تفاعل مادة الليزر – تأثير ثقب المفتاح

تشكيل وتطوير ثقوب المفتاح:

تعريف ثقب المفتاح: عندما يكون الإشعاع الإشعاعي أكبر من 10 ^ 6 وات/سم ^ 2، فإن سطح المادة يذوب ويتبخر تحت تأثير الليزر. عندما تكون سرعة التبخر كبيرة بدرجة كافية، يكون ضغط ارتداد البخار المتولد كافيًا للتغلب على التوتر السطحي والجاذبية السائلة للمعدن السائل، وبالتالي إزاحة بعض المعدن السائل، مما يؤدي إلى غرق البركة المنصهرة في منطقة الإثارة وتشكيل حفر صغيرة ; يعمل شعاع الضوء مباشرة على قاع الحفرة الصغيرة، مما يتسبب في ذوبان المعدن وتحوله إلى غاز. يستمر البخار عالي الضغط في إجبار المعدن السائل الموجود في قاع الحفرة على التدفق نحو محيط البركة المنصهرة، مما يزيد من تعميق الحفرة الصغيرة. تستمر هذه العملية، لتشكل في النهاية ثقبًا يشبه ثقب المفتاح في المعدن السائل. عندما يصل ضغط بخار المعدن الناتج عن شعاع الليزر في الثقب الصغير إلى التوازن مع التوتر السطحي وجاذبية المعدن السائل، فإن الثقب الصغير لم يعد يتعمق ويشكل ثقبًا صغيرًا مستقر العمق، وهو ما يسمى “تأثير الثقب الصغير” .

عندما يتحرك شعاع الليزر بالنسبة إلى قطعة العمل، يُظهر الثقب الصغير واجهة منحنية إلى الخلف قليلاً ومثلثًا مقلوبًا مائلًا بشكل واضح في الخلف. الحافة الأمامية للثقب الصغير هي منطقة عمل الليزر، مع درجة حرارة عالية وضغط بخار مرتفع، في حين أن درجة الحرارة على طول الحافة الخلفية منخفضة نسبيًا وضغط البخار صغير. في ظل هذا الاختلاف في الضغط ودرجة الحرارة، يتدفق السائل المنصهر حول الثقب الصغير من الطرف الأمامي إلى الطرف الخلفي، ويشكل دوامة في الطرف الخلفي للثقب الصغير، ويتجمد أخيرًا عند الحافة الخلفية. الحالة الديناميكية لثقب المفتاح التي تم الحصول عليها من خلال محاكاة الليزر واللحام الفعلي موضحة في الشكل أعلاه، مورفولوجية الثقوب الصغيرة وتدفق السائل المنصهر المحيط أثناء السفر بسرعات مختلفة.

نظرًا لوجود ثقوب صغيرة، فإن طاقة شعاع الليزر تخترق الجزء الداخلي من المادة، وتشكل خط اللحام العميق والضيق. يظهر الشكل المقطعي النموذجي لخط لحام الاختراق العميق بالليزر في الشكل أعلاه. عمق اختراق خط اللحام قريب من عمق ثقب المفتاح (على وجه الدقة، الطبقة المعدنية أعمق بـ 60-100 ميكرومتر من ثقب المفتاح، أي طبقة أقل سيولة). كلما زادت كثافة طاقة الليزر، كلما كان الثقب الصغير أعمق، وزاد عمق اختراق خط اللحام. في اللحام بالليزر عالي الطاقة، يمكن أن تصل نسبة العمق إلى العرض القصوى لدرزة اللحام إلى 12:1.

تحليل الامتصاصطاقة الليزربواسطة ثقب المفتاح

قبل تشكيل الثقوب الصغيرة والبلازما، تنتقل طاقة الليزر بشكل أساسي إلى الجزء الداخلي من قطعة العمل من خلال التوصيل الحراري. تنتمي عملية اللحام إلى اللحام التوصيلي (بعمق اختراق أقل من 0.5 مم)، وتتراوح نسبة امتصاص المادة لليزر بين 25-45%. بمجرد تشكيل ثقب المفتاح، يتم امتصاص طاقة الليزر بشكل أساسي من خلال الجزء الداخلي من قطعة العمل من خلال تأثير ثقب المفتاح، وتصبح عملية اللحام لحام اختراق عميق (مع عمق اختراق أكثر من 0.5 مم)، يمكن أن يصل معدل الامتصاص إلى أكثر من 60-90%.

يلعب تأثير ثقب المفتاح دورًا مهمًا للغاية في تعزيز امتصاص الليزر أثناء المعالجة مثل اللحام بالليزر والقطع والحفر. يتم امتصاص شعاع الليزر الذي يدخل ثقب المفتاح بالكامل تقريبًا من خلال انعكاسات متعددة من جدار الثقب.

من المعتقد بشكل عام أن آلية امتصاص طاقة الليزر داخل ثقب المفتاح تتضمن عمليتين: الامتصاص العكسي وامتصاص فريسنل.

توازن الضغط داخل ثقب المفتاح

أثناء اللحام باختراق عميق بالليزر، تخضع المادة لتبخر شديد، ويقوم ضغط التمدد الناتج عن البخار ذو درجة الحرارة العالية بطرد المعدن السائل، مما يشكل ثقوبًا صغيرة. بالإضافة إلى ضغط البخار وضغط الاجتثاث (المعروف أيضًا باسم قوة رد فعل التبخر أو ضغط الارتداد) للمادة، هناك أيضًا التوتر السطحي، والضغط الساكن السائل الناجم عن الجاذبية، والضغط الديناميكي للسوائل الناتج عن تدفق المادة المنصهرة داخل ثقب صغير. ومن بين هذه الضغوط، فإن ضغط البخار وحده هو الذي يحافظ على فتح الثقب الصغير، بينما تسعى القوى الثلاث الأخرى إلى إغلاق الثقب الصغير. للحفاظ على استقرار ثقب المفتاح أثناء عملية اللحام، يجب أن يكون ضغط البخار كافيًا للتغلب على المقاومة الأخرى وتحقيق التوازن، والحفاظ على استقرار ثقب المفتاح على المدى الطويل. من أجل التبسيط، يُعتقد عمومًا أن القوى المؤثرة على جدار ثقب المفتاح هي بشكل أساسي ضغط الاجتثاث (ضغط ارتداد بخار المعدن) والتوتر السطحي.

