تعامل مواد لیزری – اثر سوراخ کلید

شکل گیری و توسعه سوراخ های کلید:

تعریف سوراخ کلید: هنگامی که تابش تابش بیشتر از 10 ^ 6W/cm ^ 2 باشد، سطح ماده تحت تأثیر لیزر ذوب شده و تبخیر می شود. هنگامی که سرعت تبخیر به اندازه کافی بزرگ است، فشار پس زدگی بخار تولید شده برای غلبه بر کشش سطحی و گرانش مایع فلز مایع کافی است، در نتیجه مقداری از فلز مایع جابه‌جا می‌شود و باعث می‌شود حوضچه مذاب در ناحیه تحریک غرق شود و حفره‌های کوچکی تشکیل شود. ; پرتو نور مستقیماً در کف گودال کوچک عمل می کند و باعث ذوب و گاز شدن بیشتر فلز می شود. بخار فشار بالا همچنان فلز مایع را در پایین گودال مجبور می کند تا به سمت حاشیه حوضچه مذاب جریان یابد و سوراخ کوچک را بیشتر عمیق تر کند. این روند ادامه می یابد و در نهایت یک سوراخ کلید مانند سوراخ در فلز مایع تشکیل می شود. هنگامی که فشار بخار فلز تولید شده توسط پرتو لیزر در سوراخ کوچک با کشش سطحی و گرانش فلز مایع به تعادل می رسد، سوراخ کوچک دیگر عمیق نمی شود و یک سوراخ کوچک پایدار در عمق ایجاد می کند که به آن "اثر سوراخ کوچک" می گویند. .

همانطور که پرتو لیزر نسبت به قطعه کار حرکت می کند، سوراخ کوچک جلوی منحنی کمی به عقب و یک مثلث معکوس به وضوح در پشت را نشان می دهد. لبه جلویی سوراخ کوچک ناحیه عمل لیزر است، با دمای بالا و فشار بخار بالا، در حالی که دما در امتداد لبه پشتی نسبتا کم و فشار بخار کوچک است. تحت این اختلاف فشار و دما، مایع مذاب در اطراف سوراخ کوچک از انتهای جلو به انتهای پشت جریان می یابد و در انتهای پشت سوراخ کوچک گردابی تشکیل می دهد و در نهایت در لبه پشتی جامد می شود. وضعیت دینامیکی سوراخ کلید به دست آمده از طریق شبیه سازی لیزری و جوشکاری واقعی در شکل بالا، مورفولوژی سوراخ های کوچک و جریان مایع مذاب اطراف در طول سفر با سرعت های مختلف نشان داده شده است.

به دلیل وجود سوراخ های کوچک، انرژی پرتو لیزر به داخل ماده نفوذ می کند و این درز جوش عمیق و باریک را تشکیل می دهد. مورفولوژی مقطع معمولی درز جوش نفوذ عمیق لیزر در شکل بالا نشان داده شده است. عمق نفوذ درز جوش نزدیک به عمق سوراخ کلید است (به طور دقیق، لایه متالوگرافی 60-100 میلی متر عمیق تر از سوراخ کلید است، یک لایه مایع کمتر). هر چه چگالی انرژی لیزر بیشتر باشد، سوراخ کوچک عمیق تر و عمق نفوذ درز جوش بیشتر می شود. در جوشکاری لیزری پرقدرت، حداکثر نسبت عمق به عرض درز جوش می تواند به 12:1 برسد.

تجزیه و تحلیل جذب ازانرژی لیزرتوسط سوراخ کلید

قبل از تشکیل سوراخ های کوچک و پلاسما، انرژی لیزر عمدتاً از طریق رسانش حرارتی به داخل قطعه کار منتقل می شود. فرآیند جوشکاری مربوط به جوشکاری رسانا (با عمق نفوذ کمتر از 0.5 میلی متر) است و میزان جذب مواد لیزر بین 25-45٪ است. هنگامی که سوراخ کلید تشکیل شد، انرژی لیزر عمدتاً توسط قسمت داخلی قطعه کار از طریق اثر سوراخ کلید جذب می شود و فرآیند جوشکاری به جوشکاری با نفوذ عمیق (با عمق نفوذ بیش از 0.5 میلی متر) تبدیل می شود، نرخ جذب می تواند به آن برسد. بیش از 60-90٪.

اثر سوراخ کلید نقش بسیار مهمی در افزایش جذب لیزر در طی فرآیندهایی مانند جوشکاری لیزری، برش و حفاری دارد. پرتو لیزر وارد شده به سوراخ کلید تقریباً به طور کامل از طریق بازتاب های متعدد از دیواره سوراخ جذب می شود.

به طور کلی اعتقاد بر این است که مکانیسم جذب انرژی لیزر در داخل سوراخ کلید شامل دو فرآیند است: جذب معکوس و جذب فرنل.

