Ефект замкової щілини Україна

1. визначення замкової щілини

Визначення замкової щілини: коли інтенсивність випромінювання перевищує 10^6 Вт/см^2, коли поверхня матеріалу плавиться і випаровується під дією лазера, і коли швидкість випаровування є достатньо великою, тиск віддачі, створюваний парою достатньо, щоб подолати поверхневий натяг рідкого металу та силу тяжіння рідини, таким чином відштовхуючи частину рідкого металу. Це призводить до того, що купа розплаву в зоні дії лазера заглиблюється, утворюючи невелику ямку. Промінь діє безпосередньо на дно невеликої ями, спричиняючи подальше плавлення та випаровування металу. Пари під високим тиском продовжують виштовхувати рідкий метал на дні котловану до оточення басейну розплаву, таким чином ще більше поглиблюючи невеликий отвір. Оскільки цей процес триває, у рідкому металі нарешті утворюється отвір, схожий на замкову щілину.

Ефект замкової щілини в зварювання лазером означає утворення крихітних бульбашок або отворів внаслідок теплового розширення матеріалу та випаровування внутрішніх газів під час процесу лазерного зварювання. Ці отвори можуть впливати на якість зварювання та міцність зварювального шва. Ефект замкової щілини виникає в основному через такі причини:

1）Теплове розширення матеріалу: висока щільність енергії лазерного променя швидко підвищує температуру в зоні зварювання, спричиняючи термічне розширення матеріалу. Це призводить до виникнення напруги та деформації в зоні зварювання. Коли теплове розширення зварювального матеріалу нерівномірне, легко сформувати отвори.

2）Випаровування внутрішніх газів: у зварювальному матеріалі є дрібні гази або домішки. Коли лазерний промінь потрапляє на зону зварювання, висока температура викликає швидке випаровування цих газів, утворюючи бульбашки або отвори. Ці бульбашки можуть перешкоджати формуванню зварювальної ванни та заповненню розплавленим металом, тим самим впливаючи на якість зварювання.

3）Хімічні реакції матеріалу: під високими температурами зварювальний матеріал хімічно реагує з киснем, водяною парою та іншими елементами, присутніми в навколишньому середовищі, утворюючи оксиди або інші сполуки. Ці сполуки знижують температуру плавлення зварювальної зони, збільшують виділення газів під час процесу зварювання, і в подальшому провокують ефект замкової щілини.

Коли тиск пари металу, створюваний лазерним променем у мікропорах, досягає рівноваги з поверхневим натягом і силою тяжіння рідкого металу, мікропори більше не продовжують поглиблюватися, утворюючи стабільну глибину мікропору. Це те, що називають «ефектом замкової щілини».

2. Формування та розвиток замкової щілини

Під час процесу зварювання стінка замкової щілини завжди знаходиться в стані сильного коливання. Більш тонкий шар розплавленого металу на передній стінці замкової щілини стікає вниз разом із коливанням стінки. Будь-який виступ на передній стінці замкової щілини буде сильно випаровуватися через опромінення потужними лазерами щільності. Утворена пара викидається назад, впливаючи на розплавлений метал басейну на задню стінку, викликаючи коливання розплавленого басейну та впливаючи на переповнення бульбашок у розплавленому басейні під час процесу затвердіння.

Завдяки наявності мікропор енергія лазерного променя проникає в матеріал, утворюючи цей глибокий і вузький зварний шов. На зображенні вище показано типову морфологію поперечного перерізу зварного шва глибокого провару лазером. Глибина зварного шва та глибина замкової щілини близькі (якщо бути точним, металографічне порівняння на 60-100 мкм глибше, ніж замкова щілина, відрізняючись на шар рідкої фази). Чим більша щільність енергії лазера, тим глибше замкова щілина і більше глибина зварного шва. При високопотужному лазерному зварюванні найвище співвідношення глибини до ширини шва може досягати 12:1.

Нестабільність замкової щілини під час процесу зварювання в основному викликана випаровуванням локального металу в передній стінці замкової щілини. Факторами формування пористості є:

1) Місцеве випаровування викликає проникнення захисного газу;

2) Вигорання легуючих елементів;

3) При лазерному зварюванні алюмінію та його сплавів розчинність водню в алюмінії різко знижується в процесі охолодження.

