برهمکنش مواد لیزری - اثر سوراخ کلید

تشکیل و توسعه سوراخ کلید:

تعریف سوراخ کلید: وقتی تابش بیشتر از 10^6W/cm^2 باشد، سطح ماده تحت عمل لیزر ذوب و تبخیر می‌شود. وقتی سرعت تبخیر به اندازه کافی زیاد باشد، فشار پس‌زنی بخار تولید شده برای غلبه بر کشش سطحی و گرانش مایع فلز مایع کافی است و در نتیجه مقداری از فلز مایع را جابجا می‌کند و باعث می‌شود حوضچه مذاب در ناحیه تحریک فرو رود و گودال‌های کوچکی تشکیل دهد. پرتو نور مستقیماً بر کف گودال کوچک تأثیر می‌گذارد و باعث می‌شود فلز بیشتر ذوب و به گاز تبدیل شود. بخار پرفشار همچنان فلز مایع در کف گودال را مجبور می‌کند تا به سمت حاشیه حوضچه مذاب جریان یابد و سوراخ کوچک را عمیق‌تر کند. این فرآیند ادامه می‌یابد و در نهایت یک سوراخ شبیه سوراخ کلید در فلز مایع تشکیل می‌دهد. هنگامی که فشار بخار فلز تولید شده توسط پرتو لیزر در سوراخ کوچک با کشش سطحی و گرانش فلز مایع به تعادل می‌رسد، سوراخ کوچک دیگر عمیق نمی‌شود و یک سوراخ کوچک با عمق پایدار تشکیل می‌دهد که به آن "اثر سوراخ کوچک" می‌گویند.

با حرکت پرتو لیزر نسبت به قطعه کار، سوراخ کوچک در جلو کمی خمیده به عقب و در عقب یک مثلث معکوس با شیب مشخص را نشان می‌دهد. لبه جلویی سوراخ کوچک، ناحیه عمل لیزر است که دارای دما و فشار بخار بالا می‌باشد، در حالی که دما در امتداد لبه پشتی نسبتاً پایین و فشار بخار کم است. تحت این فشار و اختلاف دما، مایع مذاب در اطراف سوراخ کوچک از انتهای جلویی به انتهای پشتی جریان می‌یابد و در انتهای پشتی سوراخ کوچک گردابی تشکیل می‌دهد و در نهایت در لبه پشتی جامد می‌شود. حالت دینامیکی سوراخ کلید که از طریق شبیه‌سازی لیزر و جوشکاری واقعی به دست آمده است، در شکل بالا نشان داده شده است: مورفولوژی سوراخ‌های کوچک و جریان مایع مذاب اطراف در طول حرکت با سرعت‌های مختلف.

به دلیل وجود سوراخ‌های کوچک، انرژی پرتو لیزر به داخل ماده نفوذ می‌کند و این درز جوش عمیق و باریک را تشکیل می‌دهد. مورفولوژی سطح مقطع معمول درز جوش نفوذ عمیق لیزری در شکل بالا نشان داده شده است. عمق نفوذ درز جوش نزدیک به عمق سوراخ کلید است (به طور دقیق، لایه متالوگرافی 60 تا 100 میکرومتر عمیق‌تر از سوراخ کلید است، یک لایه مایع کمتر). هرچه چگالی انرژی لیزر بیشتر باشد، سوراخ کوچک عمیق‌تر و عمق نفوذ درز جوش بیشتر است. در جوشکاری لیزر پرقدرت، حداکثر نسبت عمق به عرض درز جوش می‌تواند به 12:1 برسد.

تجزیه و تحلیل جذبانرژی لیزرتوسط سوراخ کلید

قبل از تشکیل سوراخ‌های کوچک و پلاسما، انرژی لیزر عمدتاً از طریق رسانش حرارتی به داخل قطعه کار منتقل می‌شود. فرآیند جوشکاری، جوشکاری رسانایی (با عمق نفوذ کمتر از 0.5 میلی‌متر) است و میزان جذب لیزر توسط ماده بین 25 تا 45 درصد است. پس از تشکیل سوراخ کلید، انرژی لیزر عمدتاً از طریق اثر سوراخ کلید توسط داخل قطعه کار جذب می‌شود و فرآیند جوشکاری به جوشکاری نفوذ عمیق (با عمق نفوذ بیش از 0.5 میلی‌متر) تبدیل می‌شود. میزان جذب می‌تواند به بیش از 60 تا 90 درصد برسد.

اثر سوراخ کلید نقش بسیار مهمی در افزایش جذب لیزر در طول فرآیندهایی مانند جوشکاری، برش و سوراخکاری لیزری ایفا می‌کند. پرتو لیزر ورودی به سوراخ کلید تقریباً به طور کامل از طریق بازتاب‌های متعدد از دیواره سوراخ جذب می‌شود.

عموماً اعتقاد بر این است که مکانیسم جذب انرژی لیزر درون سوراخ کلید شامل دو فرآیند است: جذب معکوس و جذب فرنل.

