Sự hình thành và phát triển của lỗ khóa:
Định nghĩa lỗ hình chìa khóa: Khi cường độ bức xạ lớn hơn 10^6 W/cm^2, bề mặt vật liệu tan chảy và bay hơi dưới tác động của laser. Khi tốc độ bay hơi đủ lớn, áp suất hơi phản hồi sinh ra đủ để vượt qua sức căng bề mặt và trọng lực của kim loại lỏng, do đó làm dịch chuyển một phần kim loại lỏng, khiến vũng nóng chảy tại vùng kích thích bị chìm xuống và tạo thành các hố nhỏ; chùm tia sáng tác động trực tiếp vào đáy của hố nhỏ, khiến kim loại tiếp tục tan chảy và hóa hơi. Hơi nước áp suất cao tiếp tục đẩy kim loại lỏng ở đáy hố chảy về phía ngoại vi của vũng nóng chảy, làm cho lỗ nhỏ sâu hơn nữa. Quá trình này tiếp tục, cuối cùng tạo thành một lỗ giống như lỗ hình chìa khóa trong kim loại lỏng. Khi áp suất hơi kim loại được tạo ra bởi chùm tia laser trong lỗ nhỏ đạt trạng thái cân bằng với sức căng bề mặt và trọng lực của kim loại lỏng, lỗ nhỏ không còn sâu thêm nữa và tạo thành một lỗ nhỏ có độ sâu ổn định, được gọi là "hiệu ứng lỗ nhỏ".
Khi chùm tia laser di chuyển tương đối so với phôi, lỗ nhỏ hiện ra với mặt trước hơi cong về phía sau và mặt sau có hình tam giác ngược nghiêng rõ rệt. Cạnh trước của lỗ nhỏ là vùng tác động của laser, có nhiệt độ và áp suất hơi cao, trong khi nhiệt độ dọc theo cạnh 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 xoáy ở đầu sau của lỗ nhỏ, và cuối cùng đông đặc ở cạnh sau. Trạng thái động của lỗ khóa thu được thông qua mô phỏng laser và hàn thực tế được thể hiện trong hình trên, cho thấy hình thái của lỗ nhỏ và dòng chảy của chất lỏng nóng chảy xung quanh trong quá trình di chuyển ở các tốc độ khác nhau.
Do sự hiện diện của các lỗ nhỏ, năng lượng chùm tia laser xuyên sâu vào bên trong vật liệu, tạo thành đường hàn sâu và hẹp. Hình thái mặt cắt ngang điển hình của đường hàn xuyên sâu bằng laser được thể hiện trong hình trên. Độ sâu xuyên thấu của đường hàn gần bằng độ sâu của lỗ khóa (chính xác hơn, lớp luyện kim sâu hơn lỗ khóa 60-100µm, ít hơn một lớp lỏng). Mật độ năng lượng laser càng cao, lỗ nhỏ càng sâu và độ sâu xuyên thấu của đường hàn càng lớn. Trong hàn laser công suất cao, tỷ lệ độ sâu trên chiều rộng tối đa của đường hàn có thể đạt 12:1.
Phân tích sự hấp thụ củanăng lượng laserqua lỗ khóa
Trước khi hình thành các lỗ nhỏ và plasma, năng lượng laser chủ yếu được truyền vào bên trong phôi thông qua dẫn nhiệt. Quá trình hàn thuộc loại hàn dẫn nhiệt (với độ sâu xuyên thấu nhỏ hơn 0,5mm), và tỷ lệ hấp thụ laser của vật liệu nằm trong khoảng 25-45%. Khi lỗ hình thành, năng lượng laser chủ yếu được hấp thụ bởi bên trong phôi thông qua hiệu ứng lỗ, và quá trình hàn trở thành hàn xuyên sâu (với độ sâu xuyên thấu lớn hơn 0,5mm), tỷ lệ hấp thụ có thể đạt trên 60-90%.
Hiệu ứng lỗ khóa đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong việc tăng cường khả năng hấp thụ laser trong các quá trình gia công như hàn laser, cắt laser và khoan. Tia laser đi vào lỗ khóa gần như được hấp thụ hoàn toàn thông qua nhiều lần phản xạ từ thành lỗ.
