Anahtar deliği şeklindeki açıklıkların oluşumu ve gelişimi:
Anahtar deliği tanımı: Radyasyon ışınımı 10^6 W/cm²'den büyük olduğunda, malzemenin yüzeyi lazerin etkisi altında erir ve buharlaşır. Buharlaşma hızı yeterince büyük olduğunda, oluşan buhar geri tepme basıncı, sıvı metalin yüzey gerilimini ve sıvı çekimini aşmaya yeterlidir; böylece sıvı metalin bir kısmını yerinden oynatır ve uyarı bölgesindeki erimiş havuzun batmasına ve küçük çukurlar oluşturmasına neden olur. Işık demeti doğrudan küçük çukurun dibine etki ederek metalin daha fazla erimesine ve gazlaşmasına neden olur. Yüksek basınçlı buhar, çukurun dibindeki sıvı metali erimiş havuzun çevresine doğru akmaya zorlamaya devam ederek küçük deliği daha da derinleştirir. Bu süreç devam eder ve sonunda sıvı metalde anahtar deliği benzeri bir delik oluşur. Lazer ışını tarafından küçük delikte oluşturulan metal buhar basıncı, sıvı metalin yüzey gerilimi ve çekimiyle dengeye ulaştığında, küçük delik artık derinleşmez ve derinliği sabit bir küçük delik oluşturur; buna "küçük delik etkisi" denir.
Lazer ışını iş parçasına göre hareket ederken, küçük delik hafifçe geriye doğru kavisli bir ön kısım ve arkasında belirgin şekilde eğimli ters üçgen bir şekil gösterir. Küçük deliğin ön kenarı, yüksek sıcaklık ve yüksek buhar basıncına sahip lazerin etki alanıdır, oysa arka kenar boyunca sıcaklık nispeten düşüktür ve buhar basıncı küçüktür. Bu basınç ve sıcaklık farkı altında, erimiş sıvı küçük deliğin etrafında ön uçtan arka uca doğru akar, küçük deliğin arka ucunda bir girdap oluşturur ve sonunda arka kenarda katılaşır. Lazer simülasyonu ve gerçek kaynak işlemiyle elde edilen anahtar deliğinin dinamik durumu yukarıdaki şekilde gösterilmiştir. Küçük deliklerin morfolojisi ve farklı hızlarda hareket sırasında çevredeki erimiş sıvının akışı.
Küçük deliklerin varlığı nedeniyle, lazer ışını enerjisi malzemenin içine nüfuz ederek bu derin ve dar kaynak dikişini oluşturur. Lazer derin penetrasyon kaynak dikişinin tipik kesit morfolojisi yukarıdaki şekilde gösterilmiştir. Kaynak dikişinin penetrasyon derinliği, anahtar deliğinin derinliğine yakındır (daha doğrusu, metalografik katman anahtar deliğinden 60-100 µm daha derindir, bir sıvı katmanı daha azdır). Lazer enerji yoğunluğu ne kadar yüksekse, küçük delik o kadar derin ve kaynak dikişinin penetrasyon derinliği o kadar büyük olur. Yüksek güçlü lazer kaynağında, kaynak dikişinin maksimum derinlik/genişlik oranı 12:1'e ulaşabilir.
Emilimin analizilazer enerjisianahtar deliğiyle
Küçük delikler ve plazma oluşmadan önce, lazer enerjisi esas olarak termal iletim yoluyla iş parçasının içine iletilir. Kaynak işlemi iletken kaynak (0,5 mm'den az penetrasyon derinliği ile) olarak sınıflandırılır ve malzemenin lazeri emme oranı %25-45 arasındadır. Anahtar deliği oluştuğunda, lazer enerjisi esas olarak anahtar deliği etkisiyle iş parçasının içi tarafından emilir ve kaynak işlemi derin penetrasyon kaynağı (0,5 mm'den fazla penetrasyon derinliği ile) haline gelir. Emme oranı %60-90'ın üzerine çıkabilir.
Anahtar deliği etkisi, lazer kaynağı, kesme ve delme gibi işlemler sırasında lazer emilimini artırmada son derece önemli bir rol oynar. Anahtar deliğinden giren lazer ışını, delik duvarından çoklu yansımalar yoluyla neredeyse tamamen emilir.
Genel olarak, anahtar deliği içindeki lazerin enerji emilim mekanizmasının iki süreç içerdiğine inanılmaktadır: ters emilim ve Fresnel emilimi.
Anahtar deliği içindeki basınç dengesi
Lazer derin penetrasyon kaynağı sırasında, malzeme şiddetli buharlaşmaya uğrar ve yüksek sıcaklıktaki buharın oluşturduğu genleşme basıncı sıvı metali dışarı atarak küçük delikler oluşturur. Malzemenin buhar basıncı ve ablasyon basıncına (buharlaşma reaksiyon kuvveti veya geri tepme basıncı olarak da bilinir) ek olarak, yüzey gerilimi, yerçekiminin neden olduğu sıvı statik basıncı ve küçük deliğin içindeki erimiş malzemenin akışından kaynaklanan akışkan dinamik basıncı da vardır. Bu basınçlar arasında sadece buhar basıncı küçük deliğin açık kalmasını sağlarken, diğer üç kuvvet küçük deliği kapatmaya çalışır. Kaynak işlemi sırasında anahtar deliğinin stabilitesini korumak için, buhar basıncının diğer dirençleri aşacak ve dengeyi sağlayacak kadar yeterli olması, anahtar deliğinin uzun vadeli stabilitesini koruması gerekir. Basitlik açısından, anahtar deliği duvarına etki eden kuvvetlerin esas olarak ablasyon basıncı (metal buharı geri tepme basıncı) ve yüzey gerilimi olduğu genel olarak kabul edilir.
