laser-boogcombinaties, frequentiemodulatie, enz. allemaal potentiële uitbreidingsrichtingen.