เอฟเฟกต์รูกุญแจ

1.นิยามรูกุญแจ

คำจำกัดความของรูกุญแจ: เมื่อความเข้มของรังสีมากกว่า 10^6W/cm^2 เมื่อพื้นผิวของวัสดุละลายและระเหยภายใต้การกระทำของเลเซอร์ และเมื่อความเร็วในการระเหยมีขนาดใหญ่เพียงพอ ความดันหดตัวที่เกิดจากไอ ก็เพียงพอที่จะเอาชนะแรงตึงผิวของโลหะเหลวและแรงโน้มถ่วงของของเหลวได้ จึงผลักโลหะเหลวบางส่วนออกไป สิ่งนี้ทำให้บ่อหลอมเหลวในพื้นที่การยิงเลเซอร์ยุบตัว ก่อตัวเป็นหลุมเล็ก ๆ ลำแสงทำหน้าที่โดยตรงที่ด้านล่างของหลุมเล็ก ๆ ทำให้โลหะละลายและกลายเป็นไอมากขึ้น ไอแรงดันสูงยังคงบังคับให้โลหะเหลวที่ด้านล่างของหลุมถูกดันไปทางรอบๆ บ่อหลอมเหลว ซึ่งจะทำให้รูเล็กๆ ลึกลงไปอีก ขณะที่กระบวนการนี้ดำเนินไป ในที่สุดรูที่คล้ายกับรูกุญแจก็ก่อตัวขึ้นในโลหะเหลว

เอฟเฟกต์รูกุญแจเข้า การเชื่อมด้วยเลเซอร์ หมายถึงการก่อตัวของฟองอากาศหรือรูเล็กๆ เนื่องจากการขยายตัวทางความร้อนของวัสดุและการระเหยของก๊าซภายในในระหว่างกระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์ รูเหล่านี้อาจส่งผลต่อคุณภาพการเชื่อมและความแข็งแรงของรอยเชื่อม ผลกระทบของรูกุญแจเกิดขึ้นสาเหตุหลักมาจากสาเหตุดังต่อไปนี้:

1）การขยายตัวทางความร้อนของวัสดุ: ความหนาแน่นพลังงานสูงของลำแสงเลเซอร์ทำให้อุณหภูมิในบริเวณการเชื่อมเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ทำให้วัสดุขยายตัวเนื่องจากความร้อน สิ่งนี้นำไปสู่การสร้างความเครียดและการเสียรูปในบริเวณการเชื่อม เมื่อการขยายตัวทางความร้อนของวัสดุเชื่อมไม่สม่ำเสมอ ทำให้เกิดรูได้ง่าย

2）การระเหยของก๊าซภายใน: มีก๊าซหรือสิ่งเจือปนเล็กน้อยในวัสดุเชื่อม เมื่อลำแสงเลเซอร์ฉายไปที่บริเวณการเชื่อม อุณหภูมิสูงจะทำให้ก๊าซเหล่านี้ระเหยอย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดฟองหรือรู ฟองเหล่านี้สามารถขัดขวางการก่อตัวของสระเชื่อมและการเติมโลหะหลอมเหลว จึงส่งผลต่อคุณภาพของการเชื่อม

3）ปฏิกิริยาเคมีของวัสดุ: ภายใต้อุณหภูมิสูง วัสดุเชื่อมจะทำปฏิกิริยาทางเคมีกับออกซิเจน ไอน้ำ และองค์ประกอบอื่น ๆ ที่มีอยู่ในสภาพแวดล้อมโดยรอบ ทำให้เกิดออกไซด์หรือสารประกอบอื่น ๆ สารประกอบเหล่านี้จะลดจุดหลอมเหลวของพื้นที่เชื่อม เพิ่ม การปล่อยก๊าซในระหว่างกระบวนการเชื่อมและกระตุ้นให้เกิดผลกระทบจากรูกุญแจเพิ่มเติม

เมื่อความดันของไอโลหะที่เกิดจากลำแสงเลเซอร์ในไมโครพอร์ถึงสมดุลกับแรงตึงผิวและแรงโน้มถ่วงของโลหะเหลว ไมโครพอร์จะไม่ลึกอีกต่อไป กลายเป็นไมโครพอร์ที่มีความลึกซึ่งมีความเสถียร นี่คือสิ่งที่เรียกว่า "เอฟเฟกต์รูกุญแจ"

