De vorming en ontwikkeling van sleutelgaten:
Definitie van het sleutelgateffect: Wanneer de stralingsintensiteit groter is dan 10⁶ W/cm², smelt en verdampt het oppervlak van het materiaal onder invloed van de laser. Wanneer de verdampingssnelheid hoog genoeg is, is de gegenereerde dampdruk voldoende om de oppervlaktespanning en de zwaartekracht van het vloeibare metaal te overwinnen, waardoor een deel van het vloeibare metaal wordt verdrongen. Dit zorgt ervoor dat het smeltbad in de excitatiezone inzakt en kleine putjes vormt. De lichtstraal werkt direct in op de bodem van het putje, waardoor het metaal verder smelt en vergast. De hogedrukdamp blijft het vloeibare metaal op de bodem van het putje naar de rand van het smeltbad duwen, waardoor het kleine gat verder verdiept. Dit proces gaat door en vormt uiteindelijk een sleutelgatvormig gat in het vloeibare metaal. Wanneer de metaaldampdruk die door de laserstraal in het kleine gat wordt gegenereerd in evenwicht komt met de oppervlaktespanning en de zwaartekracht van het vloeibare metaal, verdiept het kleine gat zich niet langer en vormt het een gat met een stabiele diepte. Dit wordt het "sleutelgateffect" genoemd.
Naarmate de laserstraal ten opzichte van het werkstuk beweegt, vertoont het kleine gat een licht naar achteren gebogen voorkant en een duidelijk schuin aflopende omgekeerde driehoek aan de achterkant. De voorrand van het kleine gat is het werkingsgebied van de laser, met een hoge temperatuur en hoge dampdruk, terwijl de temperatuur langs de achterrand relatief laag is en de dampdruk laag. Onder dit druk- en temperatuurverschil stroomt de gesmolten vloeistof rond het kleine gat van de voorkant naar de achterkant, waardoor een werveling ontstaat aan de achterkant van het kleine gat, en stolt uiteindelijk aan de achterrand. De dynamische toestand van het sleutelgat, verkregen door lasersimulatie en daadwerkelijk lassen, wordt weergegeven in de bovenstaande afbeelding. De morfologie van de kleine gaten en de stroming van de omringende gesmolten vloeistof tijdens de beweging bij 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 dwarsdoorsnede van een laserlasnaad met diepe penetratie is weergegeven in de bovenstaande afbeelding. De penetratiediepte van de lasnaad is bijna gelijk aan de diepte van het sleutelgat (om precies te zijn, de metallografische laag is 60-100 µm dieper dan het sleutelgat, één vloeistoflaag minder). Hoe hoger de laserenergiedichtheid, hoe dieper de kleine gaatjes en hoe groter de penetratiediepte van de lasnaad. Bij laserlassen met hoog vermogen kan de maximale verhouding tussen diepte en breedte van de lasnaad oplopen tot 12:1.
Analyse van de absorptie vanlaserenergiedoor sleutelgat
Voordat er kleine gaatjes en plasma ontstaan, wordt de energie van de laser voornamelijk via warmtegeleiding naar het inwendige van het werkstuk overgebracht. Het lasproces valt onder geleidingslassen (met een indringdiepte van minder dan 0,5 mm), waarbij de absorptie van de laser door het materiaal tussen de 25 en 45% ligt. Zodra het sleutelgat is gevormd, wordt de energie van de laser voornamelijk door het inwendige van het werkstuk geabsorbeerd via het sleutelgateffect, en wordt het lasproces diepdoorlassing (met een indringdiepte van meer dan 0,5 mm). De absorptie kan dan oplopen tot meer dan 60-90%.
Het sleutelgateffect speelt een uiterst belangrijke rol bij het verbeteren van de laserabsorptie tijdens bewerkingen zoals laserlassen, -snijden en -boren. De laserstraal die het sleutelgat binnenkomt, wordt vrijwel volledig geabsorbeerd door meervoudige reflecties van de gatwand.
Algemeen wordt aangenomen dat het energieabsorptiemechanisme van laserlicht in het sleutelgat twee processen omvat: omgekeerde absorptie en Fresnel-absorptie.
