열쇠 구멍의 형성과 발달:
열쇠 구멍 정의: 방사선 조사량이 10 ^ 6W/cm ^ 2보다 크면 재료 표면이 레이저 작용으로 녹아 증발합니다. 증발 속도가 충분히 크면 생성된 증기 반동 압력은 액체 금속의 표면 장력과 액체 중력을 극복하기에 충분하여 액체 금속의 일부를 변위시켜 여기 구역의 용융 풀을 가라앉혀 작은 구덩이를 형성합니다. ; 빛의 광선은 작은 구덩이의 바닥에 직접 작용하여 금속을 더욱 녹이고 가스화시킵니다. 고압 증기는 구덩이 바닥의 액체 금속을 계속해서 용융 풀 주변으로 흐르게 하여 작은 구멍을 더욱 깊게 만듭니다. 이 과정은 계속되어 궁극적으로 액체 금속에 구멍과 같은 열쇠 구멍을 형성합니다. 작은 구멍에서 레이저 빔에 의해 생성된 금속 증기압이 액체 금속의 표면 장력 및 중력과 평형에 도달하면 작은 구멍은 더 이상 깊어지지 않고 깊이 안정된 작은 구멍을 형성하는데, 이를 "작은 구멍 효과"라고 합니다. .
레이저 빔이 공작물을 기준으로 이동함에 따라 작은 구멍의 앞면은 약간 뒤로 휘어지고 뒷면에는 확실히 기울어진 역삼각형이 나타납니다. 작은 구멍의 앞쪽 가장자리는 레이저의 작용 영역으로 온도가 높고 증기압이 높으며 뒤쪽 가장자리를 따라 온도가 상대적으로 낮고 증기압이 작습니다. 이러한 압력과 온도 차이로 인해 용융된 액체는 작은 구멍을 중심으로 앞쪽 끝에서 뒤쪽 끝까지 흐르면서 작은 구멍 뒤쪽 끝에서 소용돌이를 형성하고 최종적으로 뒤쪽 가장자리에서 응고됩니다. 레이저 시뮬레이션과 실제 용접을 통해 얻은 열쇠 구멍의 동적 상태는 위 그림에 나와 있습니다. 작은 구멍의 형태와 다양한 속도로 이동하는 동안 주변 용융 액체의 흐름입니다.
작은 구멍이 있기 때문에 레이저 빔 에너지가 재료 내부로 침투하여 깊고 좁은 용접 이음새를 형성합니다. 레이저 깊은 용입 용접 이음매의 일반적인 단면 형태가 위 그림에 나와 있습니다. 용접 이음새의 침투 깊이는 열쇠 구멍의 깊이에 가깝습니다(정확하게 말하면 금속 조직 층은 열쇠 구멍보다 60-100um 더 깊고 액체 층이 하나 적습니다). 레이저 에너지 밀도가 높을수록 작은 구멍이 깊어지고 용접 이음새의 침투 깊이가 커집니다. 고출력 레이저 용접에서 용접 이음매의 최대 깊이 대 너비 비율은 12:1에 도달할 수 있습니다.
흡수 분석레이저 에너지열쇠구멍으로
작은 구멍과 플라즈마가 형성되기 전에 레이저 에너지는 주로 열전도를 통해 공작물 내부로 전달됩니다. 용접 공정은 전도성 용접(침투 깊이 0.5mm 미만)에 속하며 재료의 레이저 흡수율은 25-45%입니다. 키홀이 형성되면 레이저의 에너지는 키홀 효과를 통해 주로 공작물 내부에 흡수되며 용접 공정은 심용입 용접(관입 깊이가 0.5mm 이상)이 되어 흡수율은 60~90% 이상.
키홀 효과는 레이저 용접, 절단, 드릴링 등의 가공 시 레이저의 흡수를 높이는 데 매우 중요한 역할을 합니다. 열쇠 구멍으로 들어가는 레이저 빔은 구멍 벽의 다중 반사를 통해 거의 완전히 흡수됩니다.
일반적으로 열쇠 구멍 내부의 레이저 에너지 흡수 메커니즘에는 역흡수와 프레넬 흡수의 두 가지 과정이 포함되어 있다고 알려져 있습니다.
열쇠 구멍 내부의 압력 균형
레이저 심용입 용접 중에 재료는 심각한 기화를 겪고 고온 증기에 의해 생성된 팽창 압력으로 액체 금속이 배출되어 작은 구멍이 형성됩니다. 재료의 증기압 및 절제압(증발 반력 또는 반동압이라고도 함) 외에도 표면 장력, 중력으로 인한 액체 정압, 내부 용융 재료의 흐름에 의해 생성되는 유체 동압도 있습니다. 작은 구멍. 이 압력 중 증기압만이 작은 구멍의 입구를 유지하고, 나머지 세 가지 힘은 작은 구멍을 막으려고 노력합니다. 용접 공정 중 열쇠 구멍의 안정성을 유지하려면 증기압이 다른 저항을 극복하고 평형을 달성할 만큼 충분해야 열쇠 구멍의 장기적인 안정성을 유지할 수 있습니다. 단순화를 위해 일반적으로 열쇠 구멍 벽에 작용하는 힘은 주로 절제 압력(금속 증기 반동 압력)과 표면 장력이라고 믿어집니다.
