Эффект замочной скважины

1. определение замочной скважины

Определение замочной скважины: когда интенсивность излучения превышает 10^6 Вт/см^2, когда поверхность материала плавится и испаряется под действием лазера и когда скорость испарения достаточно велика, давление отдачи, создаваемое паром достаточно, чтобы преодолеть поверхностное натяжение жидкого металла и силу тяжести жидкости, оттолкнув таким образом часть жидкого металла. Это приводит к тому, что ванна расплава в зоне воздействия лазера углубляется, образуя небольшую ямку. Луч воздействует непосредственно на дно небольшой ямки, вызывая дальнейшее плавление и испарение металла. Пар под высоким давлением продолжает выталкивать жидкий металл на дне ямы к окрестностям ванны расплава, тем самым еще больше углубляя небольшое отверстие. По мере продолжения этого процесса в жидком металле наконец образуется отверстие, похожее на замочную скважину.

Эффект замочной скважины в лазерная сварка относится к образованию крошечных пузырьков или отверстий из-за теплового расширения материала и испарения внутренних газов во время процесса лазерной сварки. Эти отверстия могут повлиять на качество сварки и прочность сварного шва. Эффект замочной скважины возникает в основном по следующим причинам:

1)Тепловое расширение материала: высокая плотность энергии лазерного луча быстро повышает температуру в зоне сварки, вызывая термическое расширение материала. Это приводит к возникновению напряжений и деформаций в зоне сварки. Когда тепловое расширение сварочного материала неравномерно, легко образовать отверстия.

2) Испарение внутренних газов: в сварочном материале присутствуют крошечные газы или примеси. Когда лазерный луч попадает на зону сварки, высокая температура приводит к быстрому испарению этих газов, образуя пузырьки или отверстия. Эти пузырьки могут препятствовать образованию сварочной ванны и заполнению расплавленного металла, тем самым влияя на качество сварки.

3) Химические реакции материала: при высоких температурах сварочный материал химически реагирует с кислородом, водяным паром и другими элементами, присутствующими в окружающей среде, образуя оксиды или другие соединения. Эти соединения снижают температуру плавления зоны сварки, повышают выделение газов в процессе сварки и в дальнейшем провоцируют эффект замочной скважины.

Когда давление паров металла, создаваемых лазерным лучом в микропорах, достигает равновесия с поверхностным натяжением и силой тяжести жидкого металла, микропоры больше не продолжают углубляться, образуя стабильную по глубине микропору. Это так называемый «эффект замочной скважины».

2. Формирование и развитие замочной скважины

В процессе сварки стенка замочной скважины всегда находится в состоянии сильных колебаний. Более тонкий слой расплавленного металла на передней стенке замочной скважины стекает вниз при колебании стенки. Любой выступ на передней стенке замочной скважины сильно испаряется из-за облучения лазерами высокой плотности. Образующийся пар выбрасывается назад, воздействуя на металл расплавленной ванны на заднюю стенку, вызывая колебания ванны расплава и влияя на переполнение пузырьков в ванне расплава во время процесса затвердевания.

Благодаря наличию микропор энергия лазерного луча проникает в материал, образуя глубокий и узкий сварной шов. На рисунке выше показана типичная морфология поперечного сечения лазерного сварного шва с глубоким проваром. Глубина сварного шва и глубина замочной скважины близки (точнее, металлографическое сравнение на 60-100 мкм глубже замочной скважины, отличаясь на слой жидкой фазы). Чем больше плотность энергии лазера, тем глубже замочная скважина и тем больше глубина сварного шва. При мощной лазерной сварке максимальное соотношение глубины и ширины сварного шва может достигать 12:1.

Нестабильность замочной скважины в процессе сварки вызвана главным образом испарением локального металла в передней стенке замочной скважины. Факторами, образующими пористость, являются:

1) Местное испарение вызывает проникновение защитного газа;

2) Выгорание легирующих элементов;

3) При лазерной сварке алюминия и его сплавов растворимость водорода в алюминии резко снижается в процессе охлаждения.

3.Анализ поглощения лазерной энергии в замочной скважине.