عدم استقرار ثقب المفتاح

الخلفية: يعمل الليزر على سطح المواد مما يؤدي إلى تبخر كمية كبيرة من المعدن. يضغط ضغط الارتداد على البركة المنصهرة، مما يشكل ثقوبًا وبلازما، مما يؤدي إلى زيادة في عمق الذوبان. أثناء عملية التحرك، يضرب الليزر الجدار الأمامي لثقب المفتاح، وسيتسبب الموضع الذي يلامس فيه الليزر المادة في تبخر شديد للمادة. في الوقت نفسه، سيتعرض جدار ثقب المفتاح لفقدان الكتلة، وسيشكل التبخر ضغطًا ارتداديًا سيضغط لأسفل على المعدن السائل، مما يتسبب في تقلب الجدار الداخلي لثقب المفتاح إلى الأسفل والتحرك حول الجزء السفلي من ثقب المفتاح نحو الجزء الخلفي من البركة المنصهرة. بسبب تذبذب حوض السائل المنصهر من الجدار الأمامي إلى الجدار الخلفي، فإن الحجم داخل ثقب المفتاح يتغير باستمرار، ويتغير الضغط الداخلي لثقب المفتاح أيضًا وفقًا لذلك، مما يؤدي إلى تغيير في حجم البلازما التي يتم رشها للخارج . يؤدي التغير في حجم البلازما إلى تغيرات في التدريع والانكسار وامتصاص طاقة الليزر، مما يؤدي إلى تغيرات في طاقة الليزر التي تصل إلى سطح المادة. العملية برمتها ديناميكية ودورية، مما يؤدي في النهاية إلى اختراق المعدن على شكل مسنن ومتموج، ولا يوجد لحام اختراق متساوٍ وسلس، الشكل أعلاه عبارة عن منظر مقطعي لمركز اللحام تم الحصول عليه عن طريق القطع الطولي الموازي لـ مركز اللحام، بالإضافة إلى قياس في الوقت الحقيقي لاختلاف عمق ثقب المفتاح بواسطةإيبغ-LDD كدليل.

تحسين اتجاه استقرار ثقب المفتاح

أثناء اللحام بالاختراق العميق بالليزر، لا يمكن ضمان استقرار الثقب الصغير إلا من خلال التوازن الديناميكي للضغوط المختلفة داخل الثقب. ومع ذلك، فإن امتصاص طاقة الليزر عن طريق جدار الثقب وتبخر المواد، وطرد البخار المعدني خارج الثقب الصغير، والحركة الأمامية للثقب الصغير والبركة المنصهرة كلها عمليات مكثفة وسريعة للغاية. في ظل ظروف عملية معينة، في لحظات معينة أثناء عملية اللحام، هناك احتمال أن يتعطل استقرار الثقب الصغير في المناطق المحلية، مما يؤدي إلى عيوب اللحام. وأكثرها شيوعًا هي عيوب المسام الصغيرة من النوع المسامي والتناثر الناتج عن انهيار ثقب المفتاح؛

فكيف لتحقيق الاستقرار في ثقب المفتاح؟

إن تقلب مائع ثقب المفتاح معقد نسبيًا ويتضمن عوامل كثيرة جدًا (مجال درجة الحرارة، ومجال التدفق، ومجال القوة، والفيزياء الإلكترونية الضوئية)، والتي يمكن تلخيصها ببساطة في فئتين: العلاقة بين التوتر السطحي وضغط ارتداد بخار المعدن؛ يعمل ضغط الارتداد للبخار المعدني بشكل مباشر على توليد ثقوب المفاتيح، وهو ما يرتبط ارتباطًا وثيقًا بعمق وحجم ثقوب المفاتيح. في الوقت نفسه، باعتبارها المادة الوحيدة التي تتحرك لأعلى من بخار المعدن في عملية اللحام، فهي أيضًا مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بحدوث الترشيش؛ يؤثر التوتر السطحي على تدفق البركة المنصهرة؛

لذا فإن عملية اللحام بالليزر المستقرة تعتمد على الحفاظ على تدرج توزيع التوتر السطحي في البركة المنصهرة، دون الكثير من التقلبات. ويرتبط التوتر السطحي بتوزيع درجة الحرارة، ويرتبط توزيع درجة الحرارة بمصدر الحرارة. ولذلك، فإن مصدر الحرارة المركب واللحام المتأرجح هما توجيهات فنية محتملة لعملية لحام مستقرة؛

يحتاج بخار المعدن وحجم ثقب المفتاح إلى الانتباه إلى تأثير البلازما وحجم فتحة ثقب المفتاح. كلما كانت الفتحة أكبر، كلما كان ثقب المفتاح أكبر، والتقلبات التي لا تذكر في النقطة السفلية لحوض الذوبان، والتي لها تأثير صغير نسبيًا على الحجم الإجمالي لثقب المفتاح وتغيرات الضغط الداخلي؛ لذا فإن ليزر وضع الحلقة القابل للتعديل (البقعة الحلقية)، وإعادة تركيب قوس الليزر، وتعديل التردد، وما إلى ذلك، كلها اتجاهات يمكن توسيعها.