Anahtar Deliği Etkisi

1.anahtar deliği tanımı

Anahtar deliği tanımı: Radyasyon yoğunluğu 10^6W/cm^2'den büyük olduğunda, Bir malzemenin yüzeyi lazer etkisi altında eriyip buharlaştığında ve buharlaşma hızı yeterince büyük olduğunda, buharın oluşturduğu geri tepme basıncı. sıvı metalin yüzey gerilimini ve sıvının yerçekimini yenmek için yeterlidir, böylece sıvı metalin bir kısmını kenara iter. Bu, lazer eylem alanındaki eriyik havuzunun çökerek küçük bir çukur oluşturmasına neden olur. Işın doğrudan küçük çukurun tabanına etki ederek metalin daha da erimesine ve buharlaşmasına neden olur. Yüksek basınçlı buhar, çukurun dibindeki sıvı metali eriyik havuzunun çevresine doğru itmeye zorlayarak küçük deliği daha da derinleştirir. Bu süreç devam ettikçe, sonunda sıvı metalde anahtar deliğine benzer bir delik oluşur.

Anahtar deliği etkisi Lazer kaynak Lazer kaynak işlemi sırasında malzemenin termal genleşmesi ve iç gazların buharlaşması nedeniyle küçük kabarcıklar veya deliklerin oluşmasını ifade eder. Bu delikler kaynak kalitesini ve kaynak dikişinin gücünü etkileyebilir. Anahtar deliği etkisi esas olarak aşağıdaki nedenlerden dolayı ortaya çıkar:

1）Malzemenin termal genleşmesi: Lazer ışınının yüksek enerji yoğunluğu, kaynak alanındaki sıcaklığı hızla yükselterek malzemenin termal olarak genleşmesine neden olur. Bu durum kaynak bölgesinde gerilim ve deformasyon oluşmasına neden olur. Kaynak malzemesinin termal genleşmesi eşit olmadığında delik oluşturmak kolaydır.

2）İç gazların buharlaşması: Kaynak malzemesinde çok küçük gazlar veya yabancı maddeler vardır. Lazer ışını kaynak alanına tutulduğunda, yüksek sıcaklık bu gazların hızla buharlaşmasına, kabarcık veya delik oluşmasına neden olur. Bu kabarcıklar kaynak havuzunun oluşumunu ve erimiş metalin dolmasını engelleyerek kaynak kalitesini etkileyebilir.

3）Malzemenin kimyasal reaksiyonları: Yüksek sıcaklıklar altında, kaynak malzemesi oksijen, su buharı ve çevredeki ortamda bulunan diğer elementlerle kimyasal olarak reaksiyona girerek oksitler veya diğer bileşikler üretir. Bu bileşikler kaynak alanının erime noktasını düşürür, artırır. kaynak işlemi sırasında gazların salınması anahtar deliği etkisini daha da tetikler.

Lazer ışınının mikro gözeneklerde oluşturduğu metal buharının basıncı, sıvı metalin yüzey gerilimi ve yerçekimi ile dengeye ulaştığında, mikro gözenekler artık derinleşmeye devam etmez ve derinliği stabil bir mikro gözenek oluşturur. Buna "anahtar deliği etkisi" denir.

2.Anahtar deliği oluşumu ve gelişimi

Kaynak işlemi sırasında anahtar deliği duvarı her zaman yüksek dalgalanma halindedir. Anahtar deliğinin ön duvarındaki daha ince erimiş metal tabakası, duvarın dalgalanmasıyla aşağı doğru akar. Anahtar deliğinin ön duvarındaki herhangi bir çıkıntı, yüksek güçlü yoğunluklu lazerlerin ışınlaması nedeniyle güçlü bir şekilde buharlaşacaktır. Üretilen buhar geriye doğru püskürtülerek arka duvardaki erimiş havuz metaline çarparak erimiş havuzun salınmasına neden olur ve katılaşma süreci sırasında erimiş havuzdaki kabarcıkların taşmasını etkiler.

