Утварэнне і развіццё замочных свідравін:
Вызначэнне замочнай свідравіны: калі радыяцыйная апрамяненне перавышае 10^6 Вт/см^2, паверхня матэрыялу плавіцца і выпараецца пад дзеяннем лазера. Калі хуткасць выпарэння дастаткова вялікая, ціск аддачы пары, які ствараецца, дастатковы для пераадолення павярхоўнага нацяжэння і гравітацыі вадкага металу, тым самым выцясняючы частку вадкага металу, у выніку чаго расплаўленая ванна ў зоне ўзбуджэння апускаецца і ўтварае невялікія ямкі; прамень святла непасрэдна ўздзейнічае на дно невялікай ямкі, выклікаючы далейшае плаўленне і газіфікацыю металу. Пара высокага ціску працягвае прымушаць вадкі метал на дне ямкі цячы да перыферыі расплаўленай ванны, яшчэ больш паглыбляючы невялікую адтуліну. Гэты працэс працягваецца, у канчатковым выніку ўтвараючы адтуліну, падобную на замочную свідравіну, у вадкім метале. Калі ціск пароў металу, які ствараецца лазерным прамянём у невялікай адтуліне, дасягае раўнавагі з павярхоўным нацяжэннем і гравітацыяй вадкага металу, невялікая адтуліна больш не паглыбляецца і ўтварае невялікую адтуліну са стабільнай глыбінёй, што называецца «эфектам невялікай адтуліны».
Па меры руху лазернага прамяня адносна дэталі, невялікая адтуліна мае злёгку выгнутую назад пярэднюю частку і выразна нахіленую перавернутую трохвугольную частку ззаду. Пярэдні край невялікай адтуліны з'яўляецца зонай дзеяння лазера, з высокай тэмпературай і высокім ціскам пары, у той час як тэмпература ўздоўж задняга краю адносна нізкая, а ціск пары невялікі. Пры гэтай розніцы ціску і тэмпературы расплаўленая вадкасць абцякае невялікую адтуліну ад пярэдняга канца да задняга, утвараючы віхор на заднім канцы невялікай адтуліны і, нарэшце, застывае на заднім краі. Дынамічны стан замочнай адтуліны, атрыманы з дапамогай лазернага мадэлявання і рэальнай зваркі, паказаны на малюнку вышэй. Марфалогія невялікіх адтулін і паток навакольнай расплаўленай вадкасці падчас руху з рознай хуткасцю.
Дзякуючы наяўнасці дробных адтулін, энергія лазернага прамяня пранікае ўглыб матэрыялу, утвараючы гэты глыбокі і вузкі зварны шов. Тыповая марфалогія папярочнага сячэння глыбокага лазернага зварнога шва паказана на малюнку вышэй. Глыбіня пранікнення зварнога шва блізкая да глыбіні замочнай адтуліны (калі быць дакладным, металаграфічны пласт на 60-100 мкм глыбейшы за замочную адтуліну, на адзін пласт вадкасці менш). Чым вышэй шчыльнасць лазернай энергіі, тым глыбейшая маленькая адтуліна і тым большая глыбіня пранікнення зварнога шва. Пры магутнай лазернай зварцы максімальнае суадносіны глыбіні да шырыні зварнога шва можа дасягаць 12:1.
Аналіз паглынаннялазерная энергіяпраз замочную свідравіну
Да ўтварэння невялікіх адтулін і плазмы энергія лазера перадаецца ў асноўным унутр дэталі праз цеплаправоднасць. Працэс зваркі адносіцца да кандуктыўнай зваркі (глыбіня пранікнення менш за 0,5 мм), а ступень паглынання лазера матэрыялам складае ад 25 да 45%. Пасля ўтварэння замочнай свідравіны энергія лазера ў асноўным паглынаецца ўнутранай часткай дэталі праз эфект замочнай свідравіны, і працэс зваркі становіцца глыбокім пранікненнем (глыбіня пранікнення больш за 0,5 мм). Ступень паглынання можа дасягаць 60-90%.
Эфект замочнай свідравіны адыгрывае надзвычай важную ролю ў паляпшэнні паглынання лазера падчас апрацоўкі, такой як лазерная зварка, рэзка і свідраванне. Лазерны прамень, які трапляе ў замочную свідравіну, амаль цалкам паглынаецца праз шматлікія адлюстраванні ад сценкі адтуліны.
Лічыцца, што механізм паглынання энергіі лазера ўнутры замочнай свідравіны ўключае два працэсы: адваротнае паглынанне і паглынанне Фрэнеля.
Баланс ціску ўнутры замочнай свідравіны
Падчас лазернай зваркі з глыбокім пранікненнем матэрыял падвяргаецца моцнаму выпарэнню, і ціск пашырэння, які ствараецца высокатэмпературнай парай, выштурхвае вадкі метал, утвараючы невялікія адтуліны. Акрамя ціску пары і ціску абляцыі (таксама вядомага як сіла рэакцыі выпарэння або ціск аддачы) матэрыялу, існуюць таксама павярхоўнае нацяжэнне, статычны ціск вадкасці, выкліканы гравітацыяй, і дынамічны ціск вадкасці, які ствараецца патокам расплаўленага матэрыялу ўнутры малой адтуліны. Сярод гэтых ціскаў толькі ціск пары падтрымлівае адтуліну малой адтуліны, у той час як астатнія тры сілы імкнуцца закрыць яе. Каб падтрымліваць стабільнасць замочнай адтуліны падчас працэсу зваркі, ціск пары павінен быць дастатковым для пераадолення іншага супраціўлення і дасягнення раўнавагі, падтрымліваючы доўгатэрміновую стабільнасць замочнай адтуліны. Для прастаты звычайна лічыцца, што сілы, якія дзейнічаюць на сценку замочнай адтуліны, - гэта ў асноўным ціск абляцыі (ціск аддачы пароў металу) і павярхоўнае нацяжэнне.