3.Аналіз поглинання енергії лазера в замковій щілині

Перед утворенням маленького отвору та плазми енергія лазера в основному передається всередину заготовки через теплопровідність. Процес зварювання належить до кондуктивного зварювання (в межах глибини плавлення 0.5 мм), а ступінь поглинання матеріалу лазером становить 25-45%, коли утворюється замкова щілина, енергія лазера в основному залежить від ефекту замкової щілини. бути безпосередньо поглиненим внутрішньою частиною заготовки. Процес зварювання стає зварюванням глибоким проплавленням (глибина плавлення більше 0.5 мм), і швидкість поглинання може досягати 60~90% або більше.Ефект замкової щілини відіграє надзвичайно важливу роль у посиленні поглинання лазерів у процесах обробки, таких як зварювання лазером, різання та штампування. Лазерний промінь, що потрапляє в замкову щілину, майже повністю поглинається через численні відбиття від стінки отвору.

Загальноприйнято вважати, що механізм поглинання енергії лазера в замковій щілині включає два процеси: зворотне поглинання гальмівного випромінювання та поглинання Френеля.

3.1 Поглинання Френеля

Поглинання Френеля — це механізм поглинання стінкою замкової щілини для лазера, який описує поведінку лазера при багаторазовому відображенні в замковій щілині. Коли лазер потрапляє в замкову щілину, на внутрішній стінці замкової щілини виникають численні відбиття, і під час кожного процесу відбиття частина енергії лазера поглинається стінкою замкової щілини.

На діаграмі ліворуч видно, що коефіцієнт поглинання сталі для інфрачервоних лазерів приблизно в 2.5 рази більший, ніж магнію, у 3.1 разів — алюмінію та в 36 разів — золота, срібла та міді. Для матеріалів з високою відбивною здатністю багаторазове відображення лазерного променя в маленькому отворі є основним механізмом поглинання енергії в процесі лазерного зварювання глибоким плавленням.

Низька швидкість поглинання призводить до нижчої ефективності зв'язку енергії під час лазерного зварювання матеріалів з високим відбивним ефектом (71% проти 97%) і вищої концентрації поглинання енергії в нижній частині невеликого отвору. Під час процесу лазерного зварювання матеріалів з високим відбиванням , розподіл енергії вздовж напрямку глибини маленького отвору є незбалансованим, що прискорює нестабільність маленького отвору та призводить до пористості, неповного злиття та поганого вигляду.

3.2 Зворотне поглинання в'язкості

Інший механізм поглинання дрібних дірок — наскрізний плазмонна зворотна в'язкість поглинання випромінювання.Фотоіндукована плазма не тільки існує над виходом з маленького отвору, але й заповнює малий отвір. Лазер рухається в плазмі між двома відбиттями від стінки отвору, частина його енергії поглинається плазмою, а поглинена плазмою енергія передається до стінки отвору через конвекцію та випромінювання.

Роль і співвідношення двох механізмів поглинання енергії: два механізми поглинання лазерної енергії в малих отворах по-різному впливають на формування зварного шва.

• Більша частина енергії, поглиненої плазмою, виділяється у верхній частині маленького отвору, а менша – у нижній частині, що дозволяє легко отримати отвір у формі «фужера», але не сприяє збільшенню глибини отвору.

• Енергія, вивільнена за допомогою поглинання Френеля стінкою отвору, є відносно рівномірною в напрямку глибини отвору, що є корисним для збільшення глибини отвору та отримання відносно глибокого та вузького зварного шва.

З точки зору підвищення якості та ефективності зварювання, якщо плазму всередині маленького отвору можна контролювати, щоб вона була більш сприятливою для стабільності зварювання, лазерна модуляція, регульований кільцевий режим і складене джерело тепла є потенційно ефективними технічними рішеннями.

4. Баланс тиску в замковій щілині

Під час лазерного зварювання методом глибокого розплавлення матеріал різко випаровується, а тиск розширення високотемпературної пари відштовхує рідкий метал убік, утворюючи невеликий отвір. Усередині маленького отвору, крім тиску пари матеріалу та тиску абляції (також відомого як сила реакції випаровування або тиск віддачі), також існує поверхневий натяг, статичний тиск рідини, спричинений силою тяжіння, та динамічний тиск рідини, створюваний потік розплавленого матеріалу. Серед цих тисків лише тиск пари допомагає утримувати маленький отвір відкритим, тоді як інші три сили намагаються закрити малий отвір. Щоб підтримувати стабільність маленького отвору під час процесу зварювання, тиск пари має бути достатнім для подолання інших сил опору, щоб досягти стабільного стану та підтримувати довготривалу стабільність замкової щілини. Для простоти зазвичай вважається, що сили, що діють на стінку замкової щілини, - це головним чином тиск абляції (тиск віддачі пари металу) і поверхневий натяг.

