Ο σχηματισμός και η ανάπτυξη κλειδαρότρυπων:
Ορισμός κλειδαρότρυπας: Όταν η ακτινοβολία είναι μεγαλύτερη από 10 ^ 6W/cm ^ 2, η επιφάνεια του υλικού λιώνει και εξατμίζεται υπό την επίδραση του λέιζερ. Όταν η ταχύτητα εξάτμισης είναι αρκετά μεγάλη, η παραγόμενη πίεση ανάκρουσης ατμών επαρκεί για να ξεπεράσει την επιφανειακή τάση και τη βαρύτητα του υγρού μετάλλου, εκτοπίζοντας έτσι μέρος του υγρού μετάλλου, προκαλώντας τη βύθιση της λιωμένης λίμνης στη ζώνη διέγερσης και τον σχηματισμό μικρών κοιλοτήτων. Η δέσμη φωτός δρα απευθείας στον πυθμένα της μικρής κοιλότητας, προκαλώντας περαιτέρω τήξη και αεριοποίηση του μετάλλου. Ο ατμός υψηλής πίεσης συνεχίζει να αναγκάζει το υγρό μέταλλο στον πυθμένα της κοιλότητας να ρέει προς την περιφέρεια της λιωμένης λίμνης, εμβαθύνοντας περαιτέρω τη μικρή τρύπα. Αυτή η διαδικασία συνεχίζεται, σχηματίζοντας τελικά μια τρύπα σαν κλειδαρότρυπα στο υγρό μέταλλο. Όταν η πίεση ατμών μετάλλου που παράγεται από τη δέσμη λέιζερ στη μικρή τρύπα φτάσει σε ισορροπία με την επιφανειακή τάση και τη βαρύτητα του υγρού μετάλλου, η μικρή τρύπα δεν εμβαθύνει πλέον και σχηματίζει μια μικρή τρύπα σταθερού βάθους, η οποία ονομάζεται «φαινόμενο μικρής τρύπας».
Καθώς η δέσμη λέιζερ κινείται σε σχέση με το τεμάχιο εργασίας, η μικρή οπή εμφανίζει ένα ελαφρώς καμπυλωμένο προς τα πίσω μπροστινό μέρος και ένα σαφώς κεκλιμένο ανεστραμμένο τρίγωνο στο πίσω μέρος. Η μπροστινή άκρη της μικρής οπής είναι η περιοχή δράσης του λέιζερ, με υψηλή θερμοκρασία και υψηλή πίεση ατμών, ενώ η θερμοκρασία κατά μήκος της πίσω άκρης είναι σχετικά χαμηλή και η πίεση ατμών είναι μικρή. Υπό αυτή τη διαφορά πίεσης και θερμοκρασίας, το τηγμένο υγρό ρέει γύρω από τη μικρή οπή από το μπροστινό άκρο προς το πίσω άκρο, σχηματίζοντας μια δίνη στο πίσω άκρο της μικρής οπής, και τελικά στερεοποιείται στο πίσω άκρο. Η δυναμική κατάσταση της κλειδαρότρυπας που επιτυγχάνεται μέσω προσομοίωσης λέιζερ και πραγματικής συγκόλλησης φαίνεται στο παραπάνω σχήμα. Η μορφολογία των μικρών οπών και η ροή του περιβάλλοντος τηγμένου υγρού κατά τη διάρκεια της κίνησης σε διαφορετικές ταχύτητες.
Λόγω της παρουσίας μικρών οπών, η ενέργεια της δέσμης λέιζερ διεισδύει στο εσωτερικό του υλικού, σχηματίζοντας αυτή τη βαθιά και στενή ραφή συγκόλλησης. Η τυπική μορφολογία διατομής της ραφής συγκόλλησης βαθιάς διείσδυσης με λέιζερ φαίνεται στο παραπάνω σχήμα. Το βάθος διείσδυσης της ραφής συγκόλλησης είναι κοντά στο βάθος της κλειδαρότρυπας (για την ακρίβεια, το μεταλλογραφικό στρώμα είναι 60-100 μm βαθύτερο από την κλειδαρότρυπα, ένα λιγότερο στρώμα υγρού). Όσο υψηλότερη είναι η πυκνότητα ενέργειας λέιζερ, τόσο βαθύτερη είναι η μικρή οπή και τόσο μεγαλύτερο είναι το βάθος διείσδυσης της ραφής συγκόλλησης. Στη συγκόλληση με λέιζερ υψηλής ισχύος, η μέγιστη αναλογία βάθους προς πλάτος της ραφής συγκόλλησης μπορεί να φτάσει το 12:1.