Mikro gözeneklerin varlığı nedeniyle lazer ışınının enerjisi malzemeye nüfuz ederek bu derin ve dar kaynak dikişini oluşturur. Yukarıdaki resim bir lazer derin nüfuziyetli kaynağın tipik kesit morfolojisini göstermektedir. Kaynağın derinliği ile anahtar deliğinin derinliği birbirine yakındır (kesin olarak söylemek gerekirse, metalografik karşılaştırma anahtar deliğinden 60-100um daha derindir, aralarında bir fark vardır). sıvı faz tabakası). Lazer enerjisi yoğunluğu ne kadar büyük olursa, anahtar deliği o kadar derin ve kaynağın derinliği de o kadar büyük olur. Yüksek güçlü lazer kaynağında kaynağın en yüksek derinlik-genişlik oranı 12:1'e ulaşabilir.

Kaynak işlemi sırasında anahtar deliğinin dengesizliği esas olarak anahtar deliği ön duvarındaki yerel metalin buharlaşmasından kaynaklanır. Gözenekliliği oluşturan faktörler şunlardır:

1) Yerel buharlaşma koruyucu gazın sızmasına neden olur;

2) Alaşım elementlerinin yanması;

3) Alüminyum ve alaşımlarının lazer kaynağı sırasında, soğutma işlemi sırasında hidrojenin alüminyumdaki çözünürlüğü büyük ölçüde azalır.

3. Anahtar deliğinde lazer enerjisi emiliminin analizi

Küçük delik ve plazma oluşmadan önce, lazerin enerjisi esas olarak ısı iletimi yoluyla iş parçasının iç kısmına aktarılır. Kaynak işlemi iletim kaynağına aittir (0.5 mm erime derinliği dahilinde) ve malzemenin lazer tarafından emilme oranı %25-45 arasındadır, anahtar deliği oluşturulduktan sonra lazerin enerjisi esas olarak anahtar deliği etkisine dayanır. doğrudan iş parçasının iç kısmı tarafından emilir. Kaynak işlemi derin nüfuzlu kaynağa dönüşür (0.5 mm'den fazla erime derinliği)ve emilim oranı %60~90 veya daha fazlasına ulaşabilir.Anahtar deliği etkisi son derece önemli bir rol oynar İşleme süreçlerinde lazerlerin emiliminin güçlendirilmesinde Lazer kaynak, kesme ve delme. Anahtar deliğine giren lazer ışını, delik duvarından gelen çoklu yansımalar nedeniyle neredeyse tamamen emilir.

Genel olarak anahtar deliğindeki lazerin enerji soğurma mekanizmasının iki süreç içerdiğine inanılmaktadır: ters Bremsstrahlung soğurulması ve Fresnel soğurulması.

3.1 Fresnel emilimi

Fresnel soğurma, lazer için anahtar deliği duvarının soğurma mekanizmasıdır ve anahtar deliğindeki çoklu yansımalar altında lazerin soğurma davranışını tanımlar. Lazer anahtar deliğine girdiğinde anahtar deliğinin iç duvarında birden fazla yansıma meydana gelir ve her yansıma işlemi sırasında lazer enerjisinin bir kısmı anahtar deliği duvarı tarafından emilir.

Soldaki grafikten çeliğin kızılötesi lazerler için soğurma oranının magnezyumun yaklaşık 2.5 katı, alüminyumun 3.1 katı ve altın, gümüş ve bakırın 36 katı olduğu görülebilir. Yüksek yansıtıcılığa sahip malzemeler için, lazer ışınının küçük delikteki çoklu yansıması, derin erime lazer kaynak işleminde enerjinin emilmesine yönelik ana mekanizmadır.

Düşük soğurma oranı, yüksek yansıtıcı malzemelerin lazer kaynağı sırasında (%71 VS %97) daha düşük enerji birleştirme verimliliğine ve küçük deliğin tabanında daha yüksek enerji emilimi konsantrasyonuna yol açar. Yüksek yansıtıcı malzemelerin lazer kaynak işlemi sırasında , küçük deliğin derinlik yönü boyunca enerji dağılımı dengesizdir, bu da küçük deliğin kararsızlığını hızlandırır ve gözenekliliğe, eksik füzyona ve kötü görünüme yol açar.