Drukbalans in het sleutelgat
Tijdens laserlassen ondergaat het materiaal een sterke verdamping. De expansiedruk die wordt gegenereerd door de hete stoom verdrijft het vloeibare metaal, waardoor kleine gaatjes ontstaan. Naast de dampdruk en de ablatiedruk (ook wel verdampingsreactiekracht of terugstootdruk genoemd) van het materiaal, zijn er ook oppervlaktespanning, statische vloeistofdruk veroorzaakt door de zwaartekracht en dynamische vloeistofdruk die wordt gegenereerd door de stroming van gesmolten materiaal in het kleine gaatje. Van deze drukken zorgt alleen de stoomdruk ervoor dat het kleine gaatje open blijft, terwijl de andere drie krachten ernaar streven het gaatje te sluiten. Om de stabiliteit van het sleutelgat tijdens het lasproces te behouden, moet de dampdruk voldoende zijn om de andere weerstanden te overwinnen en een evenwicht te bereiken, waardoor de stabiliteit van het sleutelgat op lange termijn wordt gewaarborgd. Voor de eenvoud wordt over het algemeen aangenomen dat de krachten die op de sleutelgatwand inwerken voornamelijk bestaan uit ablatiedruk (terugstootdruk van metaaldamp) en oppervlaktespanning.
Instabiliteit van het sleutelgat
Achtergrond: Een laserstraal werkt in op het oppervlak van materialen, waardoor een grote hoeveelheid metaal verdampt. De terugslagdruk oefent druk uit op het gesmolten metaal, waardoor sleutelgaten en plasma ontstaan en de smeltdiepte toeneemt. Tijdens deze beweging raakt de laser de voorwand van het sleutelgat. Op de plek waar de laser het materiaal raakt, vindt een sterke verdamping plaats. Tegelijkertijd verliest de wand van het sleutelgat massa en ontstaat er een terugslagdruk die op het vloeibare metaal drukt. Hierdoor beweegt de binnenwand van het sleutelgat naar beneden en langs de bodem van het sleutelgat richting de achterkant van het gesmolten metaal. Door deze beweging van het gesmolten metaal van de voor- naar de achterwand verandert het volume in het sleutelgat voortdurend. De interne druk in het sleutelgat verandert dienovereenkomstig, wat leidt tot een verandering in het volume van het uitgestoten plasma. Deze verandering in plasmavolume beïnvloedt de afscherming, breking en absorptie van laserenergie, waardoor de hoeveelheid energie die het materiaaloppervlak bereikt, verandert. Het hele proces is dynamisch en periodiek, wat uiteindelijk resulteert in een zaagtandvormige en golvende metaalpenetratie, en er is geen sprake van een gladde, gelijkmatige penetratielas. De bovenstaande afbeelding is een dwarsdoorsnede van het midden van de las, verkregen door een longitudinale snede parallel aan het midden van de las, evenals een realtime meting van de variatie in de diepte van het sleutelgat.IPG-LDD als bewijs.
Verbeter de stabiliteitsrichting van het sleutelgat.
Tijdens laserlassen met diepe doorlassing wordt de stabiliteit van het kleine gat alleen gewaarborgd door het dynamische evenwicht van de verschillende drukken in het gat. De absorptie van laserenergie door de gatwand, de verdamping van materiaal, het uitstoten van metaaldamp uit het kleine gat en de voorwaartse beweging van het kleine gat en het smeltbad 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 gat lokaal wordt verstoord, wat leidt tot lasfouten. De meest voorkomende zijn kleine poriën en spatvorming als gevolg van het instorten van het sleutelgat.
Hoe stabiliseer je het sleutelgat?
De fluctuatie van de vloeistof in het smeltbad 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 terugstootdruk van metaaldamp; de terugstootdruk van metaaldamp heeft een directe invloed op de vorming van smeltbaden en is nauw verbonden met de diepte en het volume ervan. Tegelijkertijd is deze terugstootdruk, als enige opwaarts bewegende substantie van metaaldamp in het lasproces, ook nauw verbonden met het ontstaan van spatten; oppervlaktespanning beïnvloedt de stroming van het smeltbad;
Een stabiel laserlasproces is dus afhankelijk van het handhaven van een gelijkmatige verdeling van de oppervlaktespanning in het smeltbad, zonder al te veel schommelingen. Oppervlaktespanning is gerelateerd aan de temperatuurverdeling, en de temperatuurverdeling is gerelateerd aan de warmtebron. Daarom zijn samengestelde warmtebronnen en zwenklassen potentiële technische richtingen voor een stabiel lasproces.
Bij het bepalen van het volume van de metaaldamp en het sleutelgat moet rekening worden gehouden met het plasma-effect en de grootte van de sleutelgatopening. Hoe groter de opening, hoe groter het sleutelgat. Bovendien hebben de verwaarloosbare fluctuaties in het bodempunt van het smeltbad een relatief kleine invloed op het totale sleutelgatvolume en de interne drukveranderingen. Daarom zijn instelbare ringmoduslasers (ringvormige laserstraal), laserboogrecombinatie, frequentiemodulatie, enzovoort, allemaal richtingen die verder kunnen worden uitgebreid.
Geplaatst op: 1 december 2023
