Efekt dziurki od klucza

1. definicja dziurki od klucza

Definicja dziurki od klucza: Gdy intensywność promieniowania jest większa niż 10 ^ 6 W/cm ^ 2, gdy powierzchnia materiału topi się i odparowuje pod działaniem lasera, a prędkość parowania jest wystarczająco duża, ciśnienie odrzutu generowane przez parę wystarczy, aby pokonać napięcie powierzchniowe ciekłego metalu i grawitację cieczy, odpychając w ten sposób część ciekłego metalu. Powoduje to, że jeziorko stopionego metalu w obszarze działania lasera cofa się, tworząc mały wgłębienie. Wiązka działa bezpośrednio na dno małego wgłębienia, powodując dalsze topienie i odparowywanie metalu. Para pod wysokim ciśnieniem w dalszym ciągu wypycha ciekły metal na dnie wgłębienia w kierunku otoczenia jeziorka, pogłębiając w ten sposób mały otwór. W miarę kontynuowania tego procesu w ciekłym metalu ostatecznie tworzy się otwór przypominający dziurkę od klucza.

Efekt dziurki od klucza spawanie laserowe odnosi się do powstawania drobnych pęcherzyków lub dziur w wyniku rozszerzalności cieplnej materiału i odparowywania gazów wewnętrznych podczas procesu spawania laserowego. Otwory te mogą mieć wpływ na jakość spawania i wytrzymałość spoiny. Efekt dziurki od klucza występuje głównie z następujących powodów:

1) Rozszerzalność cieplna materiału: Wysoka gęstość energii wiązki laserowej szybko podnosi temperaturę w obszarze spawania, powodując rozszerzalność termiczną materiału. Prowadzi to do powstawania naprężeń i odkształceń w obszarze spawania. Gdy rozszerzalność cieplna materiału spawalniczego nie jest równomierna, łatwo jest utworzyć otwory.

2) Parowanie gazów wewnętrznych: W materiale spawalniczym znajdują się drobne gazy lub zanieczyszczenia. Kiedy wiązka lasera pada na obszar spawania, wysoka temperatura powoduje szybkie odparowanie tych gazów, tworząc pęcherzyki lub dziury. Pęcherzyki te mogą utrudniać tworzenie się jeziorka spawalniczego i wypełnianie stopionym metalem, wpływając w ten sposób na jakość spawania.

3) Reakcje chemiczne materiału: W wysokich temperaturach materiał spawalniczy reaguje chemicznie z tlenem, parą wodną i innymi pierwiastkami obecnymi w otaczającym środowisku, wytwarzając tlenki lub inne związki. Związki te obniżają temperaturę topnienia obszaru spawania, zwiększają uwalnianie gazów podczas procesu spawania, co dodatkowo wywołuje efekt dziurki od klucza.

Kiedy ciśnienie pary metalu generowanej przez wiązkę lasera w mikroporach osiągnie równowagę z napięciem powierzchniowym i grawitacją ciekłego metalu, mikropory nie będą się już pogłębiać, tworząc mikropory o stabilnej głębokości. Nazywa się to „efektem dziurki od klucza”.

2. Tworzenie i rozwój dziurki od klucza

Podczas procesu spawania ścianka dziurki od klucza znajduje się zawsze w stanie dużych wahań. Cieńsza warstwa roztopionego metalu na przedniej ścianie dziurki od klucza spływa w dół wraz z wahaniami ściany. Wszelkie występy na przedniej ścianie dziurki od klucza silnie odparują w wyniku napromieniowania laserami o dużej mocy. Wytworzona para jest wyrzucana do tyłu, uderzając stopionym metalem jeziorka w tylną ścianę, powodując oscylację stopionego jeziorka i wpływając na przelewanie się pęcherzyków w stopionym jeziorku podczas procesu krzepnięcia.