Нестабільнасць замочнай свідравіны
Перадгісторыя: Лазер уздзейнічае на паверхню матэрыялаў, выклікаючы выпарэнне вялікай колькасці металу. Ціск аддачы цісне на расплаўленую ванну, утвараючы замочныя свідравіны і плазму, што прыводзіць да павелічэння глыбіні плаўлення. Падчас руху лазер удараецца аб пярэднюю сценку замочнай свідравіны, і месца кантакту лазера з матэрыялам прывядзе да яго моцнага выпарэння. У той жа час сценка замочнай свідравіны будзе адчуваць страту масы, і выпарэнне створыць ціск аддачы, які будзе ціснуць на вадкі метал, прымушаючы ўнутраную сценку замочнай свідравіны вагацца ўніз і рухацца вакол дна замочнай свідравіны да задняй часткі расплаўленай ванны. З-за ваганняў вадкай расплаўленай ванны ад пярэдняй да задняй сценкі аб'ём унутры замочнай свідравіны пастаянна змяняецца. Унутраны ціск у замочнай свідравіне таксама змяняецца адпаведна, што прыводзіць да змены аб'ёму распыленай плазмы. Змена аб'ёму плазмы прыводзіць да змяненняў у экраніраванні, праламленні і паглынанні лазернай энергіі, што прыводзіць да змены энергіі лазера, якая дасягае паверхні матэрыялу. Увесь працэс дынамічны і перыядычны, што ў канчатковым выніку прыводзіць да пілападобнага і хвалістага праварвання металу, і няма гладкага зварнога шва з роўным праварваннем. На малюнку вышэй паказаны папярочны разрэз цэнтра зварнога шва, атрыманага шляхам падоўжнага рэзання, паралельнага цэнтру зварнога шва, а таксама вымярэнне змены глыбіні замочнай адтуліны ў рэжыме рэальнага часу.Інтэгральная дыягностыка галавы (ІПГ)-LDD у якасці доказу.
Палепшыць кірунак стабільнасці замочнай свідравіны
Падчас лазернай зваркі з глыбокім пранікненнем стабільнасць малога адтуліны можа быць забяспечана толькі дынамічным балансам розных ціскаў унутры адтуліны. Аднак паглынанне лазернай энергіі сценкай адтуліны і выпарэнне матэрыялаў, выкід пароў металу за межы малога адтуліны, а таксама рух малога адтуліны і расплаўленай ванны наперад — усё гэта вельмі інтэнсіўныя і хуткія працэсы. Пры пэўных умовах працэсу, у пэўныя моманты падчас зваркі, існуе верагоднасць таго, што стабільнасць малога адтуліны можа быць парушана ў лакальных зонах, што прывядзе да дэфектаў зваркі. Найбольш тыповымі і распаўсюджанымі з іх з'яўляюцца дэфекты сітаватасці тыпу дробных пор і пырскі, выкліканыя разбурэннем замочнай свідравіны;
Дык як стабілізаваць замочную свідравіну?
Флуктуацыі расплаўленай вадкасці з'яўляюцца адносна складанымі і ўключаюць у сябе мноства фактараў (тэмпературнае поле, поле патоку, сілавое поле, оптаэлектронная фізіка), якія можна проста абагульніць у дзве катэгорыі: сувязь паміж павярхоўным нацяжэннем і ціскам аддачы пароў металу; ціск аддачы пароў металу непасрэдна ўплывае на ўтварэнне расплаўленых адтулін, што цесна звязана з глыбінёй і аб'ёмам расплаўленых адтулін. У той жа час, як адзінае рэчыва з пароў металу, якое рухаецца ўверх у працэсе зваркі, яно таксама цесна звязана з узнікненнем пырскаў; павярхоўнае нацяжэнне ўплывае на паток расплаўленай ванны;
Такім чынам, стабільны працэс лазернай зваркі залежыць ад падтрымання градыенту размеркавання павярхоўнага нацяжэння ў расплаўленай ванне без празмерных ваганняў. Павярхоўнае нацяжэнне звязана з размеркаваннем тэмпературы, а размеркаванне тэмпературы звязана з крыніцай цяпла. Такім чынам, кампазітная крыніца цяпла і зварка з пераменным напружаннем з'яўляюцца патэнцыйнымі тэхнічнымі напрамкамі для стабільнага працэсу зваркі;
Пры выбары пары металу і аб'ёму замочнай свідравіны неабходна звярнуць увагу на плазменны эфект і памер адтуліны замочнай свідравіны. Чым большая адтуліна, тым большая замочная свідравіна, і тым нязначныя ваганні ў ніжняй кропцы ванны расплаву, якія маюць адносна невялікі ўплыў на агульны аб'ём замочнай свідравіны і змены ўнутранага ціску; Такім чынам, рэгуляваны лазерны рэжым кальцавога выпраменьвання (кольцавая пляма), рэкамбінацыя лазернай дугі, частотная мадуляцыя і г.д. - усё гэта напрамкі, якія можна пашырыць.
Час публікацыі: 01.12.2023