Anahtar deliğinin kararsızlığı
Arka plan: Lazer, malzemelerin yüzeyine etki ederek büyük miktarda metalin buharlaşmasına neden olur. Geri tepme basıncı, erimiş havuzu aşağı doğru bastırarak delikler ve plazma oluşturur ve bu da erime derinliğinin artmasına yol açar. Hareket sırasında lazer, deliğin ön duvarına çarpar ve lazerin malzemeyle temas ettiği nokta, malzemenin şiddetli buharlaşmasına neden olur. Aynı zamanda, delik duvarı kütle kaybına uğrar ve buharlaşma, sıvı metale baskı uygulayan bir geri tepme basıncı oluşturarak, deliğin iç duvarının aşağı doğru dalgalanmasına ve erimiş havuzun arkasına doğru deliğin dibinde hareket etmesine neden olur. Sıvı erimiş havuzun ön duvardan arka duvara doğru dalgalanması nedeniyle, deliğin içindeki hacim sürekli değişir. Buna bağlı olarak, deliğin iç basıncı da değişir ve bu da dışarı püskürtülen plazmanın hacminde bir değişikliğe yol açar. Plazma hacmindeki değişim, lazer enerjisinin kalkanlanmasında, kırılmasında ve emiliminde değişikliklere yol açarak, malzeme yüzeyine ulaşan lazer enerjisinde değişikliklere neden olur. Tüm süreç dinamik ve periyodiktir ve sonuçta testere dişi şeklinde ve dalgalı bir metal penetrasyonuna yol açar; düzgün ve eşit penetrasyonlu bir kaynak elde edilemez. Yukarıdaki şekil, kaynağın merkezine paralel boyuna kesimle elde edilen kaynağın merkezinin kesit görünümünü ve ayrıca kaynak deliği derinliğindeki değişimin gerçek zamanlı ölçümünü göstermektedir.IPG-LDD kanıt olarak.
Anahtar deliğinin stabilite yönünü iyileştirin.
Lazer derin penetrasyon kaynağı sırasında, küçük deliğin stabilitesi ancak delik içindeki çeşitli basınçların dinamik dengesiyle sağlanabilir. Bununla birlikte, delik duvarı tarafından lazer enerjisinin emilmesi ve malzemelerin buharlaşması, metal buharının küçük deliğin dışına atılması ve küçük deliğin ve erimiş havuzun ileri hareketi son derece yoğun ve hızlı süreçlerdir. Belirli işlem koşulları altında, kaynak işlemi sırasında belirli anlarda, küçük deliğin stabilitesinin yerel alanlarda bozulması ve kaynak kusurlarına yol açması olasılığı vardır. En tipik ve yaygın olanlar, küçük gözenek tipi gözeneklilik kusurları ve anahtar deliği çökmesi nedeniyle oluşan sıçramalardır;
Peki, anahtar deliğini nasıl sabitleyebiliriz?
Kaynak deliği sıvısının dalgalanması nispeten karmaşıktır ve çok fazla faktör (sıcaklık alanı, akış alanı, kuvvet alanı, optoelektronik fizik) içerir; bunlar basitçe iki kategoriye özetlenebilir: yüzey gerilimi ile metal buharı geri tepme basıncı arasındaki ilişki; Metal buharının geri tepme basıncı, kaynak deliklerinin oluşumuna doğrudan etki eder ve bu da kaynak deliklerinin derinliği ve hacmiyle yakından ilişkilidir. Aynı zamanda, kaynak işleminde yukarı doğru hareket eden tek metal buharı maddesi olarak, sıçramanın oluşumuyla da yakından ilişkilidir; Yüzey gerilimi, erimiş havuzun akışını etkiler;
Dolayısıyla, kararlı lazer kaynak işlemi, erimiş havuzdaki yüzey geriliminin dağılım gradyanının aşırı dalgalanma olmaksızın korunmasına bağlıdır. Yüzey gerilimi sıcaklık dağılımıyla, sıcaklık dağılımı ise ısı kaynağıyla ilişkilidir. Bu nedenle, kompozit ısı kaynağı ve salınımlı kaynak, kararlı kaynak işlemi için potansiyel teknik yönlerdir;
Metal buharı ve delik hacmi, plazma etkisine ve delik açıklığının boyutuna dikkat edilerek hesaplanmalıdır. Açıklık ne kadar büyük olursa, delik de o kadar büyük olur ve erime havuzunun alt noktasındaki dalgalanmalar ihmal edilebilir düzeyde kalır; bu da genel delik hacmi ve iç basınç değişiklikleri üzerinde nispeten küçük bir etkiye sahiptir. Bu nedenle, ayarlanabilir halka modlu lazer (halka nokta), lazer ark rekombinasyonu, frekans modülasyonu vb. yöntemler genişletilebilecek yönlerdir.
Yayın tarihi: 01-12-2023