5. Нестабільність замкової щілини

Коли лазер діє на поверхню матеріалу, велика кількість металу випаровується, тиск віддачі пригнічує розплавлену ванну вниз, утворюючи замкову щілину, а також плазму, що збільшує глибину плавлення. Під час процесу руху, коли лазер торкається передньої стінки замкової щілини, у всіх місцях, де лазер контактує з матеріалом, матеріал різко випаровується. У той же час відбувається втрата маси на стінці замкової щілини, а тиск віддачі, утворений випаровуванням, також притискає рідкий метал донизу, змушуючи внутрішню стінку замкової щілини коливатися вниз, минаючи дно замкової щілини та рухаючись до басейн розплавленої рідини в задній частині замкової щілини. Через коливання рідини з розплавленої ванни від передньої стінки до задньої стінки внутрішній об’єм замкової щілини постійно змінюється, а внутрішній тиск у замковій щілині також змінюється відповідно. Зміна тиску призводить до зміни об’єму ефузивної плазми. Зміна об’єму плазми призводить до змін екранування, заломлення та поглинання лазерної енергії, викликаючи зміни в енергії лазера, що досягає поверхні матеріалу. Весь процес є динамічним і циклічним, що в кінцевому підсумку призводить до зубчастої, хвилеподібної глибини плавлення металу, і немає гладко рівної глибини зварного шва.

Це підтверджує вид в розрізі центру зварного шва, отриманий шляхом поздовжнього розрізу вздовж центру, паралельного зварному шву, а також діаграма зміни глибини шпарини, виміряна в режимі реального часу за допомогою IPG-LDD.

6. Періодичні флуктуації замкової щілини

1. Лазер діє на передню стінку замкової щілини, викликаючи сильне випаровування передньої стінки. Тиск віддачі тисне на передню стінку, стискаючи рідкий метал, щоб прискорити його рух вниз. Рух рідкого металу вниз стискає пари металу, щоб розбризкуватися з отвору замкової щілини. Пара металу, яка раптово зросла, поглинає енергію лазера та іонізує, а також заломлює та поглинає енергію лазера, що призводить до різкого зменшення енергії лазера, що досягає замкової щілини.

2. Різке зменшення енергії лазера, що досягає замкової щілини, призводить до зменшення кількості випаровування металу всередині замкової щілини. Це призводить до зниження тиску в замковій щілині, зменшується кількість металевої пари, що виходить із верхнього отвору замкової щілини, і зменшується глибина плавлення.

3. Коли кількість металевої пари зменшується, екранування, заломлення та поглинання лазерної енергії зменшуються, внаслідок чого лазерна енергія, що досягає внутрішньої сторони замкової щілини, збільшується, а глибина плавлення збільшується.

7.Keyhole пригнічує напрямок хвилі

1) Поверхневий натяг

Вплив: поверхневий натяг впливає на потік розплавленої ванни;

Інгібування: стабілізація процесу лазерного зварювання передбачає підтримку градієнта розподілу поверхневого натягу в розплавленій ванні без надмірних коливань. Поверхневий натяг пов’язаний з розподілом температури, який, у свою чергу, пов’язаний з джерелом тепла. Таким чином, композиційні джерела тепла та коливальне зварювання є потенційними технічними підходами для стабілізації процесу зварювання.

2) Тиск віддачі пари металу

Вплив: Тиск віддачі металевої пари безпосередньо впливає на формування замкових щілин і тісно пов’язаний із глибиною та об’ємом замкових щілин. Крім того, оскільки пари металу є єдиною речовиною, яка рухається вгору під час процесу зварювання, це тісно пов’язане з виникненням бризок.

Інгібування: Співвідношення між парами металу та об’ємом замкової щілини вимагає уваги до ефекту плазми та розміру отвору замкової щілини. Чим більший отвір, тим більша замкова щілина, через що коливання в невеликій лужці розплаву на дні здаються незначними. Це має менший вплив на загальний об’єм замкової щілини та зміни внутрішнього тиску.Таким чином, регульований кільцевий лазер (плями у формі кільця), комбінація лазера з дугою, частотна модуляція тощо є потенційними напрямками для розширення.