Die Entstehung und Entwicklung von Schlüssellöchern:
Schlüssellochdefinition: Wenn die Strahlungsintensität mehr als 10 ^ 6 W/cm ^ 2 beträgt, schmilzt die Oberfläche des Materials und verdampft unter der Einwirkung des Lasers. Wenn die Verdampfungsgeschwindigkeit groß genug ist, reicht der erzeugte Dampfrückstoßdruck aus, um die Oberflächenspannung und die Flüssigkeitsschwerkraft des flüssigen Metalls zu überwinden, wodurch ein Teil des flüssigen Metalls verdrängt wird, wodurch das Schmelzbad in der Anregungszone absinkt und kleine Löcher bildet ; Der Lichtstrahl wirkt direkt auf den Boden der kleinen Grube und lässt das Metall weiter schmelzen und vergasen. Hochdruckdampf treibt das flüssige Metall am Boden der Grube weiterhin dazu, in Richtung der Peripherie des Schmelzbades zu fließen, wodurch das kleine Loch weiter vertieft wird. Dieser Prozess setzt sich fort und bildet schließlich ein schlüssellochartiges Loch im flüssigen Metall. Wenn der vom Laserstrahl in dem kleinen Loch erzeugte Metalldampfdruck das Gleichgewicht mit der Oberflächenspannung und der Schwerkraft des flüssigen Metalls erreicht, vertieft sich das kleine Loch nicht mehr und bildet ein tiefenstabiles kleines Loch, was als „Kleinlocheffekt“ bezeichnet wird. .
Während sich der Laserstrahl relativ zum Werkstück bewegt, zeigt das kleine Loch eine leicht nach hinten gebogene Vorderseite und ein deutlich geneigtes umgekehrtes Dreieck auf der Rückseite. Die Vorderkante des kleinen Lochs ist der Wirkungsbereich des Lasers mit hoher Temperatur und hohem Dampfdruck, während die Temperatur entlang der Hinterkante relativ niedrig und der Dampfdruck gering ist. Unter diesem Druck- und Temperaturunterschied fließt die geschmolzene Flüssigkeit vom vorderen Ende zum hinteren Ende um das kleine Loch herum, bildet am hinteren Ende des kleinen Lochs einen Wirbel und erstarrt schließlich am hinteren Rand. Der dynamische Zustand des Schlüssellochs, der durch Lasersimulation und tatsächliches Schweißen ermittelt wurde, ist in der obigen Abbildung dargestellt: Die Morphologie kleiner Löcher und die Strömung der umgebenden geschmolzenen Flüssigkeit während der Bewegung mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten.
Durch das Vorhandensein kleiner Löcher dringt die Energie des Laserstrahls in das Innere des Materials ein und bildet diese tiefe und schmale Schweißnaht. Die typische Querschnittsmorphologie der Laser-Tiefschweißnaht ist in der obigen Abbildung dargestellt. Die Eindringtiefe der Schweißnaht liegt nahe an der Tiefe des Schlüssellochs (genauer gesagt ist die metallografische Schicht 60–100 µm tiefer als das Schlüsselloch, eine Flüssigkeitsschicht weniger). Je höher die Laserenergiedichte, desto tiefer das kleine Loch und desto größer die Eindringtiefe der Schweißnaht. Beim Hochleistungslaserschweißen kann das maximale Tiefen-Breiten-Verhältnis der Schweißnaht 12:1 erreichen.
Analyse der Absorption vonLaserenergieper Schlüsselloch
Vor der Bildung kleiner Löcher und Plasma wird die Energie des Lasers hauptsächlich durch Wärmeleitung in das Innere des Werkstücks übertragen. Der Schweißprozess gehört zum konduktiven Schweißen (mit einer Eindringtiefe von weniger als 0,5 mm) und die Absorptionsrate des Materials durch den Laser liegt zwischen 25 und 45 %. Sobald das Schlüsselloch gebildet ist, wird die Energie des Lasers durch den Schlüssellocheffekt hauptsächlich vom Inneren des Werkstücks absorbiert, und der Schweißprozess wird zum Tiefschweißen (mit einer Eindringtiefe von mehr als 0,5 mm). Die Absorptionsrate kann erreicht werden über 60-90 %.
Der Schlüssellocheffekt spielt eine äußerst wichtige Rolle bei der Verbesserung der Laserabsorption während der Bearbeitung wie Laserschweißen, -schneiden und -bohren. Der in das Schlüsselloch eintretende Laserstrahl wird durch mehrfache Reflexionen an der Lochwand nahezu vollständig absorbiert.
Es wird allgemein angenommen, dass der Energieabsorptionsmechanismus des Lasers im Schlüsselloch zwei Prozesse umfasst: Umkehrabsorption und Fresnel-Absorption.
Druckausgleich im Schlüsselloch
Beim Laser-Tiefschweißen verdampft das Material stark und der durch Hochtemperaturdampf erzeugte Expansionsdruck treibt das flüssige Metall aus und bildet kleine Löcher. Zusätzlich zum Dampfdruck und Ablationsdruck (auch als Verdampfungsreaktionskraft oder Rückstoßdruck bekannt) des Materials gibt es auch Oberflächenspannung, den durch die Schwerkraft verursachten statischen Flüssigkeitsdruck und den dynamischen Flüssigkeitsdruck, der durch den Fluss des geschmolzenen Materials im Inneren erzeugt wird kleines Loch. Von diesen Drücken hält nur der Dampfdruck die Öffnung des kleinen Lochs aufrecht, während die anderen drei Kräfte danach streben, das kleine Loch zu schließen. Um die Stabilität des Schlüssellochs während des Schweißvorgangs aufrechtzuerhalten, muss der Dampfdruck ausreichen, um andere Widerstände zu überwinden und ein Gleichgewicht zu erreichen, sodass die Langzeitstabilität des Schlüssellochs erhalten bleibt. Der Einfachheit halber wird allgemein angenommen, dass die auf die Schlüssellochwand wirkenden Kräfte hauptsächlich Ablationsdruck (Rückstoßdruck des Metalldampfes) und Oberflächenspannung sind.
