ปฏิกิริยาระหว่างวัสดุเลเซอร์ – เอฟเฟกต์รูกุญแจ

การก่อตัวและการพัฒนารูกุญแจ:

คำจำกัดความของรูกุญแจ: เมื่อรังสีมีค่ามากกว่า 10 ^ 6W/cm ^ 2 พื้นผิวของวัสดุจะละลายและระเหยไปภายใต้การกระทำของเลเซอร์ เมื่อความเร็วการระเหยมีขนาดใหญ่เพียงพอ แรงดันการหดตัวของไอที่สร้างขึ้นจะเพียงพอที่จะเอาชนะแรงตึงผิวและแรงโน้มถ่วงของของเหลวของโลหะเหลว ดังนั้นจึงแทนที่โลหะเหลวบางส่วน ส่งผลให้สระหลอมเหลวที่โซนกระตุ้นจมและก่อตัวเป็นหลุมขนาดเล็ก ; ลำแสงทำหน้าที่โดยตรงที่ด้านล่างของหลุมเล็กๆ ทำให้โลหะละลายและกลายเป็นแก๊สมากขึ้น ไอน้ำแรงดันสูงยังคงบังคับให้โลหะเหลวที่ด้านล่างของหลุมไหลไปทางขอบสระหลอมเหลว ซึ่งจะทำให้รูเล็กๆ ลึกลงไปอีก กระบวนการนี้ดำเนินต่อไป และในที่สุดก็กลายเป็นรูกุญแจเหมือนรูในโลหะเหลว เมื่อความดันไอโลหะที่สร้างโดยลำแสงเลเซอร์ในรูเล็ก ๆ ถึงสมดุลกับแรงตึงผิวและแรงโน้มถ่วงของโลหะเหลว รูเล็ก ๆ จะไม่ลึกอีกต่อไปและก่อตัวเป็นรูเล็ก ๆ ที่มีความลึกที่มั่นคง ซึ่งเรียกว่า "เอฟเฟกต์รูเล็ก" .

เมื่อลำแสงเลเซอร์เคลื่อนที่สัมพันธ์กับชิ้นงาน รูเล็กๆ จะแสดงด้านหน้าโค้งไปด้านหลังเล็กน้อย และมีสามเหลี่ยมกลับหัวที่ด้านหลังอย่างชัดเจน ขอบด้านหน้าของรูเล็กคือพื้นที่การทำงานของเลเซอร์ซึ่งมีอุณหภูมิสูงและความดันไอสูง ในขณะที่อุณหภูมิตามขอบด้านหลังค่อนข้างต่ำและความดันไอมีขนาดเล็ก ภายใต้ความแตกต่างของความดันและอุณหภูมินี้ ของเหลวหลอมเหลวจะไหลรอบรูเล็ก ๆ จากส่วนหน้าไปยังส่วนหลัง ก่อตัวเป็นกระแสน้ำวนที่ปลายด้านหลังของรูเล็ก ๆ และในที่สุดก็แข็งตัวที่ขอบด้านหลัง สถานะไดนามิกของรูกุญแจที่ได้จากการจำลองด้วยเลเซอร์และการเชื่อมจริงจะแสดงในรูปด้านบน สัณฐานวิทยาของรูเล็กๆ และการไหลของของเหลวหลอมเหลวที่อยู่รอบๆ ในระหว่างการเดินทางด้วยความเร็วที่ต่างกัน

เนื่องจากมีรูเล็กๆ พลังงานลำแสงเลเซอร์จึงแทรกซึมเข้าไปในด้านในของวัสดุ ทำให้เกิดรอยเชื่อมที่ลึกและแคบ สัณฐานวิทยาหน้าตัดโดยทั่วไปของรอยเชื่อมที่เจาะลึกด้วยเลเซอร์แสดงไว้ในภาพด้านบน ความลึกของการเจาะของรอยเชื่อมนั้นใกล้เคียงกับความลึกของรูกุญแจ (ถ้าให้แม่นยำ ชั้นโลหะจะลึกกว่ารูกุญแจประมาณ 60-100um และมีชั้นของเหลวน้อยกว่าหนึ่งชั้น) ยิ่งความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์สูงเท่าไร รูเล็กๆ ก็จะยิ่งลึกมากขึ้นเท่านั้น และความลึกของการเจาะทะลุของตะเข็บเชื่อมก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ในการเชื่อมด้วยเลเซอร์กำลังสูง อัตราส่วนความลึกต่อความกว้างสูงสุดของตะเข็บเชื่อมสามารถสูงถึง 12:1

