Pembentukan dan perkembangan lubang kunci:
Definisi lubang kunci: Ketika intensitas radiasi lebih besar dari 10^6 W/cm², permukaan material meleleh dan menguap di bawah pengaruh laser. Ketika kecepatan penguapan cukup besar, tekanan rekoil uap yang dihasilkan cukup untuk mengatasi tegangan permukaan dan gravitasi cairan logam cair, sehingga menggeser sebagian logam cair, menyebabkan kolam lelehan di zona eksitasi tenggelam dan membentuk lubang-lubang kecil; Sinar laser langsung bekerja pada dasar lubang kecil, menyebabkan logam meleleh dan menguap lebih lanjut. Uap bertekanan tinggi terus memaksa logam cair di dasar lubang untuk mengalir ke arah tepi kolam lelehan, memperdalam lubang kecil tersebut. Proses ini berlanjut, akhirnya membentuk lubang seperti lubang kunci pada logam cair. Ketika tekanan uap logam yang dihasilkan oleh sinar laser di dalam lubang kecil mencapai keseimbangan dengan tegangan permukaan dan gravitasi logam cair, lubang kecil tersebut tidak lagi semakin dalam dan membentuk lubang kecil yang stabil kedalamannya, yang disebut "efek lubang kecil".
Saat berkas laser bergerak relatif terhadap benda kerja, lubang kecil menunjukkan bagian depan yang sedikit melengkung ke belakang dan segitiga terbalik yang jelas miring di bagian belakang. Tepi depan lubang kecil adalah area aksi laser, dengan suhu tinggi dan tekanan uap tinggi, sedangkan suhu di sepanjang tepi belakang relatif rendah dan tekanan uapnya kecil. Di bawah perbedaan tekanan dan suhu ini, cairan leleh mengalir di sekitar lubang kecil dari ujung depan ke ujung belakang, membentuk pusaran di ujung belakang lubang kecil, dan akhirnya membeku di tepi belakang. Keadaan dinamis lubang kunci yang diperoleh melalui simulasi laser dan pengelasan aktual ditunjukkan pada gambar di atas, yaitu morfologi lubang kecil dan aliran cairan leleh di sekitarnya selama pergerakan pada kecepatan yang berbeda.
Karena adanya lubang-lubang kecil, energi sinar laser menembus ke bagian dalam material, membentuk sambungan las yang dalam dan sempit ini. Morfologi penampang khas sambungan las penetrasi dalam laser ditunjukkan pada gambar di atas. Kedalaman penetrasi sambungan las mendekati kedalaman lubang kunci (tepatnya, lapisan metalografi 60-100 µm lebih dalam dari lubang kunci, satu lapisan cairan lebih sedikit). Semakin tinggi kepadatan energi laser, semakin dalam lubang kecil, dan semakin besar kedalaman penetrasi sambungan las. Dalam pengelasan laser daya tinggi, rasio kedalaman terhadap lebar maksimum sambungan las dapat mencapai 12:1.
Analisis penyerapanenergi laseroleh lubang kunci
Sebelum terbentuknya lubang-lubang kecil dan plasma, energi laser terutama ditransmisikan ke bagian dalam benda kerja melalui konduksi termal. Proses pengelasan termasuk pengelasan konduktif (dengan kedalaman penetrasi kurang dari 0,5 mm), dan tingkat penyerapan laser oleh material berkisar antara 25-45%. Setelah lubang kunci terbentuk, energi laser terutama diserap oleh bagian dalam benda kerja melalui efek lubang kunci, dan proses pengelasan menjadi pengelasan penetrasi dalam (dengan kedalaman penetrasi lebih dari 0,5 mm), tingkat penyerapannya dapat mencapai lebih dari 60-90%.
Efek lubang kunci memainkan peran yang sangat penting dalam meningkatkan penyerapan laser selama proses seperti pengelasan laser, pemotongan, dan pengeboran. Sinar laser yang masuk ke dalam lubang kunci hampir sepenuhnya diserap melalui beberapa pantulan dari dinding lubang.
Secara umum diyakini bahwa mekanisme penyerapan energi laser di dalam lubang kunci meliputi dua proses: penyerapan terbalik dan penyerapan Fresnel.
Keseimbangan tekanan di dalam lubang kunci
Selama pengelasan penetrasi dalam laser, material mengalami penguapan yang parah, dan tekanan ekspansi yang dihasilkan oleh uap bersuhu tinggi mendorong logam cair keluar, membentuk lubang-lubang kecil. Selain tekanan uap dan tekanan ablasi (juga dikenal sebagai gaya reaksi penguapan atau tekanan rekoil) material, terdapat juga tegangan permukaan, tekanan statis cairan yang disebabkan oleh gravitasi, dan tekanan dinamis fluida yang dihasilkan oleh aliran material cair di dalam lubang kecil. Di antara tekanan-tekanan ini, hanya tekanan uap yang mempertahankan bukaan lubang kecil, sementara tiga gaya lainnya berusaha untuk menutup lubang kecil tersebut. Untuk menjaga stabilitas lubang kunci selama proses pengelasan, tekanan uap harus cukup untuk mengatasi hambatan lain dan mencapai keseimbangan, menjaga stabilitas jangka panjang lubang kunci. Untuk penyederhanaan, secara umum diyakini bahwa gaya yang bekerja pada dinding lubang kunci terutama adalah tekanan ablasi (tekanan rekoil uap logam) dan tegangan permukaan.