Instabilität von Keyhole
Hintergrund: Laser wirken auf die Oberfläche von Materialien und führen dazu, dass große Mengen Metall verdampfen. Der Rückstoßdruck drückt auf das Schmelzbad und bildet Schlüssellöcher und Plasma, was zu einer Vergrößerung der Schmelztiefe führt. Während des Bewegungsvorgangs trifft der Laser auf die Vorderwand des Schlüssellochs, und an der Stelle, an der der Laser das Material berührt, kommt es zu einer starken Verdunstung des Materials. Gleichzeitig erfährt die Wand des Schlüssellochs einen Masseverlust, und durch die Verdampfung entsteht ein Rückstoßdruck, der auf das flüssige Metall drückt, wodurch die Innenwand des Schlüssellochs nach unten schwankt und sich um den Boden des Schlüssellochs herum in Richtung des Schlüssellochs bewegt Rückseite des Schmelzbades. Durch die Schwankung des flüssigen Schmelzbades von der Vorderwand zur Rückwand ändert sich das Volumen im Inneren des Schlüssellochs ständig. Dementsprechend ändert sich auch der Innendruck des Schlüssellochs, was zu einer Änderung des Volumens des ausgespritzten Plasmas führt . Die Änderung des Plasmavolumens führt zu Änderungen der Abschirmung, Brechung und Absorption der Laserenergie, was zu Änderungen der Energie des Lasers führt, die die Materialoberfläche erreicht. Der gesamte Prozess ist dynamisch und periodisch und führt letztendlich zu einer sägezahnförmigen und wellenförmigen Metalldurchdringung, und es gibt keine glatte Schweißnaht mit gleichmäßiger Durchdringung Mitte der Schweißnaht sowie eine Echtzeitmessung der Schlüssellochtiefenvariation durchIPG-LDD als Beweis.
Verbessern Sie die Stabilitätsrichtung des Schlüssellochs
Beim Laser-Tiefschweißen kann die Stabilität des kleinen Lochs nur durch das dynamische Gleichgewicht verschiedener Drücke im Loch gewährleistet werden. Allerdings sind die Absorption von Laserenergie durch die Lochwand und die Verdampfung von Materialien, der Ausstoß von Metalldampf aus dem kleinen Loch und die Vorwärtsbewegung des kleinen Lochs und des Schmelzbades allesamt sehr intensive und schnelle Prozesse. Unter bestimmten Prozessbedingungen und zu bestimmten Zeitpunkten während des Schweißprozesses besteht die Möglichkeit, dass die Stabilität des kleinen Lochs lokal gestört wird und es zu Schweißfehlern kommt. Die typischsten und häufigsten sind Porositätsdefekte vom Typ kleiner Poren und Spritzer, die durch den Zusammenbruch des Schlüssellochs verursacht werden;
Wie stabilisiert man also das Schlüsselloch?
Die Fluktuation der Schlüssellochflüssigkeit ist relativ komplex und beinhaltet zu viele Faktoren (Temperaturfeld, Strömungsfeld, Kraftfeld, optoelektronische Physik), die einfach in zwei Kategorien zusammengefasst werden können: die Beziehung zwischen Oberflächenspannung und Metalldampf-Rückstoßdruck; Der Rückstoßdruck des Metalldampfes wirkt sich direkt auf die Entstehung von Schlüssellöchern aus, die eng mit der Tiefe und dem Volumen der Schlüssellöcher zusammenhängt. Gleichzeitig ist es als einzige nach oben wandernde Substanz des Metalldampfes im Schweißprozess auch eng mit der Entstehung von Spritzern verbunden; Die Oberflächenspannung beeinflusst die Strömung des Schmelzbades;
Ein stabiler Laserschweißprozess hängt also davon ab, dass der Verteilungsgradient der Oberflächenspannung im Schmelzbad ohne zu große Schwankungen aufrechterhalten wird. Die Oberflächenspannung hängt mit der Temperaturverteilung zusammen, und die Temperaturverteilung hängt mit der Wärmequelle zusammen. Daher sind Verbundwärmequellen- und Schwenkschweißen potenzielle technische Richtungen für einen stabilen Schweißprozess;
Beim Metalldampf- und Schlüssellochvolumen muss auf den Plasmaeffekt und die Größe der Schlüssellochöffnung geachtet werden. Je größer die Öffnung, desto größer das Schlüsselloch und die vernachlässigbaren Schwankungen am unteren Punkt des Schmelzbads, die einen relativ geringen Einfluss auf das gesamte Schlüssellochvolumen und die Innendruckänderungen haben; Einstellbarer Ringmoduslaser (ringförmiger Punkt), Laserbogenrekombination, Frequenzmodulation usw. sind also alles Richtungen, die erweitert werden können.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 01.12.2023