การวิเคราะห์การดูดซึมของพลังงานเลเซอร์โดยรูกุญแจ

ก่อนที่จะเกิดรูเล็กๆ และพลาสมา พลังงานของเลเซอร์จะถูกส่งไปยังด้านในของชิ้นงานเป็นหลักโดยการนำความร้อน กระบวนการเชื่อมเป็นของการเชื่อมแบบนำไฟฟ้า (มีความลึกในการเจาะน้อยกว่า 0.5 มม.) และอัตราการดูดซับของเลเซอร์ของวัสดุอยู่ระหว่าง 25-45% เมื่อรูกุญแจเกิดขึ้น พลังงานของเลเซอร์จะถูกดูดซับโดยส่วนใหญ่ภายในชิ้นงานผ่านเอฟเฟกต์รูกุญแจ และกระบวนการเชื่อมจะกลายเป็นการเชื่อมแบบเจาะลึก (ที่มีความลึกในการเจาะมากกว่า 0.5 มม.) อัตราการดูดซึมสามารถเข้าถึงได้ มากกว่า 60-90%

เอฟเฟกต์รูกุญแจมีบทบาทสำคัญในการเพิ่มการดูดซับของเลเซอร์ในระหว่างการประมวลผล เช่น การเชื่อมด้วยเลเซอร์ การตัด และการเจาะ ลำแสงเลเซอร์ที่เข้าสู่รูกุญแจจะถูกดูดซับเกือบทั้งหมดผ่านการสะท้อนหลายครั้งจากผนังรู

เป็นที่เชื่อกันโดยทั่วไปว่ากลไกการดูดซับพลังงานของเลเซอร์ภายในรูกุญแจประกอบด้วยสองกระบวนการ: การดูดซับแบบย้อนกลับ และการดูดซับแบบเฟรสเนล

ความสมดุลของแรงดันภายในรูกุญแจ

ในระหว่างการเชื่อมด้วยเลเซอร์ที่มีการเจาะลึก วัสดุจะเกิดการระเหยอย่างรุนแรง และความดันการขยายตัวที่เกิดจากไอน้ำอุณหภูมิสูงจะขับโลหะเหลวออกมา ทำให้เกิดรูเล็กๆ นอกเหนือจากความดันไอและความดันระเหย (หรือที่เรียกว่าแรงปฏิกิริยาการระเหยหรือความดันหดตัว) ของวัสดุแล้ว ยังมีแรงตึงผิว ความดันสถิตของของเหลวที่เกิดจากแรงโน้มถ่วง และความดันไดนามิกของของไหลที่เกิดจากการไหลของวัสดุหลอมเหลวภายใน รูเล็ก ๆ ท่ามกลางแรงกดดันเหล่านี้ มีเพียงแรงดันไอน้ำเท่านั้นที่จะรักษาการเปิดของรูเล็ก ๆ ในขณะที่แรงอีกสามแรงพยายามปิดรูเล็ก ๆ เพื่อรักษาเสถียรภาพของรูกุญแจในระหว่างกระบวนการเชื่อม ความดันไอจะต้องเพียงพอที่จะเอาชนะความต้านทานอื่นๆ และบรรลุความสมดุล โดยรักษาเสถียรภาพในระยะยาวของรูกุญแจ เพื่อความง่าย เชื่อกันโดยทั่วไปว่าแรงที่กระทำต่อผนังรูกุญแจส่วนใหญ่เป็นแรงดันการระเหย (แรงดันหดตัวของไอโลหะ) และแรงตึงผิว

ความไม่แน่นอนของรูกุญแจ

ความเป็นมา: เลเซอร์กระทำบนพื้นผิวของวัสดุ ทำให้โลหะจำนวนมากระเหยไป แรงดันหดตัวกดลงบนบ่อหลอมเหลว ก่อตัวเป็นรูกุญแจและพลาสมา ส่งผลให้ความลึกของการหลอมละลายเพิ่มขึ้น ในระหว่างกระบวนการเคลื่อนย้าย เลเซอร์จะกระทบผนังด้านหน้าของรูกุญแจ และตำแหน่งที่เลเซอร์สัมผัสกับวัสดุจะทำให้วัสดุระเหยอย่างรุนแรง ในเวลาเดียวกัน ผนังรูกุญแจจะสูญเสียมวล และการระเหยจะก่อให้เกิดแรงดันหดตัวซึ่งจะกดลงบนโลหะเหลว ทำให้ผนังด้านในของรูกุญแจผันผวนลงและเคลื่อนตัวไปที่ด้านล่างของรูกุญแจไปทาง ด้านหลังของสระน้ำหลอมเหลว เนื่องจากความผันผวนของสระของเหลวที่หลอมเหลวจากผนังด้านหน้าไปยังผนังด้านหลัง ปริมาตรภายในรูกุญแจจึงเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ความดันภายในของรูกุญแจก็เปลี่ยนแปลงตามไปด้วย ซึ่งนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงในปริมาตรของพลาสมาที่พ่นออกมา . การเปลี่ยนแปลงปริมาตรพลาสมาทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในการป้องกัน การหักเห และการดูดกลืนพลังงานเลเซอร์ ส่งผลให้พลังงานของเลเซอร์ที่ตกกระทบพื้นผิววัสดุเปลี่ยนแปลงไป กระบวนการทั้งหมดเป็นแบบไดนามิกและเป็นช่วง ๆ ในที่สุดส่งผลให้มีการเจาะโลหะที่มีรูปร่างเหมือนฟันเลื่อยและหยักและไม่มีรอยเชื่อมที่เจาะเท่ากันอย่างราบรื่น รูปด้านบนเป็นมุมมองหน้าตัดของศูนย์กลางของรอยเชื่อมที่ได้จากการตัดตามยาวขนานกับ จุดศูนย์กลางของรอยเชื่อม รวมถึงการวัดความแปรผันของความลึกของรูกุญแจแบบเรียลไทม์ด้วยไอพีจี-LDD ไว้เป็นหลักฐาน