Ανάλυση απορρόφησηςενέργεια λέιζεραπό κλειδαρότρυπα
Πριν από τον σχηματισμό μικρών οπών και πλάσματος, η ενέργεια του λέιζερ μεταδίδεται κυρίως στο εσωτερικό του τεμαχίου εργασίας μέσω θερμικής αγωγιμότητας. Η διαδικασία συγκόλλησης ανήκει στην αγώγιμη συγκόλληση (με βάθος διείσδυσης μικρότερο από 0,5 mm) και ο ρυθμός απορρόφησης του λέιζερ από το υλικό κυμαίνεται μεταξύ 25-45%. Μόλις σχηματιστεί η κλειδαρότρυπα, η ενέργεια του λέιζερ απορροφάται κυρίως από το εσωτερικό του τεμαχίου εργασίας μέσω του φαινομένου της κλειδαρότρυπας και η διαδικασία συγκόλλησης μετατρέπεται σε συγκόλληση βαθιάς διείσδυσης (με βάθος διείσδυσης μεγαλύτερο από 0,5 mm). Ο ρυθμός απορρόφησης μπορεί να φτάσει πάνω από 60-90%.
Το φαινόμενο της κλειδαρότρυπας παίζει εξαιρετικά σημαντικό ρόλο στην ενίσχυση της απορρόφησης του λέιζερ κατά τη διάρκεια επεξεργασίας, όπως η συγκόλληση με λέιζερ, η κοπή και η διάτρηση. Η δέσμη λέιζερ που εισέρχεται στην κλειδαρότρυπα απορροφάται σχεδόν πλήρως μέσω πολλαπλών ανακλάσεων από το τοίχωμα της οπής.
Πιστεύεται γενικά ότι ο μηχανισμός απορρόφησης ενέργειας του λέιζερ μέσα στην κλειδαρότρυπα περιλαμβάνει δύο διεργασίες: την αντίστροφη απορρόφηση και την απορρόφηση Fresnel.
Ισορροπία πίεσης μέσα στην κλειδαρότρυπα
Κατά τη συγκόλληση βαθιάς διείσδυσης με λέιζερ, το υλικό υφίσταται σοβαρή εξάτμιση και η πίεση διαστολής που παράγεται από τον ατμό υψηλής θερμοκρασίας αποβάλλει το υγρό μέταλλο, σχηματίζοντας μικρές οπές. Εκτός από την πίεση ατμών και την πίεση αφαίρεσης (γνωστή και ως δύναμη αντίδρασης εξάτμισης ή πίεση ανάκρουσης) του υλικού, υπάρχει επίσης η επιφανειακή τάση, η στατική πίεση υγρού που προκαλείται από τη βαρύτητα και η δυναμική πίεση ρευστού που παράγεται από τη ροή του τηγμένου υλικού μέσα στη μικρή οπή. Μεταξύ αυτών των πιέσεων, μόνο η πίεση ατμού διατηρεί το άνοιγμα της μικρής οπής, ενώ οι άλλες τρεις δυνάμεις προσπαθούν να κλείσουν τη μικρή οπή. Για να διατηρηθεί η σταθερότητα της κλειδαρότρυπας κατά τη διάρκεια της διαδικασίας συγκόλλησης, η πίεση ατμών πρέπει να είναι επαρκής για να ξεπεράσει άλλες αντιστάσεις και να επιτύχει ισορροπία, διατηρώντας τη μακροπρόθεσμη σταθερότητα της κλειδαρότρυπας. Για λόγους απλότητας, πιστεύεται γενικά ότι οι δυνάμεις που ασκούνται στο τοίχωμα της κλειδαρότρυπας είναι κυρίως η πίεση αφαίρεσης (πίεση ανάκρουσης μεταλλικών ατμών) και η επιφανειακή τάση.
Αστάθεια της Κλειδαρότρυπα
Ιστορικό: Το λέιζερ δρα στην επιφάνεια των υλικών, προκαλώντας την εξάτμιση μιας μεγάλης ποσότητας μετάλλου. Η πίεση ανάκρουσης πιέζει προς τα κάτω την λιωμένη δεξαμενή, σχηματίζοντας κλειδαρότρυπες και πλάσμα, με αποτέλεσμα την αύξηση του βάθους τήξης. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας κίνησης, το λέιζερ χτυπά το μπροστινό τοίχωμα της κλειδαρότρυπας και η θέση όπου το λέιζερ έρχεται σε επαφή με το υλικό θα προκαλέσει σοβαρή εξάτμιση του υλικού. Ταυτόχρονα, το τοίχωμα της κλειδαρότρυπας θα υποστεί απώλεια μάζας και η εξάτμιση θα σχηματίσει μια πίεση ανάκρουσης που θα πιέσει προς τα κάτω το υγρό μέταλλο, προκαλώντας το εσωτερικό τοίχωμα της κλειδαρότρυπας να κυμαίνεται προς τα κάτω και να κινείται γύρω από τον πυθμένα της κλειδαρότρυπας προς το πίσω μέρος της λιωμένης δεξαμενής. Λόγω της διακύμανσης της υγρής λιωμένης δεξαμενής από το μπροστινό τοίχωμα στο πίσω τοίχωμα, ο όγκος μέσα στην κλειδαρότρυπα αλλάζει συνεχώς. Η εσωτερική πίεση της κλειδαρότρυπας αλλάζει επίσης ανάλογα, γεγονός που οδηγεί σε αλλαγή στον όγκο του πλάσματος που ψεκάζεται. Η αλλαγή στον όγκο του πλάσματος οδηγεί σε αλλαγές στην θωράκιση, τη διάθλαση και την απορρόφηση της ενέργειας του λέιζερ, με αποτέλεσμα αλλαγές στην ενέργεια του λέιζερ που φτάνει στην επιφάνεια του υλικού. Η όλη διαδικασία είναι δυναμική και περιοδική, με τελικό αποτέλεσμα μια διείσδυση μετάλλου σε σχήμα πριονωτού δοντιού και κυματιστή, και δεν υπάρχει ομαλή ομοιόμορφη συγκόλληση διείσδυσης. Το παραπάνω σχήμα είναι μια διατομή του κέντρου της συγκόλλησης που λαμβάνεται με διαμήκη κοπή παράλληλα με το κέντρο της συγκόλλησης, καθώς και μια μέτρηση σε πραγματικό χρόνο της μεταβολής του βάθους της κλειδαρότρυπας μεIPG-LDD ως αποδεικτικό στοιχείο.