Người ta thường cho 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 mạnh, 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 bóc tách (còn gọi là lực phản ứng bay hơi hoặc áp suất giật lùi) 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 do dòng chảy của vật liệu nóng chảy bên trong lỗ nhỏ tạo ra. Trong số các áp suất này, chỉ có áp suất hơi nước duy trì sự mở của lỗ nhỏ, trong khi ba lực còn lại cố gắng làm đóng lỗ nhỏ. 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 trạng thái cân bằng, duy trì sự ổn định lâu dài của lỗ khóa. Để đơn giản, người ta thường cho rằng các lực tác động lên thành lỗ khóa chủ yếu là áp suất bóc tách (áp suất giật lùi của hơi kim loại) và sức căng bề mặt.
Sự bất ổn của lỗ khóa
Bối cảnh: Tia laser tác động lên bề mặt vật liệu, làm cho một lượng lớn kim loại bay hơi. Áp suất phản hồi ép xuống vùng nóng chảy, tạo thành các lỗ khóa và plasma, dẫn đến tăng độ sâu nóng chảy. Trong quá trình di chuyển, tia laser chiếu vào thành trước của lỗ khóa, và vị trí tia laser tiếp xúc với vật liệu sẽ gây ra sự bay hơi mạnh của vật liệu. Đồng thời, thành lỗ khóa sẽ bị mất khối lượng, và sự bay hơi sẽ tạo ra áp suất phản hồi ép xuống kim loại lỏng, khiến thành trong của lỗ khóa dao động xuống dưới và di chuyển xung quanh đáy lỗ khóa về phía sau vùng nóng chảy. Do sự dao động của vùng nóng chảy từ thành trước đến 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 sự thay đổi thể tích plasma phun ra. Sự thay đổi thể tích plasma dẫn đến sự thay đổi trong việc che chắn, khúc xạ và hấp thụ năng lượng laser, dẫn đến sự thay đổi năng lượng laser chiếu đến bề mặt vật liệu. Toàn bộ quá trình diễn ra năng động và có tính chu kỳ, cuối cùng dẫn đến sự thâm nhập kim loại có hình răng cưa và lượn sóng, không có mối hàn có độ thâm nhập đều và mịn. Hình trên là mặt cắt ngang của tâm mối hàn thu được bằng cách cắt dọc song song với tâm mối hàn, cũng như phép đo thời gian thực về sự thay đổi độ sâu lỗ khóa.IPG- 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 bởi thành lỗ và sự bay hơi của vật liệu, sự phun hơi kim loại ra ngoài lỗ nhỏ, và sự chuyển động về phía trước của lỗ nhỏ và vũng nóng chảy đều là những quá trình rất mạnh mẽ và nhanh chóng. Dưới một số 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. Các khuyết tật điển hình và phổ biến nhất là các khuyết tật rỗ dạng lỗ nhỏ và hiện tượng bắn tóe do sự sụp đổ của lỗ khóa;
Vậy làm thế nào để cố định lỗ khóa?
Sự biến thiên của chất lỏng trong 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 được tóm tắt đơn giản thành hai loại: mối quan hệ giữa sức căng bề mặt và áp suất phản hồi của hơi kim loại; Áp suất phản hồi của hơi kim loại tác động trực tiếp đến sự hình thành lỗ khóa, có liên quan chặt chẽ đến độ sâu và thể tích của lỗ khóa. Đồng thời, là chất duy nhất chuyển động lên trên của hơi kim loại trong quá trình hàn, nó cũng liên quan chặt chẽ đến sự xuất hiện của hiện tượng bắn tóe; Sức căng bề mặt ảnh hưởng đến dòng chảy của vũng nóng chảy;
Quá trình hàn laser ổn định phụ thuộc vào việc duy trì độ dốc phân bố sức căng bề mặt trong vũng nóng chảy mà không bị biến động quá nhiều. Sức căng bề mặt liên quan đến sự phân bố nhiệt độ, và sự phân bố nhiệt độ liên quan đến nguồn nhiệt. Do đó, nguồn nhiệt hỗn hợp và hàn dao động 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 miệng lỗ khóa. Miệng lỗ càng lớn thì lỗ khóa càng lớn, và sự dao động không đáng kể ở điểm đáy của vũng nóng chảy có tác động tương đối nhỏ đến thể tích lỗ khóa tổng thể và sự thay đổi áp suất bên trong; Do đó, các phương pháp như laser vòng điều chỉnh (điểm hình khuyên), tái kết hợp hồ quang laser, điều chế tần số, v.v. đều là những hướng có thể mở rộng.
Thời gian đăng bài: 01/12/2023
