Sự hình thành và phát triển của lỗ khóa:
Định nghĩa lỗ khóa: Khi bức xạ bức xạ lớn hơn 10^6W/cm^2, bề mặt vật liệu nóng chảy và bốc hơi dưới tác dụng của tia laser. Khi tốc độ bay hơi đủ lớn, áp suất giật lùi của hơi được tạo ra đủ để vượt qua sức căng bề mặt và trọng lực chất lỏng của kim loại lỏng, từ đó dịch chuyển một phần kim loại lỏng, khiến vũng nóng chảy ở vùng kích thích chìm xuống và tạo thành các hố nhỏ. ; Chùm ánh sáng tác động trực tiếp lên đáy hố nhỏ, khiến kim loại tiếp tục nóng chảy và hóa khí. Hơi nước áp suất cao tiếp tục ép kim loại lỏng ở đáy hố chảy về phía ngoại vi của bể nóng chảy, khiến hố nhỏ ngày càng sâu hơn. Quá trình này tiếp tục, cuối cùng tạo thành một lỗ giống như lỗ khóa trên kim loại lỏng. Khi áp suất hơi kim loại do chùm tia laser tạo ra trong lỗ nhỏ đạt đến trạng thái cân bằng với sức căng bề mặt và trọng lực của kim loại lỏng, lỗ nhỏ không còn sâu nữa và tạo thành lỗ nhỏ ổn định độ sâu, được gọi là “hiệu ứng lỗ nhỏ”. .
Khi chùm tia laze di chuyển so với phôi, lỗ nhỏ cho thấy mặt trước hơi cong về phía sau và hình tam giác ngược nghiêng rõ ràng ở phía sau. Mép trước của lỗ nhỏ là vùng hoạt động của tia laser, có nhiệt độ cao và áp suất hơi cao, trong khi nhiệt độ dọc theo mép sau tương đối thấp và áp suất hơi nhỏ. Dưới sự chênh lệch áp suất và nhiệt độ này, chất lỏng nóng chảy chảy xung quanh lỗ nhỏ từ đầu trước đến đầu sau, tạo thành một dòng xoáy ở đầu sau của lỗ nhỏ, và cuối cùng đông đặc lại ở mép sau. Trạng thái động của lỗ khóa thu được thông qua mô phỏng laser và hàn thực tế được thể hiện trong hình trên. Hình thái của các lỗ nhỏ và dòng chảy của chất lỏng nóng chảy xung quanh trong quá trình di chuyển ở các tốc độ khác nhau.
Do có các lỗ nhỏ nên năng lượng chùm tia laser xuyên vào bên trong vật liệu tạo thành đường hàn sâu và hẹp này. Hình thái mặt cắt ngang điển hình của đường hàn xuyên sâu bằng laser được thể hiện trong hình trên. Độ sâu xuyên của đường hàn gần bằng độ sâu của lỗ khóa (nói chính xác là lớp kim loại sâu hơn lỗ khóa 60-100um, ít hơn một lớp chất lỏng). Mật độ năng lượng laser càng cao thì lỗ nhỏ càng sâu và độ sâu xuyên thấu của đường hàn càng lớn. Khi hàn laser công suất cao, tỷ lệ chiều sâu và chiều rộng tối đa của đường hàn có thể đạt tới 12:1.
Phân tích sự hấp thụ củanăng lượng tia laserbằng lỗ khóa
Trước khi hình thành các lỗ nhỏ và plasma, năng lượng của tia laser chủ yếu được truyền vào bên trong phôi thông qua sự dẫn nhiệt. Quá trình hàn thuộc về hàn dẫn điện (có độ sâu xuyên thấu dưới 0,5mm) và tỷ lệ hấp thụ tia laser của vật liệu là từ 25-45%. Sau khi lỗ khóa được hình thành, năng lượng của tia laser chủ yếu được hấp thụ bởi phần bên trong phôi thông qua hiệu ứng lỗ khóa và quá trình hàn trở thành hàn xuyên sâu (với độ sâu xuyên thấu lớn hơn 0,5mm), Tốc độ hấp thụ có thể đạt tới trên 60-90%.
Hiệu ứng lỗ khóa đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong việc tăng cường khả năng hấp thụ tia laser trong quá trình xử lý như hàn laser, cắt và khoan. Chùm tia laser đi vào lỗ khóa gần như bị hấp thụ hoàn toàn qua nhiều phản xạ từ thành lỗ khóa.
Người ta thường tin rằng cơ chế hấp thụ năng lượng của tia laser bên trong lỗ khóa bao gồm hai quá trình: hấp thụ ngược và hấp thụ Fresnel.
Cân bằng áp suất bên trong lỗ khóa
Trong quá trình hàn xuyên sâu bằng laser, vật liệu trải qua quá trình hóa hơi nghiêm trọng và áp suất giãn nở do hơi nước ở nhiệt độ cao tạo ra sẽ đẩy kim loại lỏng ra ngoài, tạo thành các lỗ nhỏ. Ngoài áp suất hơi và áp suất cắt bỏ (còn gọi là lực phản ứng bay hơi hoặc áp suất giật lại) của vật liệu, còn có sức căng bề mặt, áp suất tĩnh của chất lỏng do trọng lực gây ra và áp suất động của chất lỏng được tạo ra bởi dòng chảy của vật liệu nóng chảy bên trong vật liệu. lỗ nhỏ. Trong số các áp suất này, chỉ có áp suất hơi nước duy trì việc mở lỗ nhỏ, trong khi ba lực còn lại cố gắng đóng lỗ nhỏ lại. Để duy trì sự ổn định của lỗ khóa trong quá trình hàn, áp suất hơi phải đủ để vượt qua các lực cản khác và đạt được trạng thái cân bằng, duy trì sự ổn định lâu dài của lỗ khóa. Để đơn giản, người ta thường tin rằng các lực tác dụng lên thành lỗ khóa chủ yếu là áp suất cắt bỏ (áp suất giật lại hơi kim loại) và sức căng bề mặt.