Βελτιώστε την κατεύθυνση σταθερότητας της κλειδαρότρυπας
Κατά τη συγκόλληση βαθιάς διείσδυσης με λέιζερ, η σταθερότητα της μικρής οπής μπορεί να διασφαλιστεί μόνο από τη δυναμική ισορροπία διαφόρων πιέσεων μέσα στην οπή. Ωστόσο, η απορρόφηση της ενέργειας λέιζερ από το τοίχωμα της οπής και η εξάτμιση των υλικών, η εκτόξευση μεταλλικών ατμών έξω από τη μικρή οπή και η προς τα εμπρός κίνηση της μικρής οπής και της λιωμένης λίμνης είναι όλες πολύ έντονες και γρήγορες διαδικασίες. Υπό ορισμένες συνθήκες διεργασίας, σε ορισμένες στιγμές κατά τη διάρκεια της διαδικασίας συγκόλλησης, υπάρχει πιθανότητα η σταθερότητα της μικρής οπής να διαταραχθεί σε τοπικές περιοχές, οδηγώντας σε ελαττώματα συγκόλλησης. Τα πιο συνηθισμένα και συνηθισμένα είναι τα ελαττώματα πορώδους τύπου μικρών πόρων και οι πιτσιλιές που προκαλούνται από την κατάρρευση της κλειδαρότρυπας.
Πώς λοιπόν να σταθεροποιήσω την κλειδαρότρυπα;
Η διακύμανση του υγρού κλειδαρότρυπας είναι σχετικά περίπλοκη και περιλαμβάνει πάρα πολλούς παράγοντες (πεδίο θερμοκρασίας, πεδίο ροής, πεδίο δύναμης, οπτοηλεκτρονική φυσική), οι οποίοι μπορούν να συνοψιστούν απλά σε δύο κατηγορίες: τη σχέση μεταξύ της επιφανειακής τάσης και της πίεσης ανάκρουσης των μεταλλικών ατμών· η πίεση ανάκρουσης των μεταλλικών ατμών επηρεάζει άμεσα τη δημιουργία κλειδαρότρυπων, η οποία σχετίζεται στενά με το βάθος και τον όγκο των κλειδαρότρυπων. Ταυτόχρονα, ως η μόνη ανοδική κινούμενη ουσία μεταλλικών ατμών στη διαδικασία συγκόλλησης, σχετίζεται επίσης στενά με την εμφάνιση πιτσιλισμάτων· η επιφανειακή τάση επηρεάζει τη ροή της λιωμένης δεξαμενής·
Έτσι, η σταθερή διαδικασία συγκόλλησης με λέιζερ εξαρτάται από τη διατήρηση της κλίσης κατανομής της επιφανειακής τάσης στην τετηγμένη δεξαμενή, χωρίς υπερβολικές διακυμάνσεις. Η επιφανειακή τάση σχετίζεται με την κατανομή της θερμοκρασίας και η κατανομή της θερμοκρασίας σχετίζεται με την πηγή θερμότητας. Επομένως, η πηγή θερμότητας από σύνθετα υλικά και η συγκόλληση με ταλάντωση αποτελούν πιθανές τεχνικές κατευθύνσεις για σταθερή διαδικασία συγκόλλησης.
Οι μεταλλικοί ατμοί και ο όγκος της κλειδαρότρυπας πρέπει να λάβουν υπόψη το φαινόμενο πλάσματος και το μέγεθος του ανοίγματος της κλειδαρότρυπας. Όσο μεγαλύτερο είναι το άνοιγμα, τόσο μεγαλύτερη είναι η κλειδαρότρυπα και οι αμελητέες διακυμάνσεις στο κάτω σημείο της δεξαμενής τήξης, οι οποίες έχουν σχετικά μικρή επίδραση στον συνολικό όγκο της κλειδαρότρυπας και στις αλλαγές εσωτερικής πίεσης. Έτσι, το ρυθμιζόμενο λέιζερ λειτουργίας δακτυλίου (δακτυλιοειδής κηλίδα), ο ανασυνδυασμός τόξου λέιζερ, η διαμόρφωση συχνότητας κ.λπ. είναι όλες κατευθύνσεις που μπορούν να επεκταθούν.
Ώρα δημοσίευσης: 01-12-2023