Dzięki obecności mikroporów energia wiązki lasera wnika w materiał, tworząc głęboką i wąską spoinę. Powyższy rysunek przedstawia typową morfologię przekroju poprzecznego spoiny laserowej o głębokiej penetracji. Głębokość spoiny i głębokość dziurki od klucza są zbliżone (a dokładniej, porównanie metalograficzne jest o 60-100um głębsze niż dziurka od klucza, różniąc się o warstwa fazy ciekłej). Im większa gęstość energii lasera, tym głębsza dziurka od klucza i większa głębokość spoiny. W spawaniu laserowym dużej mocy najwyższy stosunek głębokości do szerokości spoiny może osiągnąć 12:1.

Niestabilność dziurki od klucza podczas procesu spawania spowodowana jest głównie odparowaniem lokalnego metalu w przedniej ściance dziurki od klucza. Czynnikami tworzącymi porowatość są:

1) Lokalne parowanie powoduje infiltrację gazu ochronnego;

2) Wypalenie pierwiastków stopowych;

3) Podczas spawania laserowego aluminium i jego stopów rozpuszczalność wodoru w aluminium drastycznie maleje w procesie chłodzenia.

3.Analiza absorpcji energii lasera w dziurce od klucza

Przed utworzeniem małego otworu i plazmy energia lasera jest przenoszona głównie do wnętrza przedmiotu obrabianego poprzez przewodzenie ciepła. Proces spawania należy do spawania przewodzącego (w zakresie głębokości topienia 0.5 mm), a szybkość absorpcji materiału przez laser wynosi 25–45%, po utworzeniu dziurki od klucza energia lasera opiera się głównie na efekcie dziurki od klucza, aby być bezpośrednio pochłaniane przez wnętrze przedmiotu obrabianego. Proces spawania staje się spawaniem z głęboką penetracją (głębokość wtapiania większa niż 0.5 mm), a szybkość wchłaniania może osiągnąć 60 ~ 90% lub więcej.Efekt dziurki od klucza odgrywa niezwykle ważną rolę we wzmacnianiu absorpcji laserów w procesach przetwórstwa np spawanie laserowe, cięcie i wykrawanie. Wiązka laserowa wpadająca do dziurki od klucza jest prawie całkowicie pochłaniana przez wielokrotne odbicia od ściany otworu.

Powszechnie uważa się, że mechanizm absorpcji energii lasera w dziurce od klucza obejmuje dwa procesy: odwrotną absorpcję bremsstrahlunga i absorpcję Fresnela.

3.1 Absorpcja Fresnela

Absorpcja Fresnela to mechanizm absorpcji ścianki dziurki od klucza lasera, który opisuje zachowanie absorpcji lasera pod wielokrotnymi odbiciami w dziurce od klucza. Kiedy laser wchodzi do dziurki od klucza, na wewnętrznej ściance dziurki od klucza następuje wiele odbić, a podczas każdego procesu odbicia część energii lasera jest pochłaniana przez ściankę dziurki od klucza.

Z lewego wykresu widać, że współczynnik absorpcji stali w przypadku laserów na podczerwień jest około 2.5 razy większy niż w przypadku magnezu, 3.1 razy większy w przypadku aluminium i 36 razy większy w przypadku złota, srebra i miedzi. W przypadku materiałów o wysokim współczynniku odbicia wielokrotne odbicia wiązki laserowej w małym otworze są głównym mechanizmem pochłaniania energii w procesie głębokiego topienia laserowego.

Niski współczynnik absorpcji prowadzi do niższej efektywności sprzęgania energii podczas spawania laserowego materiałów o wysokim współczynniku odblasku (71% VS 97%) i wyższej koncentracji absorpcji energii na dnie małego otworu. Podczas procesu spawania laserowego materiałów o wysokim odblasku , rozkład energii wzdłuż kierunku głębokości małego otworu jest niezrównoważony, co przyspiesza niestabilność małego otworu i prowadzi do porowatości, niepełnego stopienia i złego wyglądu.