Tính không ổn định của lỗ khóa
Đặt vấn đề: Laser tác động lên bề mặt vật liệu làm bay hơi một lượng lớn kim loại. Áp suất giật lại ép xuống bể nóng chảy, tạo thành các lỗ khóa và plasma, dẫn đến tăng độ sâu nóng chảy. Trong quá trình di chuyển, tia laser chạm vào thành trước của lỗ khóa, vị trí tia laser tiếp xúc với vật liệu sẽ khiến vật liệu bị bay hơi nghiêm trọng. Đồng thời, thành lỗ khóa sẽ bị mất khối lượng và sự bay hơi sẽ tạo thành áp suất giật lại đè lên kim loại lỏng, khiến thành trong của lỗ khóa dao động xuống dưới và di chuyển xung quanh đáy lỗ khóa về phía phía sau hồ nóng chảy. Do sự dao động của bể lỏng nóng chảy từ thành trước ra thành sau, thể tích bên trong lỗ khóa liên tục thay đổi, Áp suất bên trong lỗ khóa cũng thay đổi tương ứng dẫn đến thể tích plasma phun ra thay đổi. . Sự thay đổi thể tích plasma dẫn đến những thay đổi về che chắn, khúc xạ và hấp thụ năng lượng laser, dẫn đến thay đổi năng lượng của tia laser chiếu tới bề mặt vật liệu. Toàn bộ quá trình là động và tuần hoàn, cuối cùng dẫn đến sự thâm nhập kim loại hình răng cưa và lượn sóng, và không có mối hàn xuyên thấu mịn bằng nhau. Hình trên là mặt cắt ngang của tâm mối hàn thu được bằng cách cắt dọc song song với tâm của mối hàn, cũng như phép đo thời gian thực về sự thay đổi độ sâu lỗ khóa bằngIPG-LDD làm bằng chứng.
Cải thiện hướng ổn định của lỗ khóa
Trong quá trình hàn xuyên sâu bằng laser, độ ổn định của lỗ nhỏ chỉ có thể được đảm bảo bằng sự cân bằng động của các áp suất khác nhau bên trong lỗ. Tuy nhiên, sự hấp thụ năng lượng laser của thành lỗ và sự bay hơi của vật liệu, sự thoát ra của hơi kim loại bên ngoài lỗ nhỏ và chuyển động về phía trước của lỗ nhỏ và bể nóng chảy đều là những quá trình rất mãnh liệt và nhanh chóng. Trong các điều kiện quy trình nhất định, tại một số thời điểm nhất định trong quá trình hàn, có khả năng độ ổn định của lỗ nhỏ có thể bị phá vỡ ở các khu vực cục bộ, dẫn đến các khuyết tật hàn. Những lỗi điển hình và phổ biến nhất là các khuyết tật về độ xốp loại lỗ nhỏ và sự bắn tung tóe do sập lỗ khóa;
Vậy làm thế nào để ổn định lỗ khóa?
Sự dao động của chất lỏng lỗ khóa tương đối phức tạp và liên quan đến quá nhiều yếu tố (trường nhiệt độ, trường dòng chảy, trường lực, vật lý quang điện tử), có thể tóm tắt đơn giản thành hai loại: mối quan hệ giữa sức căng bề mặt và áp suất giật lại hơi kim loại; Áp suất giật lại của hơi kim loại tác động trực tiếp lên việc tạo ra các lỗ khóa, điều này liên quan mật thiết đến độ sâu và thể tích của lỗ khóa. Đồng thời, là chất di chuyển lên trên duy nhất của hơi kim loại trong quá trình hàn, nó cũng liên quan chặt chẽ đến sự xuất hiện của vết bắn; Sức căng bề mặt ảnh hưởng đến dòng chảy của bể nóng chảy;
Vì vậy, quá trình hàn laser ổn định phụ thuộc vào việc duy trì gradient phân bố sức căng bề mặt trong bể nóng chảy, không có biến động quá lớn. Sức căng bề mặt liên quan đến sự phân bố nhiệt độ và sự phân bố nhiệt độ có liên quan đến nguồn nhiệt. Vì vậy, nguồn nhiệt composite và hàn xoay là những hướng kỹ thuật tiềm năng cho quá trình hàn ổn định;
Thể tích hơi kim loại và lỗ khóa cần chú ý đến hiệu ứng plasma và kích thước của lỗ khóa. Độ mở càng lớn, lỗ khóa càng lớn và sự dao động không đáng kể ở điểm dưới cùng của bể tan chảy, có tác động tương đối nhỏ đến thể tích lỗ khóa tổng thể và sự thay đổi áp suất bên trong; Vì vậy, laser chế độ vòng có thể điều chỉnh (điểm hình khuyên), tái tổ hợp hồ quang laser, điều chế tần số, v.v. đều là những hướng có thể mở rộng.
Thời gian đăng: Dec-01-2023