ปรับปรุงทิศทางความมั่นคงของรูกุญแจ

ในระหว่างการเชื่อมด้วยเลเซอร์เจาะลึก ความมั่นคงของรูเล็ก ๆ สามารถมั่นใจได้ด้วยความสมดุลไดนามิกของแรงกดดันต่าง ๆ ภายในรูเท่านั้น อย่างไรก็ตาม การดูดซับพลังงานเลเซอร์โดยผนังรูและการระเหยของวัสดุ การพ่นไอโลหะออกไปนอกรูเล็ก และการเคลื่อนที่ไปข้างหน้าของรูเล็กและสระหลอมเหลว ล้วนเป็นกระบวนการที่เข้มข้นและรวดเร็วมาก ภายใต้เงื่อนไขของกระบวนการบางอย่าง ในบางช่วงเวลาระหว่างกระบวนการเชื่อม มีความเป็นไปได้ที่ความเสถียรของรูเล็ก ๆ อาจถูกรบกวนในพื้นที่ ทำให้เกิดข้อบกพร่องในการเชื่อม สิ่งที่พบได้ทั่วไปและพบบ่อยที่สุดคือข้อบกพร่องเกี่ยวกับรูพรุนขนาดเล็กและการกระเด็นที่เกิดจากการยุบตัวของรูกุญแจ

แล้วจะรักษารูกุญแจให้มั่นคงได้อย่างไร?

ความผันผวนของของไหลรูกุญแจค่อนข้างซับซ้อนและเกี่ยวข้องกับปัจจัยต่างๆ มากเกินไป (สนามอุณหภูมิ สนามการไหล สนามแรง ฟิสิกส์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์) ซึ่งสามารถสรุปได้ง่ายๆ เป็นสองประเภท: ความสัมพันธ์ระหว่างแรงตึงผิวและความดันหดตัวของไอโลหะ แรงดันหดตัวของไอโลหะมีผลโดยตรงต่อการสร้างรูกุญแจ ซึ่งสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับความลึกและปริมาตรของรูกุญแจ ในขณะเดียวกัน เนื่องจากไอโลหะเป็นสารที่เคลื่อนที่ขึ้นด้านบนเพียงชนิดเดียวในกระบวนการเชื่อม จึงมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับการเกิดสะเก็ดไฟอีกด้วย แรงตึงผิวส่งผลต่อการไหลของสระหลอมเหลว

ดังนั้นกระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์ที่มีความเสถียรจึงขึ้นอยู่กับการรักษาระดับการกระจายตัวของแรงตึงผิวในสระหลอมเหลว โดยไม่มีความผันผวนมากเกินไป แรงตึงผิวสัมพันธ์กับการกระจายของอุณหภูมิ และการกระจายอุณหภูมิสัมพันธ์กับแหล่งความร้อน ดังนั้นแหล่งความร้อนคอมโพสิตและการเชื่อมแบบสวิงจึงเป็นแนวทางทางเทคนิคที่เป็นไปได้สำหรับกระบวนการเชื่อมที่มีความเสถียร

ไอโลหะและปริมาตรของรูกุญแจต้องคำนึงถึงเอฟเฟกต์พลาสมาและขนาดของช่องเปิดรูกุญแจ ยิ่งช่องเปิดใหญ่ขึ้น รูกุญแจก็จะใหญ่ขึ้น และความผันผวนเล็กน้อยที่จุดด้านล่างสุดของแหล่งหลอมเหลว ซึ่งมีผลกระทบค่อนข้างน้อยต่อปริมาตรรูกุญแจโดยรวมและการเปลี่ยนแปลงความดันภายใน เลเซอร์โหมดวงแหวนที่ปรับได้ (จุดวงแหวน), การรวมส่วนโค้งของเลเซอร์, การมอดูเลตความถี่ ฯลฯ ล้วนเป็นทิศทางที่สามารถขยายได้