De vorming en ontwikkeling van sleutelgaten:
Sleutelgatdefinitie: Wanneer de stralingsinstraling groter is dan 10 ^ 6W/cm ^ 2, smelt het oppervlak van het materiaal en verdampt het onder invloed van de laser. Wanneer de verdampingssnelheid groot genoeg is, is de gegenereerde dampterugslagdruk voldoende om de oppervlaktespanning en de vloeibare zwaartekracht van het vloeibare metaal te overwinnen, waardoor een deel van het vloeibare metaal wordt verplaatst, waardoor het gesmolten bad in de excitatiezone zinkt en kleine putjes vormt. ; De lichtstraal werkt rechtstreeks op de bodem van de kleine put, waardoor het metaal verder smelt en vergast. Stoom onder hoge druk blijft het vloeibare metaal op de bodem van de put dwingen naar de rand van het gesmolten bad te stromen, waardoor het kleine gat verder wordt verdiept. Dit proces gaat door en vormt uiteindelijk een sleutelgatachtig gat in het vloeibare metaal. Wanneer de metaaldampdruk gegenereerd door de laserstraal in het kleine gaatje een evenwicht bereikt met de oppervlaktespanning en zwaartekracht van het vloeibare metaal, verdiept het kleine gaatje zich niet langer en vormt het een dieptestabiel klein gaatje, wat het “kleine gateneffect” wordt genoemd. .
Terwijl de laserstraal ten opzichte van het werkstuk beweegt, vertoont het kleine gaatje een licht naar achteren gebogen voorkant en een duidelijk hellende omgekeerde driehoek aan de achterkant. De voorkant van het kleine gaatje is het actiegebied van de laser, met hoge temperaturen en hoge dampdruk, terwijl de temperatuur langs de achterkant relatief laag is en de dampdruk klein is. Onder dit druk- en temperatuurverschil stroomt de gesmolten vloeistof rond het kleine gaatje van de voorkant naar de achterkant, vormt een draaikolk aan de achterkant van het kleine gaatje en stolt uiteindelijk aan de achterkant. De dynamische toestand van het sleutelgat, verkregen door lasersimulatie en feitelijk lassen, wordt weergegeven in de bovenstaande figuur: De morfologie van kleine gaten en de stroming van omringende gesmolten vloeistof tijdens reizen met verschillende snelheden.
Door de aanwezigheid van kleine gaatjes dringt de energie van de laserstraal door tot in het binnenste van het materiaal, waardoor deze diepe en smalle lasnaad ontstaat. De typische dwarsdoorsnedemorfologie van de laserlasnaad met diepe penetratie wordt weergegeven in de bovenstaande afbeelding. De indringdiepte van de lasnaad ligt dichtbij de diepte van het sleutelgat (om precies te zijn, de metallografische laag is 60-100um dieper dan het sleutelgat, een laag vloeistof minder). Hoe hoger de laserenergiedichtheid, hoe dieper het kleine gaatje en hoe groter de penetratiediepte van de lasnaad. Bij laserlassen met hoog vermogen kan de maximale diepte-breedteverhouding van de lasnaad 12:1 bereiken.
Analyse van de absorptie vanlaser-energiedoor sleutelgat
Vóór de vorming van kleine gaatjes en plasma wordt de energie van de laser voornamelijk via thermische geleiding naar de binnenkant van het werkstuk overgebracht. Het lasproces behoort tot geleidend lassen (met een penetratiediepte van minder dan 0,5 mm) en de absorptiesnelheid van het materiaal door de laser ligt tussen 25-45%. Zodra het sleutelgat is gevormd, wordt de energie van de laser voornamelijk geabsorbeerd door de binnenkant van het werkstuk door het sleutelgateffect, en het lasproces wordt diep penetratielassen (met een penetratiediepte van meer dan 0,5 mm). De absorptiesnelheid kan oplopen tot ruim 60-90%.
Het sleutelgateffect speelt een uiterst belangrijke rol bij het verbeteren van de absorptie van laser tijdens bewerkingen zoals laserlassen, snijden en boren. De laserstraal die het sleutelgat binnengaat, wordt bijna volledig geabsorbeerd door meerdere reflecties van de gatwand.
Algemeen wordt aangenomen dat het energieabsorptiemechanisme van de laser in het sleutelgat twee processen omvat: omgekeerde absorptie en Fresnel-absorptie.
Drukbalans in het sleutelgat
Tijdens laserlassen met diepe penetratie ondergaat het materiaal ernstige verdamping, en de expansiedruk die wordt gegenereerd door stoom op hoge temperatuur verdrijft het vloeibare metaal en vormt kleine gaatjes. Naast de dampdruk en ablatiedruk (ook bekend als verdampingsreactiekracht of terugslagdruk) van het materiaal, zijn er ook oppervlaktespanning, statische vloeistofdruk veroorzaakt door de zwaartekracht, en vloeistofdynamische druk gegenereerd door de stroom gesmolten materiaal in de vloeistof. klein gaatje. Van deze drukken houdt alleen de stoomdruk de opening van het kleine gaatje in stand, terwijl de andere drie krachten ernaar streven het kleine gaatje te sluiten. Om de stabiliteit van het sleutelgat tijdens het lasproces te behouden, moet de dampdruk voldoende zijn om andere weerstanden te overwinnen en een evenwicht te bereiken, waardoor de stabiliteit van het sleutelgat op lange termijn behouden blijft. Eenvoudigheidshalve wordt algemeen aangenomen dat de krachten die op de sleutelgatwand inwerken hoofdzakelijk bestaan uit ablatiedruk (terugslagdruk van metaaldamp) en oppervlaktespanning.