3.2 Ters tokluk emilimi

Küçük delik emiliminin bir başka mekanizması da plazmonik ters tokluk radyasyon emilimi.Fotoğrafın indüklediği plazma sadece küçük delik çıkışının üzerinde mevcut olmakla kalmaz, aynı zamanda küçük deliği de doldurur. Lazer, delik duvarından iki yansıma arasında plazmada hareket eder, enerjisinin bir kısmı plazma tarafından emilir ve plazma tarafından emilen enerji, konveksiyon ve radyasyon yoluyla delik duvarına aktarılır.

İki enerji emilim mekanizmasının rolü ve oranı: Küçük deliklerdeki lazer enerjisini absorbe eden iki mekanizmanın kaynak dikişi oluşumu üzerinde farklı etkileri vardır.

•Plazma tarafından emilen enerjinin çoğu küçük deliğin üst kısmında salınır ve alt kısmında daha azı salınır; bu da "şarap kadehi" şeklinde bir delik elde etmeyi kolaylaştırır, ancak derinliğin uzatılmasına yardımcı olmaz deliğin.

•Delik duvarının Fresnel absorpsiyonu tarafından açığa çıkan enerji, delik derinliği yönünde nispeten tekdüzedir; bu, deliğin derinliğini arttırmak ve sonuçta nispeten derin ve dar bir kaynak dikişi elde etmek için faydalıdır.

Kaynak kalitesi ve verimliliğinin artırılması açısından bakıldığında, eğer küçük deliğin içindeki plazma kaynak stabilitesine daha faydalı olacak şekilde kontrol edilebilirse, lazer modülasyonu, ayarlanabilir dairesel mod ve bileşik ısı kaynağının tümü potansiyel olarak etkili teknik çözümlerdir.

4. Anahtar deliği içindeki basınç dengesi

Lazer derin füzyon kaynağı sırasında malzeme önemli ölçüde buharlaşır ve yüksek sıcaklıktaki buharın genleşme basıncı sıvı metali kenara iterek küçük bir delik oluşturur. Küçük deliğin içinde, malzemenin buhar basıncına ve ablasyon basıncına (buharlaşma reaksiyon kuvveti veya geri tepme basıncı olarak da bilinir) ek olarak, yüzey gerilimi, yerçekiminin neden olduğu sıvı statik basıncı ve akışkan dinamik basıncı da vardır. erimiş malzemenin akışı. Bu basınçlardan yalnızca buhar basıncı küçük deliğin açık kalmasına yardımcı olurken diğer üç kuvvetin tümü küçük deliği kapatmaya çalışır. Kaynak işlemi sırasında küçük deliğin stabilitesini korumak için, kararlı bir duruma ulaşmak ve anahtar deliğinin uzun vadeli stabilitesini korumak için buhar basıncı diğer direnç kuvvetlerinin üstesinden gelmeye yeterli olmalıdır. Basitlik açısından, genellikle anahtar deliği duvarına etki eden kuvvetlerin esas olarak aşındırma basıncı (metal buhar geri tepme basıncı) ve yüzey gerilimi olduğuna inanılmaktadır.

5. Anahtar deliği istikrarsızlığı

Lazer malzeme yüzeyine etki ettiğinde büyük miktarda metal buharlaşır, geri tepme basıncı erimiş havuzu aşağıya doğru bastırarak bir anahtar deliği ve ayrıca erime derinliğini artıran plazma oluşturur. Hareket işlemi sırasında lazer anahtar deliğinin ön duvarına çarptığında, lazerin malzemeyle temas ettiği tüm konumlar malzemenin şiddetli bir şekilde buharlaşmasına neden olur. Aynı zamanda anahtar deliği duvarında kütle kaybı olur ve buharlaşmanın oluşturduğu geri tepme basıncı da sıvı metali aşağı doğru bastırarak anahtar deliği iç duvarının aşağı doğru dalgalanmasına, anahtar deliğinin tabanını bypass ederek anahtar deliğinin tabanına doğru hareket etmesine neden olur. Anahtar deliğinin arkasındaki erimiş havuz. Sıvı erimiş havuzun ön duvardan arka duvara doğru dalgalanan hareketi nedeniyle, anahtar deliğinin iç hacmi sürekli değişmektedir ve anahtar deliğinin iç basıncı da buna göre değişmektedir. Değişen basınç, efüzyonlu plazmanın hacminin değişmesine yol açar. Plazmanın hacmindeki değişiklik, lazer enerjisinin korunmasında, kırılmasında ve emilmesinde değişikliklere yol açarak, malzeme yüzeyine ulaşan lazerin enerjisinde değişikliklere neden olur. Tüm süreç dinamik ve döngüseldir; sonuçta tırtıklı, dalga şeklinde bir metal erime derinliği elde edilir ve düzgün bir şekilde eşit derinlikte kaynak dikişi olmaz.