2. การก่อตัวและการพัฒนารูกุญแจ

ในระหว่างกระบวนการเชื่อม ผนังรูกุญแจจะอยู่ในสภาวะที่มีความผันผวนสูงอยู่เสมอ ชั้นโลหะหลอมเหลวที่บางกว่าบนผนังด้านหน้าของรูกุญแจจะไหลลงมาตามความผันผวนของผนัง ส่วนที่ยื่นออกมาบนผนังด้านหน้าของรูกุญแจจะระเหยออกไปอย่างรุนแรงเนื่องจากการฉายรังสีด้วยเลเซอร์ความหนาแน่นสูง ไอที่เกิดขึ้นจะถูกดีดออกไปทางด้านหลัง กระทบกับโลหะพูลที่หลอมละลายบนผนังด้านหลัง ทำให้สระหลอมเหลวสั่น และส่งผลกระทบต่อฟองสบู่ล้นในสระหลอมเหลวในระหว่างกระบวนการแข็งตัว

เนื่องจากมีรูขนาดเล็ก พลังงานลำแสงเลเซอร์จึงแทรกซึมเข้าไปในวัสดุ ทำให้เกิดรอยเชื่อมที่ลึกและแคบ ภาพด้านบนแสดงสัณฐานวิทยาหน้าตัดทั่วไปของการเชื่อมแบบเจาะลึกด้วยเลเซอร์ ความลึกของการเชื่อมและความลึกของรูกุญแจอยู่ใกล้กัน (ให้แม่นยำ การเปรียบเทียบทางโลหะวิทยาจะลึกกว่ารูกุญแจ 60-100um ต่างกันที่ ชั้นเฟสของเหลว) ยิ่งความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์มากเท่าไร รูกุญแจก็จะยิ่งลึกขึ้น และความลึกของการเชื่อมก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ในการเชื่อมด้วยเลเซอร์กำลังสูง อัตราส่วนความลึกต่อความกว้างสูงสุดของการเชื่อมสามารถสูงถึง 12:1

ความไม่แน่นอนของรูกุญแจในระหว่างกระบวนการเชื่อมส่วนใหญ่เกิดจากการระเหยของโลหะในท้องถิ่นที่ผนังด้านหน้าของรูกุญแจ ปัจจัยที่ทำให้เกิดความพรุนคือ:

1) การระเหยในท้องถิ่นทำให้เกิดการแทรกซึมของก๊าซป้องกัน

2) การเผาไหม้ของธาตุผสม

3) ในระหว่างการเชื่อมด้วยเลเซอร์ของอลูมิเนียมและโลหะผสม ความสามารถในการละลายของไฮโดรเจนในอลูมิเนียมจะลดลงอย่างมากในระหว่างกระบวนการทำความเย็น

3.การวิเคราะห์การดูดซับพลังงานเลเซอร์ในรูกุญแจ

ก่อนที่จะเกิดรูเล็กๆ และพลาสมา พลังงานของเลเซอร์จะถูกถ่ายโอนไปยังด้านในของชิ้นงานเป็นหลักโดยการนำความร้อน กระบวนการเชื่อมเป็นของการเชื่อมแบบการนำไฟฟ้า (ภายในความลึกของการหลอมละลาย 0.5 มม.) และอัตราการดูดซับของวัสดุไปยังเลเซอร์อยู่ระหว่าง 25-45%，เมื่อรูกุญแจถูกสร้างขึ้น พลังงานของเลเซอร์ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับผลกระทบของรูกุญแจ จะถูกดูดซับโดยตรงจากภายในชิ้นงาน กระบวนการเชื่อมกลายเป็นการเชื่อมแบบเจาะลึก (ความลึกของการหลอมละลายมากกว่า 0.5 มม.)และอัตราการดูดซึมสามารถเข้าถึง 60 ~ 90% หรือมากกว่าเอฟเฟกต์รูกุญแจมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่ง ในการเสริมสร้างการดูดซับของเลเซอร์ในกระบวนการแปรรูปเช่น การเชื่อมด้วยเลเซอร์การตัดและการเจาะ ลำแสงเลเซอร์ที่เข้าสู่รูกุญแจจะถูกดูดซับเกือบทั้งหมดผ่านการสะท้อนหลาย ๆ ครั้งจากผนังรูกุญแจ