Instabiliteit van het sleutelgat
Achtergrond: Laser werkt in op het oppervlak van materialen, waardoor een grote hoeveelheid metaal verdampt. De terugslagdruk drukt op het gesmolten bad en vormt sleutelgaten en plasma, wat resulteert in een toename van de smeltdiepte. Tijdens het bewegingsproces raakt de laser de voorwand van het sleutelgat, en de positie waar de laser in contact komt met het materiaal zal ernstige verdamping van het materiaal veroorzaken. Tegelijkertijd zal de muur van het sleutelgat massaverlies ervaren en zal de verdamping een terugslagdruk vormen die op het vloeibare metaal zal drukken, waardoor de binnenwand van het sleutelgat naar beneden zal fluctueren en langs de onderkant van het sleutelgat naar de onderkant zal bewegen. achterkant van de gesmolten poel. Door de fluctuatie van het vloeibare gesmolten zwembad van de voorwand naar de achterwand verandert het volume in het sleutelgat voortdurend. De interne druk van het sleutelgat verandert ook dienovereenkomstig, wat leidt tot een verandering in het volume van het uitgespoten plasma . De verandering in het plasmavolume leidt tot veranderingen in de afscherming, breking en absorptie van laserenergie, wat resulteert in veranderingen in de energie van de laser die het materiaaloppervlak bereikt. Het hele proces is dynamisch en periodiek, wat uiteindelijk resulteert in een zaagtandvormige en golvende metaalpenetratie, en er is geen gladde las met gelijke penetratie. De bovenstaande figuur is een dwarsdoorsnede van het midden van de las, verkregen door longitudinaal snijden evenwijdig aan de las. midden van de las, evenals een real-time meting van de variatie in de sleutelgatdiepteIPG-LDD als bewijs.
Verbeter de stabiliteitsrichting van het sleutelgat
Tijdens laserlassen met diepe penetratie kan de stabiliteit van het kleine gat alleen worden gegarandeerd door de dynamische balans van verschillende drukken in het gat. De absorptie van laserenergie door de wand van het gat en de verdamping van materialen, het uitstoten van metaaldamp buiten het kleine gat en de voorwaartse beweging van het kleine gat en het gesmolten bad zijn echter allemaal zeer intense en snelle processen. Onder bepaalde procesomstandigheden, op bepaalde momenten tijdens het lasproces, bestaat de mogelijkheid dat de stabiliteit van het kleine gaatje plaatselijk verstoord wordt, wat tot lasfouten kan leiden. De meest typische en meest voorkomende zijn porositeitsdefecten met kleine poriën en spatten veroorzaakt door het instorten van het sleutelgat;
Dus hoe stabiliseer je het sleutelgat?
De fluctuatie van sleutelgatvloeistof is relatief complex en omvat te veel factoren (temperatuurveld, stromingsveld, krachtveld, opto-elektronische fysica), die eenvoudigweg in twee categorieën kunnen worden samengevat: de relatie tussen oppervlaktespanning en terugslagdruk van metaaldamp; De terugslagdruk van metaaldamp heeft een directe invloed op het ontstaan van sleutelgaten, wat nauw samenhangt met de diepte en het volume van de sleutelgaten. Tegelijkertijd is het, als de enige opwaarts bewegende substantie van metaaldamp in het lasproces, ook nauw verwant aan het optreden van spatten; Oppervlaktespanning beïnvloedt de stroming van het gesmolten bad;
Een stabiel laserlasproces is dus afhankelijk van het handhaven van de verdelingsgradiënt van de oppervlaktespanning in het gesmolten bad, zonder al te veel fluctuaties. Oppervlaktespanning houdt verband met de temperatuurverdeling, en de temperatuurverdeling houdt verband met de warmtebron. Daarom zijn samengestelde warmtebronnen en zwenklassen potentiële technische richtingen voor een stabiel lasproces;
Bij de metaaldamp en het sleutelgatvolume moet aandacht worden besteed aan het plasma-effect en de grootte van de sleutelgatopening. Hoe groter de opening, hoe groter het sleutelgat en de verwaarloosbare fluctuaties in het onderste punt van het smeltbad, die een relatief kleine impact hebben op het totale sleutelgatvolume en de interne drukveranderingen; Dus instelbare ringmoduslaser (ringvormige vlek), laserboogrecombinatie, frequentiemodulatie, enz. zijn allemaal richtingen die kunnen worden uitgebreid.
Posttijd: 01-dec-2023