تعادل فشار داخل سوراخ کلید

در طول جوشکاری نفوذ عمیق لیزری، ماده تحت تبخیر شدید قرار می‌گیرد و فشار انبساطی ایجاد شده توسط بخار با دمای بالا، فلز مایع را به بیرون پرتاب می‌کند و سوراخ‌های کوچکی تشکیل می‌دهد. علاوه بر فشار بخار و فشار فرسایش (که به عنوان نیروی واکنش تبخیر یا فشار پس‌زنی نیز شناخته می‌شود) ماده، کشش سطحی، فشار استاتیک مایع ناشی از گرانش و فشار دینامیکی سیال ایجاد شده توسط جریان ماده مذاب درون سوراخ کوچک نیز وجود دارد. در میان این فشارها، تنها فشار بخار، باز بودن سوراخ کوچک را حفظ می‌کند، در حالی که سه نیروی دیگر تلاش می‌کنند سوراخ کوچک را ببندند. برای حفظ پایداری سوراخ کلید در طول فرآیند جوشکاری، فشار بخار باید برای غلبه بر سایر مقاومت‌ها و دستیابی به تعادل کافی باشد و پایداری طولانی مدت سوراخ کلید را حفظ کند. برای سادگی، عموماً اعتقاد بر این است که نیروهایی که بر دیواره سوراخ کلید عمل می‌کنند، عمدتاً فشار فرسایش (فشار پس‌زنی بخار فلز) و کشش سطحی هستند.

ناپایداری سوراخ کلید

پیشینه: لیزر بر روی سطح مواد عمل می‌کند و باعث تبخیر مقدار زیادی فلز می‌شود. فشار پس‌زنی به حوضچه مذاب فشار می‌آورد و سوراخ‌های کلیدی و پلاسما تشکیل می‌دهد که منجر به افزایش عمق ذوب می‌شود. در طول فرآیند حرکت، لیزر به دیواره جلویی سوراخ کلید برخورد می‌کند و موقعیتی که لیزر با ماده تماس پیدا می‌کند باعث تبخیر شدید ماده می‌شود. در همان زمان، دیواره سوراخ کلید دچار کاهش جرم می‌شود و تبخیر، فشار پس‌زنی ایجاد می‌کند که به فلز مایع فشار می‌آورد و باعث می‌شود دیواره داخلی سوراخ کلید به سمت پایین نوسان کند و در اطراف کف سوراخ کلید به سمت پشت حوضچه مذاب حرکت کند. به دلیل نوسان حوضچه مذاب مایع از دیواره جلویی به دیواره پشتی، حجم داخل سوراخ کلید دائماً در حال تغییر است. فشار داخلی سوراخ کلید نیز به همین ترتیب تغییر می‌کند که منجر به تغییر در حجم پلاسمای پاشیده شده می‌شود. تغییر در حجم پلاسما منجر به تغییر در حفاظ، شکست و جذب انرژی لیزر می‌شود که در نتیجه باعث تغییر در انرژی لیزر رسیده به سطح ماده می‌شود. کل فرآیند پویا و تناوبی است و در نهایت منجر به نفوذ فلز به شکل دندانه اره و موج‌دار می‌شود و هیچ جوش نفوذی صاف و یکسانی وجود ندارد. شکل بالا نمای مقطعی از مرکز جوش است که با برش طولی موازی با مرکز جوش به دست آمده است، و همچنین اندازه‌گیری لحظه‌ای تغییر عمق سوراخ کلید توسطآی پی جی-LDD به عنوان مدرک.

جهت پایداری سوراخ کلید را بهبود بخشید

در طول جوشکاری نفوذ عمیق لیزری، پایداری سوراخ کوچک تنها با تعادل دینامیکی فشارهای مختلف درون سوراخ تضمین می‌شود. با این حال، جذب انرژی لیزر توسط دیواره سوراخ و تبخیر مواد، خروج بخار فلز به خارج از سوراخ کوچک و حرکت رو به جلوی سوراخ کوچک و حوضچه مذاب، همگی فرآیندهای بسیار شدید و سریعی هستند. تحت شرایط خاص فرآیند، در لحظات خاصی در طول فرآیند جوشکاری، این احتمال وجود دارد که پایداری سوراخ کوچک در نواحی موضعی مختل شود و منجر به عیوب جوشکاری شود. معمول‌ترین و رایج‌ترین آنها، عیوب تخلخل از نوع منافذ کوچک و پاشش ناشی از فروپاشی سوراخ کلید است.

بنابراین چگونه می‌توان سوراخ کلید را تثبیت کرد؟

نوسان سیال سوراخ کلید نسبتاً پیچیده است و عوامل زیادی (میدان دما، میدان جریان، میدان نیرو، فیزیک اپتوالکترونیک) را در بر می‌گیرد که می‌توان آنها را به سادگی در دو دسته خلاصه کرد: رابطه بین کشش سطحی و فشار پس‌زنی بخار فلز؛ فشار پس‌زنی بخار فلز مستقیماً بر ایجاد سوراخ کلید تأثیر می‌گذارد که ارتباط نزدیکی با عمق و حجم سوراخ کلید دارد. در عین حال، به عنوان تنها ماده‌ی بخار فلز که در فرآیند جوشکاری به سمت بالا حرکت می‌کند، ارتباط نزدیکی با وقوع پاشش نیز دارد؛ کشش سطحی بر جریان حوضچه مذاب تأثیر می‌گذارد؛

بنابراین فرآیند جوشکاری لیزری پایدار به حفظ گرادیان توزیع کشش سطحی در حوضچه مذاب، بدون نوسان زیاد، بستگی دارد. کشش سطحی به توزیع دما مربوط است و توزیع دما به منبع گرما مربوط است. بنابراین، منبع گرمای مرکب و جوشکاری نوسانی، مسیرهای فنی بالقوه برای فرآیند جوشکاری پایدار هستند؛

حجم بخار فلز و 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 نسبتاً کمی بر حجم کلی سوراخ کلید و تغییرات فشار داخلی دارند، وجود دارد. بنابراین لیزر حلقه‌ای قابل تنظیم (نقطه حلقوی)، ترکیب مجدد قوس لیزر، مدولاسیون فرکانس و غیره، همگی جهت‌هایی هستند که می‌توانند گسترش یابند.