เป็นที่เชื่อกันโดยทั่วไปว่ากลไกการดูดซับพลังงานของเลเซอร์ในรูกุญแจประกอบด้วยสองกระบวนการ: การดูดซับ bremsstrahlung แบบผกผันและการดูดซับ Fresnel

3.1 การดูดซับเฟรสเนล

การดูดซับเฟรสเนลเป็นกลไกการดูดซับของผนังรูกุญแจสำหรับเลเซอร์ ซึ่งอธิบายพฤติกรรมการดูดซับของเลเซอร์ภายใต้การสะท้อนหลายครั้งในรูกุญแจ เมื่อเลเซอร์เข้าไปในรูกุญแจ การสะท้อนหลายครั้งจะเกิดขึ้นบนผนังด้านในของรูกุญแจ และในระหว่างกระบวนการสะท้อนแต่ละครั้ง พลังงานเลเซอร์ส่วนหนึ่งจะถูกดูดซับโดยผนังรูกุญแจ

จากแผนภูมิด้านซ้าย จะเห็นได้ว่าอัตราการดูดซับของเหล็กสำหรับเลเซอร์อินฟราเรดมีค่าประมาณ 2.5 เท่าของแมกนีเซียม 3.1 เท่าของอลูมิเนียม และ 36 เท่าของทอง เงิน และทองแดง สำหรับวัสดุที่มีการสะท้อนแสงสูง การสะท้อนหลายเท่าของลำแสงเลเซอร์ในรูเล็กๆ ถือเป็นกลไกหลักในการดูดซับพลังงานในกระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์หลอมละลายระดับลึก

อัตราการดูดกลืนแสงต่ำทำให้ประสิทธิภาพการเชื่อมต่อพลังงานลดลงระหว่างการเชื่อมด้วยเลเซอร์ของวัสดุสะท้อนแสงสูง (71% VS 97%) และการดูดซับพลังงานที่มีความเข้มข้นสูงขึ้นที่ด้านล่างของรูเล็ก ๆ ในระหว่างกระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์ของวัสดุสะท้อนแสงสูง , การกระจายพลังงานตามทิศทางความลึกของรูเล็ก ๆ นั้นไม่สมดุล ซึ่งเร่งความไม่แน่นอนของรูเล็ก ๆ และนำไปสู่ความพรุน ฟิวชั่นที่ไม่สมบูรณ์ และรูปลักษณ์ที่ไม่ดี

3.2 การดูดซับความเหนียวแบบย้อนกลับ

อีกกลไกหนึ่งของการดูดซึมรูเล็ก ๆ คือการผ่าน การดูดซับรังสีความเหนียวผกผันของพลาสโมนิกพลาสมาที่เกิดจากภาพถ่ายไม่เพียงแต่อยู่เหนือทางออกของรูเล็กๆ เท่านั้น แต่ยังเติมเต็มรูเล็กๆ ด้วย เลเซอร์เดินทางในพลาสมาระหว่างการสะท้อนสองครั้งจากผนังหลุม พลังงานส่วนหนึ่งถูกพลาสมาดูดซับ และพลังงานที่พลาสมาดูดซับจะถูกส่งต่อไปยังผนังหลุมผ่านการพาความร้อนและการแผ่รังสี

บทบาทและสัดส่วนของกลไกการดูดซับพลังงานทั้งสอง: กลไกทั้งสองในการดูดซับพลังงานเลเซอร์ภายในรูเล็กๆ มีผลกระทบต่อการเกิดรอยเชื่อมที่แตกต่างกัน

•พลังงานส่วนใหญ่ที่ถูกดูดซับโดยพลาสมาจะถูกปล่อยออกมาที่ส่วนบนของรูเล็กๆ และจะถูกปล่อยออกมาที่ด้านล่างน้อยลง ซึ่งทำให้ง่ายต่อการได้รูรูปทรง "แก้วไวน์" แต่ไม่เอื้อต่อการขยายความลึก ของหลุม

•พลังงานที่ปล่อยออกมาจากการดูดกลืนเฟรสเนลของผนังรูจะค่อนข้างสม่ำเสมอในทิศทางของความลึกของรู ซึ่งเป็นประโยชน์ในการเพิ่มความลึกของรูและในที่สุดจะได้รอยเชื่อมที่ค่อนข้างลึกและแคบ