Ketidakstabilan Lubang Kunci
Latar Belakang: Laser bekerja pada permukaan material, menyebabkan sejumlah besar logam menguap. Tekanan rekoil menekan kolam lelehan, membentuk lubang kunci dan plasma, yang mengakibatkan peningkatan kedalaman peleburan. Selama proses pergerakan, laser mengenai dinding depan lubang kunci, dan posisi di mana laser bersentuhan dengan material akan menyebabkan penguapan material yang parah. Pada saat yang sama, dinding lubang kunci akan mengalami kehilangan massa, dan penguapan akan membentuk tekanan rekoil yang akan menekan logam cair, menyebabkan dinding bagian dalam lubang kunci berfluktuasi ke bawah dan bergerak di sekitar bagian bawah lubang kunci menuju bagian belakang kolam lelehan. Karena fluktuasi kolam lelehan cair dari dinding depan ke dinding belakang, volume di dalam lubang kunci terus berubah. Tekanan internal lubang kunci juga berubah sesuai, yang menyebabkan perubahan volume plasma yang disemprotkan. Perubahan volume plasma menyebabkan perubahan perisai, pembiasan, dan penyerapan energi laser, yang mengakibatkan perubahan energi laser yang mencapai permukaan material. Seluruh proses bersifat dinamis dan periodik, yang pada akhirnya menghasilkan penetrasi logam berbentuk bergerigi dan bergelombang, dan tidak ada pengelasan penetrasi yang rata dan halus. Gambar di atas adalah penampang melintang dari pusat pengelasan yang diperoleh dengan pemotongan memanjang sejajar dengan pusat pengelasan, serta pengukuran waktu nyata dari variasi kedalaman lubang kunci.IPG-LDD sebagai bukti.
Meningkatkan arah stabilitas lubang kunci
Selama pengelasan penetrasi dalam laser, stabilitas lubang kecil hanya dapat dipastikan oleh keseimbangan dinamis berbagai tekanan di dalam lubang. Namun, penyerapan energi laser oleh dinding lubang dan penguapan material, pelepasan uap logam di luar lubang kecil, dan pergerakan maju lubang kecil dan kolam lelehan semuanya merupakan proses yang sangat intens dan cepat. Dalam kondisi proses tertentu, pada saat-saat tertentu selama proses pengelasan, ada kemungkinan bahwa stabilitas lubang kecil dapat terganggu di area lokal, yang menyebabkan cacat pengelasan. Yang paling umum dan khas adalah cacat porositas tipe pori kecil dan percikan yang disebabkan oleh runtuhnya lubang kunci;
Jadi bagaimana cara menstabilkan lubang kunci?
Fluktuasi fluida lubang kunci relatif kompleks dan melibatkan terlalu banyak faktor (medan suhu, medan aliran, medan gaya, fisika optoelektronik), yang dapat disederhanakan menjadi dua kategori: hubungan antara tegangan permukaan dan tekanan rekoil uap logam; Tekanan rekoil uap logam secara langsung memengaruhi pembentukan lubang kunci, yang terkait erat dengan kedalaman dan volume lubang kunci. Pada saat yang sama, sebagai satu-satunya zat yang bergerak ke atas dari uap logam dalam proses pengelasan, hal ini juga terkait erat dengan terjadinya percikan; Tegangan permukaan memengaruhi aliran kolam lelehan;
Proses pengelasan laser yang stabil bergantung pada pemeliharaan gradien distribusi tegangan permukaan di kolam lelehan, tanpa terlalu banyak fluktuasi. Tegangan permukaan berhubungan dengan distribusi suhu, dan distribusi suhu berhubungan dengan sumber panas. Oleh karena itu, sumber panas komposit dan pengelasan ayunan merupakan arah teknis potensial untuk proses pengelasan yang stabil;
Volume uap logam dan lubang kunci perlu memperhatikan efek plasma dan ukuran bukaan lubang kunci. Semakin besar bukaan, semakin besar lubang kunci, dan fluktuasi yang dapat diabaikan pada titik dasar kolam lelehan, yang memiliki dampak relatif kecil pada volume lubang kunci keseluruhan dan perubahan tekanan internal; Oleh karena itu, laser mode cincin yang dapat disesuaikan (titik melingkar), rekombinasi busur laser, modulasi frekuensi, dll., semuanya merupakan arah yang dapat dikembangkan.
Waktu posting: 01-Des-2023