열쇠구멍의 불안정성
배경: 레이저는 재료 표면에 작용하여 다량의 금속을 증발시킵니다. 반동 압력이 용융 풀을 눌러 열쇠 구멍과 플라즈마를 형성하여 용융 깊이가 증가합니다. 이동 과정에서 레이저는 열쇠 구멍의 전면 벽에 부딪히며 레이저가 재료에 접촉하는 위치는 재료의 심각한 증발을 유발합니다. 동시에, 열쇠 구멍 벽은 질량 손실을 겪게 되고, 증발로 인해 액체 금속을 누르는 반동 압력이 형성되어 열쇠 구멍의 내벽이 아래쪽으로 요동하고 열쇠 구멍 바닥 주위를 향해 이동하게 됩니다. 녹은 웅덩이 뒤쪽. 전면 벽에서 후면 벽으로 액체 용융 풀의 변동으로 인해 열쇠 구멍 내부의 부피가 끊임없이 변화하고, 이에 따라 열쇠 구멍의 내부 압력도 변화하여 분사되는 플라즈마의 부피가 변화하게 됩니다. . 플라즈마 부피의 변화는 레이저 에너지의 차폐, 굴절 및 흡수의 변화로 이어지며, 그 결과 재료 표면에 도달하는 레이저 에너지의 변화가 발생합니다. 전체 공정은 동적이고 주기적이어서 궁극적으로 톱니 모양과 물결 모양의 금속 용입이 발생하며 매끄러운 등압 용입 용접이 없습니다. 위 그림은 종 방향 절단으로 얻은 용접 중심의 단면도입니다. 용접 중심뿐만 아니라 키홀 깊이 변화를 실시간으로 측정합니다.IPG- 증거로 LDD.
열쇠 구멍의 안정성 방향을 개선합니다.
레이저 심용입 용접 중에 작은 구멍의 안정성은 구멍 내부의 다양한 압력의 동적 균형에 의해서만 보장될 수 있습니다. 그러나 구멍 벽에 의한 레이저 에너지 흡수와 재료의 증발, 작은 구멍 외부의 금속 증기 방출, 작은 구멍과 용융 풀의 전진 이동은 모두 매우 강렬하고 빠른 과정입니다. 특정 공정 조건에서, 용접 공정 중 특정 순간에 국부적으로 작은 구멍의 안정성이 손상되어 용접 결함이 발생할 가능성이 있습니다. 가장 일반적이고 흔한 것은 작은 기공형 다공성 결함과 키홀 붕괴로 인한 스패터입니다.
그렇다면 열쇠 구멍을 안정시키는 방법은 무엇입니까?
열쇠 구멍 유체의 변동은 상대적으로 복잡하고 너무 많은 요소(온도 장, 흐름 장, 힘 장, 광전자 물리학)를 포함합니다. 이는 표면 장력과 금속 증기 반동 압력 사이의 관계, 즉 두 가지 범주로 간단히 요약할 수 있습니다. 금속증기의 반동압력은 열쇠구멍의 생성에 직접적으로 작용하는데, 이는 열쇠구멍의 깊이 및 부피와 밀접한 관련이 있습니다. 동시에 용접 공정에서 금속 증기 중 유일하게 위로 이동하는 물질로서 스패터 발생과도 밀접한 관련이 있습니다. 표면 장력은 용융 풀의 흐름에 영향을 미칩니다.
따라서 안정적인 레이저 용접 공정은 큰 변동 없이 용융 풀의 표면 장력 분포 기울기를 유지하는 데 달려 있습니다. 표면장력은 온도 분포와 관련이 있고, 온도 분포는 열원과 관련이 있습니다. 따라서 복합 열원과 스윙 용접은 안정적인 용접 공정을 위한 잠재적인 기술 방향입니다.
금속 증기와 열쇠구멍 부피는 플라즈마 효과와 열쇠구멍 개구부의 크기에 주의를 기울여야 합니다. 개구부가 클수록 열쇠 구멍이 커지고 용융 풀 바닥 지점의 변동이 무시할 수 있으며 전체 열쇠 구멍 부피 및 내부 압력 변화에 상대적으로 작은 영향을 미칩니다. 따라서 조정 가능한 링 모드 레이저(환형 스폿), 레이저 아크 재결합, 주파수 변조 등은 모든 방향으로 확장될 수 있습니다.
게시 시간: 2023년 12월 1일