จากมุมมองของการปรับปรุงคุณภาพและประสิทธิภาพของการเชื่อม หากสามารถควบคุมพลาสมาภายในรูเล็กๆ ให้เป็นประโยชน์ต่อความเสถียรในการเชื่อมได้มากขึ้น การมอดูเลตด้วยเลเซอร์ โหมดวงแหวนที่ปรับได้ และแหล่งความร้อนผสม ล้วนเป็นโซลูชันทางเทคนิคที่มีประสิทธิภาพ

4. ความสมดุลของแรงดันภายในรูกุญแจ

ในระหว่างการเชื่อมฟิวชั่นด้วยเลเซอร์ลึก วัสดุจะระเหยอย่างรวดเร็ว และความดันการขยายตัวของไออุณหภูมิสูงจะดันโลหะเหลวออกไปด้านข้าง ทำให้เกิดรูเล็กๆ ภายในรูเล็ก ๆ นอกเหนือจากความดันไอของวัสดุและความดันการระเหย (หรือที่เรียกว่าแรงปฏิกิริยาการระเหยหรือความดันหดตัว) ยังมีแรงตึงผิวความดันคงที่ของของเหลวที่เกิดจากแรงโน้มถ่วงและความดันไดนามิกของของไหลที่เกิดจาก การไหลของวัสดุที่หลอมละลาย ท่ามกลางแรงกดดันเหล่านี้ เฉพาะความดันไอเท่านั้นที่ช่วยให้รูเล็ก ๆ เปิดอยู่ ในขณะที่แรงอีกสามแรงทั้งหมดพยายามทำให้รูเล็ก ๆ ปิด เพื่อรักษาเสถียรภาพของรูเล็ก ๆ ในระหว่างกระบวนการเชื่อม ความดันไอจะต้องเพียงพอที่จะเอาชนะแรงต้านทานอื่น ๆ เพื่อให้ได้สถานะที่มั่นคงและรักษาเสถียรภาพในระยะยาวของรูกุญแจ เพื่อความง่าย เชื่อกันโดยทั่วไปว่าแรงที่กระทำต่อผนังรูกุญแจส่วนใหญ่เป็นความดันการระเหย (ความดันการหดตัวของไอโลหะ) และแรงตึงผิว

5. ความไม่แน่นอนของรูกุญแจ

เมื่อเลเซอร์กระทำบนพื้นผิววัสดุ โลหะจำนวนมากจะระเหยออกไป ความดันหดตัวจะกดพูลที่หลอมละลายลงด้านล่าง ก่อตัวเป็นรูกุญแจ เช่นเดียวกับพลาสมา ซึ่งจะเพิ่มความลึกของการหลอมเหลว ในระหว่างกระบวนการเคลื่อนไหว เมื่อเลเซอร์ กระทบผนังด้านหน้าของรูกุญแจ ทุกตำแหน่งที่เลเซอร์สัมผัสกับวัสดุทำให้วัสดุระเหยอย่างรุนแรง ในเวลาเดียวกัน มีการสูญเสียมวลบนผนังรูกุญแจ และความดันหดตัวที่เกิดจากการระเหยยังกดโลหะเหลวลงด้านล่าง ทำให้ผนังด้านในของรูกุญแจผันผวนลงด้านล่าง โดยผ่านด้านล่างของรูกุญแจและเคลื่อนไปทาง สระหลอมเหลวที่ด้านหลังของรูกุญแจ เนื่องจากการเคลื่อนที่ที่ผันผวนของสระหลอมเหลวจากผนังด้านหน้าไปยังผนังด้านหลัง ปริมาตรภายในของรูกุญแจจึงเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา และความดันภายในของรูกุญแจก็เปลี่ยนแปลงตามไปด้วย ความดันที่เปลี่ยนแปลงนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงปริมาตรของพลาสมาที่พรั่งพรูออกมา การเปลี่ยนแปลงปริมาตรของพลาสมาทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในการป้องกัน การหักเห และการดูดซับพลังงานเลเซอร์ ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงพลังงานของเลเซอร์ที่ตกกระทบพื้นผิววัสดุ กระบวนการทั้งหมดเป็นแบบไดนามิกและเป็นวัฏจักร ท้ายที่สุดส่งผลให้โลหะมีความลึกของการหลอมโลหะเป็นรูปคลื่น และไม่มีรอยเชื่อมที่มีความลึกเท่ากันอย่างราบรื่น