3.2 Odwrotna absorpcja wytrzymałości

Zadziałał inny mechanizm absorpcji przez małe dziury plazmoniczna odwrotna wytrzymałość, absorpcja promieniowaniaFotoindukowana plazma nie tylko istnieje nad wyjściem z małego otworu, ale także go wypełnia. Laser przemieszcza się w plazmie pomiędzy dwoma odbiciami od ściany dziury, część jego energii jest pochłaniana przez plazmę, a energia pochłonięta przez plazmę jest przekazywana do ściany dziury poprzez konwekcję i promieniowanie.

Rola i proporcje dwóch mechanizmów absorpcji energii: Dwa mechanizmy pochłaniania energii lasera w małych otworach mają różny wpływ na powstawanie szwu spawalniczego.

•Większość energii pochłoniętej przez plazmę jest uwalniana w górnej części małego otworu, a mniej w dolnej części, co ułatwia uzyskanie otworu w kształcie „kieliszka do wina”, ale nie sprzyja zwiększaniu głębokości dziury.

• Energia uwalniana przez absorpcję Fresnela przez ścianę otworu jest stosunkowo jednolita w kierunku głębokości otworu, co jest korzystne dla zwiększenia głębokości otworu i ostatecznie uzyskania stosunkowo głębokiej i wąskiej spoiny.

Z punktu widzenia poprawy jakości i wydajności spawania, jeśli można kontrolować plazmę wewnątrz małego otworu w sposób bardziej korzystny dla stabilności spawania, modulacja laserowa, regulowany tryb pierścieniowy i złożone źródło ciepła są potencjalnie skutecznymi rozwiązaniami technicznymi.

4. Równowaga ciśnienia wewnątrz dziurki od klucza

Podczas głębokiego spawania laserowego materiał gwałtownie odparowuje, a ciśnienie rozprężania pary o wysokiej temperaturze wypycha ciekły metal na bok, tworząc mały otwór. Wewnątrz małego otworu, oprócz prężności pary materiału i ciśnienia ablacji (znanego również jako siła reakcji parowania lub ciśnienie odrzutu), występuje również napięcie powierzchniowe, statyczne ciśnienie cieczy spowodowane grawitacją oraz ciśnienie dynamiczne płynu generowane przez przepływ stopionego materiału. Spośród tych ciśnień tylko ciśnienie pary pomaga utrzymać mały otwór otwarty, podczas gdy pozostałe trzy siły starają się zamknąć mały otwór. Aby zachować stabilność małego otworu podczas procesu spawania, ciśnienie pary musi być wystarczające do pokonania innych sił oporu, aby osiągnąć stabilny stan i utrzymać długoterminową stabilność dziurki od klucza. Dla uproszczenia powszechnie uważa się, że siły działające na ściankę dziurki od klucza to głównie ciśnienie ablacji (ciśnienie odrzutu pary metalu) i napięcie powierzchniowe.

5. Niestabilność dziurki od klucza

Kiedy laser działa na powierzchnię materiału, duża ilość metalu odparowuje, ciśnienie odrzutu wciska jeziorko stopionego ku dołowi, tworząc dziurkę od klucza, a także plazmę, co zwiększa głębokość topienia. Podczas ruchu, gdy laser uderza w przednią ściankę dziurki od klucza, wszystkie pozycje, w których laser styka się z materiałem, powodują gwałtowne odparowanie materiału. Jednocześnie następuje utrata masy ścianki dziurki od klucza, a ciśnienie odrzutu powstałe w wyniku parowania również dociska ciekły metal w dół, powodując, że wewnętrzna ścianka dziurki od klucza oscyluje w dół, omijając dno dziurki od klucza i przesuwając się w kierunku roztopiona kałuża z tyłu dziurki od klucza. Ze względu na zmienny ruch ciekłej roztopionej kałuży od przedniej ściany do tylnej ściany, wewnętrzna objętość dziurki od klucza stale się zmienia, a także wewnętrzne ciśnienie w dziurce od klucza również odpowiednio się zmienia. Zmieniające się ciśnienie prowadzi do zmiany objętości wylewnej plazmy. Zmiana objętości plazmy prowadzi do zmian w ekranowaniu, załamaniu i absorpcji energii lasera, powodując zmiany w energii lasera docierającego do powierzchni materiału. Cały proces jest dynamiczny i cykliczny, co ostatecznie skutkuje ząbkowaną głębokością topienia metalu w kształcie fali, bez gładkiej, równej głębokości spoiny.