Kaynak dikişine paralel merkez boyunca uzunlamasına kesilerek elde edilen kaynak dikişi merkezinin kesit görünümü ve IPG-LDD tarafından gerçek zamanlı olarak ölçülen anahtar deliği derinliği değişim tablosu bunu doğrulamaktadır.

6. Anahtar deliği periyodik dalgalanmaları

1. Lazer anahtar deliğinin ön duvarına etki ederek ön duvarın şiddetli buharlaşmasına neden olur. Geri tepme basıncı ön duvara baskı yaparak sıvı metali sıkıştırarak aşağı doğru hareketini hızlandırır. Sıvı metalin aşağı doğru hareketi, metal buharını anahtar deliği açıklığından dışarı püskürtecek şekilde sıkıştırır. Aniden artan metal buharı, lazer enerjisini emip iyonize olurken aynı zamanda lazer enerjisini kırıp emerek anahtar deliğine ulaşan lazer enerjisinde keskin bir azalmaya neden olur.

2. Anahtar deliğine ulaşan lazer enerjisinin keskin bir şekilde azalması, anahtar deliği içindeki metal buharlaşma miktarının azalmasına neden olur. Bu, anahtar deliği basıncının azalmasına, anahtar deliğinin üst açıklığından kaçan metal buharı miktarının azalmasına ve erime derinliğinin azalmasına neden olur.

3. Metal buharı miktarı azaldıkça, lazer enerjisinin perdelenmesi, kırılması ve soğurulması azalır, bu da anahtar deliğinin içine ulaşan lazer enerjisinin artmasına ve erime derinliğinin artmasına neden olur.

7.Anahtar deliği dalga yönünü bastırır

1） Yüzey gerilimi

Etkisi: Yüzey gerilimi erimiş havuzun akışını etkiler;

İnhibisyon: Lazer kaynak işleminin stabilizasyonu, erimiş havuzdaki yüzey geriliminin gradyan dağılımının aşırı dalgalanmalar olmadan korunmasını içerir. Yüzey gerilimi sıcaklık dağılımıyla, sıcaklık dağılımı da ısı kaynağıyla ilgilidir. Bu nedenle kompozit ısı kaynakları ve salınımlı kaynak, kaynak prosesinin stabilizasyonu için potansiyel teknik yaklaşımlardır.

2）Metal buhar geri tepme basıncı

Etkisi: Metal buharının geri tepme basıncı, anahtar deliklerinin oluşumunu doğrudan etkiler ve anahtar deliklerinin derinliği ve hacmiyle yakından ilişkilidir. Ayrıca kaynak işlemi sırasında yukarıya doğru hareket eden tek madde metal buharı olduğundan sıçramanın oluşmasıyla yakından ilişkilidir.

Engelleme: Metal buharı ile anahtar deliği hacmi arasındaki ilişki, plazma etkisine ve anahtar deliği açıklığının boyutuna dikkat edilmesini gerektirir. Açıklık ne kadar büyük olursa, anahtar deliği de o kadar büyük olur ve alttaki küçük erimiş havuzdaki dalgalanmaların önemsiz görünmesine neden olur. Bunun genel anahtar deliği hacmi ve iç basınç değişiklikleri üzerinde daha küçük bir etkisi vardır.Bu nedenle, ayarlanabilir halka modlu lazer (halka şeklinde noktalar), lazer ark kombinasyonu, frekans modülasyonu vb. genişlemenin potansiyel yönleridir.