До образования небольшого отверстия и плазмы энергия лазера в основном передается внутрь заготовки за счет теплопроводности. Процесс сварки относится к кондуктивной сварке (глубина плавления 0.5 мм), а степень поглощения материала лазером составляет 25-45%, после образования замочной скважины энергия лазера в основном зависит от эффекта замочной скважины для непосредственно поглощаться внутренней частью заготовки. Процесс сварки становится сваркой с глубоким проплавлением (глубина плавления более 0.5 мм)., а скорость поглощения может достигать 60 ~ 90% и более.Эффект замочной скважины играет чрезвычайно важную роль в усилении поглощения лазеров в таких процессах обработки, как лазерная сварка, резка и штамповка. Лазерный луч, попадающий в замочную скважину, почти полностью поглощается за счет многократного отражения от стенки отверстия.

Принято считать, что механизм поглощения энергии лазера в замочной скважине включает два процесса: обратное тормозное поглощение и френелевское поглощение.

3.1 Поглощение Френеля

Френелевское поглощение — это механизм поглощения лазера стенкой замочной скважины, который описывает поведение поглощения лазера при многократных отражениях в замочной скважине. Когда лазер попадает в замочную скважину, на внутренней стенке замочной скважины происходит многократное отражение, и во время каждого процесса отражения часть энергии лазера поглощается стенкой замочной скважины.

На левом графике видно, что скорость поглощения стали для инфракрасных лазеров примерно в 2.5 раза выше, чем у магния, в 3.1 раза больше, чем у алюминия, и в 36 раз выше, чем у золота, серебра и меди. Для материалов с высокой отражающей способностью многократное отражение лазерного луча в небольшом отверстии является основным механизмом поглощения энергии в процессе лазерной сварки с глубоким плавлением.

Низкая скорость поглощения приводит к более низкой эффективности связи энергии при лазерной сварке материалов с высокой отражающей способностью (71% против 97%) и более высокой концентрации поглощения энергии на дне небольшого отверстия. В процессе лазерной сварки материалов с высокой отражающей способностью , Распределение энергии по глубине маленького отверстия несбалансировано, что ускоряет нестабильность маленького отверстия и приводит к пористости, неполному проплавлению и плохому внешнему виду.

3.2 Обратное поглощение ударной вязкости

Другой механизм поглощения малых дырок заключается в плазмонная обратная прочность, поглощение излученияФотоиндуцированная плазма не только существует над выходом маленького отверстия, но и заполняет маленькое отверстие. Лазер движется в плазме между двумя отражениями от стенки отверстия, часть его энергии поглощается плазмой, а поглощенная плазмой энергия передается стенке отверстия посредством конвекции и излучения.

Роль и соотношение двух механизмов поглощения энергии: Два механизма поглощения лазерной энергии внутри небольших отверстий по-разному влияют на формирование сварного шва.

•Большая часть энергии, поглощенной плазмой, выделяется в верхней части маленького отверстия, а меньшая — в нижней, что позволяет легко получить отверстие в форме «бокала», но не способствует увеличению глубины. дыры.

•Энергия, выделяемая в результате поглощения Френеля стенкой отверстия, относительно однородна в направлении глубины отверстия, что полезно для увеличения глубины отверстия и, в конечном итоге, для получения относительно глубокого и узкого сварного шва.

С точки зрения улучшения качества и эффективности сварки, если плазмой внутри небольшого отверстия можно управлять, чтобы повысить стабильность сварки, лазерная модуляция, регулируемый кольцевой режим и комбинированный источник тепла — все это потенциально эффективные технические решения.

4. Баланс давления внутри замочной скважины

Во время лазерной сварки глубоким плавлением материал резко испаряется, а давление расширения высокотемпературного пара отталкивает жидкий металл в сторону, образуя небольшое отверстие. Внутри небольшого отверстия, помимо давления пара материала и давления абляции (также известного как сила реакции испарения или давление отдачи), существуют также поверхностное натяжение, статическое давление жидкости, вызванное силой тяжести, и динамическое давление жидкости, создаваемое поток расплавленного материала. Среди этих давлений только давление пара помогает удерживать маленькое отверстие открытым, в то время как все остальные три силы пытаются закрыть маленькое отверстие. Чтобы сохранить стабильность небольшого отверстия во время процесса сварки, Давление пара должно быть достаточным для преодоления других сил сопротивления, чтобы достичь стабильного состояния и поддерживать долгосрочную стабильность замочной скважины. Для простоты обычно полагают, что силы, действующие на стенку замочной скважины, представляют собой главным образом давление абляции (давление отдачи паров металла) и поверхностное натяжение.