تعادل فشار داخل سوراخ کلید

در طول جوشکاری با نفوذ عمیق لیزر، مواد دچار تبخیر شدید می‌شوند و فشار انبساط ایجاد شده توسط بخار با دمای بالا، فلز مایع را بیرون می‌کند و سوراخ‌های کوچکی ایجاد می‌کند. علاوه بر فشار بخار و فشار فرسایش (همچنین به عنوان نیروی واکنش تبخیر یا فشار پس زدگی نیز شناخته می شود)، کشش سطحی، فشار استاتیک مایع ناشی از گرانش، و فشار دینامیکی سیال ناشی از جریان مواد مذاب در داخل مواد نیز وجود دارد. سوراخ کوچک در میان این فشارها، تنها فشار بخار، باز شدن سوراخ کوچک را حفظ می کند، در حالی که سه نیروی دیگر برای بستن سوراخ کوچک تلاش می کنند. برای حفظ پایداری سوراخ کلید در طول فرآیند جوشکاری، فشار بخار باید برای غلبه بر سایر مقاومت ها و رسیدن به تعادل کافی باشد و پایداری طولانی مدت سوراخ کلید را حفظ کند. برای سادگی، عموماً اعتقاد بر این است که نیروهای وارد بر دیواره سوراخ کلید عمدتاً فشار فرسایشی (فشار پس زدن بخار فلز) و کشش سطحی است.

ناپایداری سوراخ کلید

سابقه و هدف: لیزر بر روی سطح مواد اثر می گذارد و باعث تبخیر مقدار زیادی فلز می شود. فشار پس زدگی بر روی حوضچه مذاب فشار می آورد و سوراخ های کلید و پلاسما را تشکیل می دهد و در نتیجه عمق ذوب افزایش می یابد. در حین حرکت، لیزر به دیواره جلویی سوراخ کلید برخورد می کند و موقعیت تماس لیزر با مواد باعث تبخیر شدید مواد می شود. در همان زمان، دیواره سوراخ کلید کاهش جرم را تجربه می کند و تبخیر باعث ایجاد فشار برگشتی می شود که بر روی فلز مایع فشار می آورد و باعث می شود که دیواره داخلی سوراخ کلید به سمت پایین نوسان کند و در اطراف پایین سوراخ کلید به سمت پایین حرکت کند. پشت حوض مذاب با توجه به نوسانات حوضچه مذاب مایع از دیواره جلویی به دیواره پشتی، حجم داخل سوراخ کلید دائما در حال تغییر است، فشار داخلی سوراخ کلید نیز بر همین اساس تغییر می کند که منجر به تغییر حجم پلاسمای پاشیده شده به بیرون می شود. . تغییر در حجم پلاسما منجر به تغییر در محافظ، شکست و جذب انرژی لیزر می شود و در نتیجه انرژی لیزر به سطح ماده تغییر می کند. کل فرآیند پویا و دوره ای است که در نهایت منجر به نفوذ فلزی به شکل دندانه اره و مواج می شود و هیچ جوشی با نفوذ مساوی صاف وجود ندارد، شکل بالا نمای مقطعی از مرکز جوش است که با برش طولی موازی با مرکز جوش، و همچنین اندازه گیری زمان واقعی تغییرات عمق سوراخ کلید توسطIPG-LDD به عنوان مدرک

جهت پایداری سوراخ کلید را بهبود بخشید

در طول جوشکاری با نفوذ عمیق لیزر، پایداری سوراخ کوچک تنها با تعادل دینامیکی فشارهای مختلف در داخل سوراخ تضمین می شود. با این حال، جذب انرژی لیزر توسط دیواره سوراخ و تبخیر مواد، خروج بخار فلز به خارج از سوراخ کوچک و حرکت رو به جلو سوراخ کوچک و حوضچه مذاب، همگی فرآیندهای بسیار شدید و سریع هستند. در شرایط خاص فرآیند، در لحظات خاصی از فرآیند جوشکاری، این احتمال وجود دارد که پایداری سوراخ کوچک در نواحی محلی مختل شود و منجر به نقص جوش شود. معمولی ترین و رایج ترین آن ها نقص های تخلخل نوع منفذ کوچک و پاشش ناشی از فروپاشی سوراخ کلید است.

بنابراین چگونه می توان سوراخ کلید را ثابت کرد؟

نوسانات سیال سوراخ کلید نسبتاً پیچیده است و عوامل بسیار زیادی (میدان دما، میدان جریان، میدان نیرو، فیزیک نوری) را شامل می شود که به سادگی می توان آنها را در دو دسته خلاصه کرد: رابطه بین کشش سطحی و فشار پس زدن بخار فلز. فشار پس زدگی بخار فلز مستقیماً بر روی ایجاد سوراخ کلید تأثیر می گذارد که ارتباط نزدیکی با عمق و حجم سوراخ کلید دارد. در عین حال، به عنوان تنها ماده متحرک بخار فلز به سمت بالا در فرآیند جوشکاری، ارتباط نزدیکی با وقوع پاشش دارد. کشش سطحی بر جریان حوضچه مذاب تأثیر می گذارد.

بنابراین فرآیند جوشکاری لیزری پایدار به حفظ گرادیان توزیع کشش سطحی در حوضچه مذاب، بدون نوسانات زیاد بستگی دارد. کشش سطحی با توزیع دما و توزیع دما با منبع گرما مرتبط است. بنابراین، منبع حرارت مرکب و جوشکاری نوسانی جهت‌های فنی بالقوه برای فرآیند جوشکاری پایدار هستند.

بخار فلز و حجم سوراخ کلید باید به اثر پلاسما و اندازه دهانه سوراخ کلید توجه شود. هرچه دهانه بزرگتر باشد، سوراخ کلید بزرگتر است، و نوسانات ناچیز در نقطه پایین حوضچه مذاب، که تأثیر نسبتا کمی بر حجم کلی سوراخ کلید و تغییرات فشار داخلی دارد. بنابراین لیزر حالت حلقه قابل تنظیم (نقطه حلقوی)، نوترکیب قوس لیزری، مدولاسیون فرکانس و غیره همگی جهت هایی هستند که می توان آنها را گسترش داد.