มุมมองแบบตัดขวางของศูนย์กลางรอยเชื่อมที่ได้จากการตัดตามยาวตามแนวกึ่งกลางขนานกับรอยเชื่อม รวมถึงแผนภูมิการเปลี่ยนแปลงความลึกของรูกุญแจที่วัดแบบเรียลไทม์โดย IPG-LDD ยืนยันสิ่งนี้

6.รูกุญแจมีความผันผวนเป็นระยะๆ

1. เลเซอร์ทำหน้าที่บนผนังด้านหน้าของรูกุญแจ ทำให้เกิดการระเหยของผนังด้านหน้าอย่างรุนแรง แรงกดถอยกลับกดลงบนผนังด้านหน้า บีบโลหะเหลวเพื่อเร่งการเคลื่อนที่ลง การเคลื่อนตัวลงของโลหะเหลวจะบีบไอของโลหะให้พ่นออกมาจากช่องรูกุญแจ ไอโลหะที่เพิ่มขึ้นอย่างกะทันหันจะดูดซับพลังงานเลเซอร์และแตกตัวเป็นไอออน ในขณะเดียวกันก็หักเหและดูดซับพลังงานเลเซอร์ด้วย ส่งผลให้พลังงานเลเซอร์ที่ไปถึงรูกุญแจลดลงอย่างรวดเร็ว

2. การลดลงอย่างรวดเร็วของพลังงานเลเซอร์ที่ไปถึงรูกุญแจส่งผลให้ปริมาณการระเหยของโลหะภายในรูกุญแจลดลง สิ่งนี้ทำให้ความดันรูกุญแจลดลง ปริมาณไอโลหะที่หนีออกจากช่องเปิดด้านบนของรูกุญแจลดลง และความลึกของการหลอมลดลง

3. เมื่อปริมาณไอของโลหะลดลง การป้องกัน การหักเห และการดูดกลืนพลังงานเลเซอร์จะลดลง ส่งผลให้พลังงานเลเซอร์ที่เข้าสู่ด้านในรูกุญแจเพิ่มขึ้น และความลึกของการหลอมเหลวเพิ่มขึ้น

7.Keyhole ระงับทิศทางคลื่น

1) แรงตึงผิว

อิทธิพล: แรงตึงผิวส่งผลต่อการไหลของสระหลอมเหลว

การยับยั้ง:การทำให้กระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์มีความเสถียรนั้นเกี่ยวข้องกับการรักษาการกระจายความลาดชันของแรงตึงผิวในสระหลอมเหลวโดยไม่มีความผันผวนมากเกินไป แรงตึงผิวสัมพันธ์กับการกระจายตัวของอุณหภูมิ ซึ่งสัมพันธ์กับแหล่งความร้อนตามลำดับ ดังนั้นแหล่งความร้อนคอมโพสิตและการเชื่อมแบบสั่นจึงเป็นแนวทางทางเทคนิคที่มีศักยภาพในการรักษาเสถียรภาพของกระบวนการเชื่อม

2) แรงดันหดตัวของไอโลหะ

อิทธิพล:ความดันหดตัวของไอโลหะส่งผลโดยตรงต่อการก่อตัวของรูกุญแจ และมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับความลึกและปริมาตรของรูกุญแจ นอกจากนี้ เนื่องจากไอของโลหะเป็นสารเดียวที่เคลื่อนที่ขึ้นไปในระหว่างกระบวนการเชื่อม จึงมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับการเกิดการกระเด็น

การยับยั้ง:ความสัมพันธ์ระหว่างไอของโลหะกับปริมาตรของรูกุญแจต้องให้ความสนใจกับผลกระทบของพลาสมาและขนาดของช่องเปิดของรูกุญแจ ยิ่งช่องเปิดใหญ่ รูกุญแจก็จะใหญ่ขึ้น ส่งผลให้ความผันผวนในสระหลอมเหลวขนาดเล็กที่ด้านล่างดูเหมือนไม่มีนัยสำคัญ ซึ่งมีผลกระทบน้อยกว่าต่อปริมาตรรูกุญแจโดยรวมและการเปลี่ยนแปลงแรงดันภายในดังนั้น เลเซอร์โหมดวงแหวนแบบปรับได้ (จุดรูปวงแหวน) การรวมกันของส่วนโค้งของเลเซอร์ การปรับความถี่ ฯลฯ ล้วนเป็นทิศทางที่เป็นไปได้สำหรับการขยายตัว