5. Нестабильность замочной скважины

При воздействии лазера на поверхность материала испаряется большое количество металла, давление отдачи прижимает расплавленную ванну вниз, образуя замочную скважину, а также плазму, которая увеличивает глубину плавления. В процессе движения, когда лазер ударяется о переднюю стенку замочной скважины, все места, где лазер контактирует с материалом, вызывают бурное испарение материала. При этом происходит потеря массы на стенке замочной скважины, а давление отдачи, образующееся при испарении, также прижимает жидкий металл вниз, заставляя внутреннюю стенку замочной скважины колебаться вниз, минуя дно замочной скважины и перемещаясь в сторону замочной скважины. ванночка расплава в задней части замочной скважины. Из-за колебательного движения ванны жидкого расплава от передней стенки к задней стенке внутренний объем замочной скважины постоянно меняется, и соответственно изменяется и внутреннее давление замочной скважины. Изменение давления приводит к изменению объема эффузивной плазмы. Изменение объема плазмы приводит к изменению экранирования, рефракции и поглощения лазерной энергии, что приводит к изменению энергии лазера, достигающей поверхности материала. Весь процесс динамичен и цикличен, что в конечном итоге приводит к зубчатой, волнообразной глубине плавления металла и отсутствию плавно равной глубины сварного шва.

Это подтверждают разрез центра сварного шва, полученный продольным разрезом по центру, параллельному сварному шву, а также диаграмма изменения глубины замочной скважины, измеренная в реальном времени с помощью IPG-LDD.

6.Периодические колебания замочной скважины

1. Лазер воздействует на переднюю стенку замочной скважины, вызывая сильное испарение передней стенки. Давление отдачи давит на переднюю стенку, сжимая жидкий металл, ускоряя его движение вниз. Движение жидкого металла вниз выдавливает пары металла и распыляет их из замочной скважины. Внезапно увеличившееся количество паров металла поглощает лазерную энергию и ионизирует, а также преломляет и поглощает лазерную энергию, что приводит к резкому уменьшению лазерной энергии, достигающей замочной скважины.

2. Резкое уменьшение энергии лазера, достигающего замочной скважины, приводит к уменьшению количества испарения металла внутри замочной скважины. Это приводит к уменьшению давления в замочной скважине, уменьшению количества паров металла, выходящих из верхнего отверстия замочной скважины, и уменьшению глубины плавления.

3. По мере уменьшения количества паров металла экранирование, преломление и поглощение лазерной энергии уменьшаются, в результате чего лазерная энергия, достигающая внутренней части замочной скважины, увеличивается, а глубина плавления увеличивается.

7. Замочная скважина подавляет направление волны

1) Поверхностное натяжение

Влияние: Поверхностное натяжение влияет на течение ванны расплава;

Ингибирование: Стабилизация процесса лазерной сварки предполагает поддержание градиентного распределения поверхностного натяжения в ванне расплава без чрезмерных колебаний. Поверхностное натяжение связано с распределением температуры, которое, в свою очередь, связано с источником тепла. Таким образом, комбинированные источники тепла и колебательная сварка являются потенциальными техническими подходами для стабилизации сварочного процесса.

2) Давление отдачи паров металла

Влияние: Давление отдачи паров металла напрямую влияет на образование замочных скважин и тесно связано с глубиной и объемом замочных скважин. Кроме того, поскольку пары металла — единственное вещество, движущееся вверх во время процесса сварки, они тесно связаны с возникновением разбрызгивания.

Ингибирование: Взаимосвязь между парами металла и объемом замочной скважины требует внимания к плазменному эффекту и размеру отверстия замочной скважины. Чем больше отверстие, тем больше замочная скважина, поэтому колебания небольшой расплавленной ванны на дне кажутся незначительными. Это оказывает меньшее влияние на общий объем замочной скважины и изменения внутреннего давления.Таким образом, лазер с регулируемым кольцевым режимом (пятна в форме кольца), комбинация лазерной дуги, частотная модуляция и т. д. — все это потенциальные направления для расширения.