Potwierdza to przekrój środka spoiny uzyskany w wyniku wzdłużnego cięcia wzdłuż środka równoległego do spoiny, a także wykres zmian głębokości dziurki od klucza mierzony w czasie rzeczywistym przez IPG-LDD.

6. Okresowe wahania od klucza

1. Laser działa na przednią ściankę dziurki od klucza, powodując gwałtowne odparowanie przedniej ścianki. Ciśnienie odrzutu naciska na przednią ścianę, ściskając ciekły metal, przyspieszając jego ruch w dół. Ruch ciekłego metalu w dół powoduje wyciśnięcie oparów metalu i wypuszczenie ich z otworu w kształcie dziurki od klucza. Nagle zwiększone opary metalu pochłaniają energię lasera i jonizują, jednocześnie załamując i pochłaniając energię lasera, co powoduje gwałtowny spadek energii lasera docierającej do dziurki od klucza.

2. Gwałtowny spadek energii lasera docierającej do dziurki od klucza powoduje zmniejszenie ilości parowania metalu wewnątrz dziurki od klucza. Powoduje to zmniejszenie ciśnienia w dziurce od klucza, zmniejszenie ilości oparów metalu wydobywających się z górnego otworu dziurki od klucza i zmniejszenie głębokości wtapiania.

3. W miarę zmniejszania się ilości oparów metalu zmniejsza się ekranowanie, załamanie i absorpcja energii lasera, powodując wzrost energii lasera docierającej do wnętrza dziurki od klucza i zwiększenie głębokości topienia.

7. Dziurka od klucza tłumi kierunek fali

1) Napięcie powierzchniowe

Wpływ: Napięcie powierzchniowe wpływa na przepływ stopionego jeziorka;

Hamowanie: Stabilizacja procesu spawania laserowego polega na utrzymaniu gradientowego rozkładu napięcia powierzchniowego w jeziorku roztopionym bez nadmiernych wahań. Napięcie powierzchniowe jest powiązane z rozkładem temperatury, który z kolei jest powiązany ze źródłem ciepła. Dlatego też kompozytowe źródła ciepła i spawanie oscylacyjne są potencjalnymi podejściami technicznymi do stabilizacji procesu spawania.

2) Ciśnienie odrzutu oparów metalu

Wpływ: Ciśnienie odrzutu par metalu bezpośrednio wpływa na powstawanie dziurek od klucza i jest ściśle powiązane z głębokością i objętością dziurek od klucza. Ponadto, ponieważ opary metalu są jedyną substancją przemieszczającą się w górę podczas procesu spawania, jest to ściśle powiązane z występowaniem odprysków.

Hamowanie: Związek pomiędzy oparami metalu a objętością dziurki od klucza wymaga zwrócenia uwagi na efekt plazmowy i wielkość otworu w kształcie dziurki od klucza. Im większy otwór, tym większa dziurka od klucza, przez co wahania w małym roztopionym jeziorku na dnie wydają się nieistotne. Ma to mniejszy wpływ na ogólną objętość dziurki od klucza i zmiany ciśnienia wewnętrznego.Dlatego regulowany laser pierścieniowy (plamki w kształcie pierścienia), kombinacja łuku laserowego, modulacja częstotliwości itp. to potencjalne kierunki ekspansji.