लेझर आणि पदार्थांमधील आंतरक्रिया – कीहोल परिणाम

किहोलची निर्मिती आणि विकास:

किहोलची व्याख्या: जेव्हा किरणोत्सर्गाची तीव्रता 10^6W/cm^2 पेक्षा जास्त असते, तेव्हा लेझरच्या प्रभावाखाली पदार्थाचा पृष्ठभाग वितळतो आणि त्याचे बाष्पीभवन होते. जेव्हा बाष्पीभवनाचा वेग पुरेसा जास्त असतो, तेव्हा निर्माण झालेला बाष्पाचा प्रतिक्षेप दाब द्रवरूप धातूचा पृष्ठताण आणि द्रवरूप गुरुत्वाकर्षण यावर मात करण्यासाठी पुरेसा असतो, ज्यामुळे काही द्रवरूप धातू विस्थापित होतो. यामुळे उत्तेजन क्षेत्रातील वितळलेला भाग खाली बसतो आणि लहान खड्डे तयार होतात; प्रकाशकिरण थेट लहान खड्ड्याच्या तळावर कार्य करतात, ज्यामुळे धातू आणखी वितळतो आणि त्याचे वायूकरण होते. उच्च दाबाची वाफ खड्ड्याच्या तळाशी असलेल्या द्रवरूप धातूला वितळलेल्या भागाच्या परिघाकडे वाहण्यास भाग पाडत राहते, ज्यामुळे लहान छिद्र आणखी खोल होते. ही प्रक्रिया चालू राहते आणि अखेरीस द्रवरूप धातूमध्ये किहोलसारखे छिद्र तयार होते. जेव्हा लहान छिद्रामध्ये लेझर किरणाद्वारे निर्माण झालेला धातूच्या बाष्पाचा दाब द्रवरूप धातूच्या पृष्ठताण आणि गुरुत्वाकर्षणाशी समतोल साधतो, तेव्हा लहान छिद्र आणखी खोल होणे थांबते आणि खोली स्थिर असलेले लहान छिद्र तयार होते, ज्याला "लहान छिद्र प्रभाव" (small hole effect) म्हणतात.

जेव्हा लेझर बीम वर्कपीसच्या सापेक्ष फिरतो, तेव्हा लहान छिद्राचा पुढचा भाग किंचित मागे वळलेला असतो आणि मागच्या बाजूला एक स्पष्टपणे झुकलेला उलटा त्रिकोण दिसतो. लहान छिद्राची पुढची कडा हे लेझरचे कार्यक्षेत्र आहे, जिथे तापमान आणि बाष्प दाब जास्त असतो, तर मागच्या कडेकडील तापमान तुलनेने कमी असते आणि बाष्प दाब कमी असतो. या दाब आणि तापमानाच्या फरकामुळे, वितळलेला द्रव लहान छिद्राभोवती पुढच्या टोकापासून मागच्या टोकापर्यंत वाहतो, लहान छिद्राच्या मागच्या टोकाला एक भोवरा तयार करतो आणि शेवटी मागच्या कडेला घनीभूत होतो. लेझर सिम्युलेशन आणि प्रत्यक्ष वेल्डिंगद्वारे प्राप्त झालेली कीहोलची गतिशील अवस्था वरील आकृतीत दर्शविली आहे, ज्यात वेगवेगळ्या वेगांनी प्रवास करताना लहान छिद्रांचे स्वरूप आणि सभोवतालच्या वितळलेल्या द्रवाचा प्रवाह दाखवला आहे.

लहान छिद्रांच्या उपस्थितीमुळे, लेझर बीमची ऊर्जा पदार्थाच्या आतपर्यंत प्रवेश करते, ज्यामुळे ही खोल आणि अरुंद वेल्ड सीम तयार होते. लेझर डीप पेनिट्रेशन वेल्ड सीमचा ठराविक क्रॉस-सेक्शनल आकार वरील आकृतीत दर्शविला आहे. वेल्ड सीमची प्रवेश खोली कीहोलच्या खोलीच्या जवळपास असते (तंतोतंत सांगायचे झाल्यास, धातुरचनाशास्त्रीय थर कीहोलपेक्षा ६०-१०० मायक्रॉन अधिक खोल असतो, आणि द्रवाचा एक थर कमी असतो). लेझर ऊर्जेची घनता जितकी जास्त असेल, तितके लहान छिद्र अधिक खोल होते आणि वेल्ड सीमची प्रवेश खोली अधिक असते. उच्च-शक्तीच्या लेझर वेल्डिंगमध्ये, वेल्ड सीमच्या खोली-रुंदीचे कमाल गुणोत्तर १२:१ पर्यंत पोहोचू शकते.

शोषणाचे विश्लेषणलेझर ऊर्जाकीहोलद्वारे

लहान छिद्रे आणि प्लाझ्मा तयार होण्यापूर्वी, लेझरची ऊर्जा प्रामुख्याने औष्णिक वहनाद्वारे वर्कपीसच्या आतल्या भागात पोहोचते. ही वेल्डिंग प्रक्रिया प्रवाहकीय वेल्डिंग (०.५ मिमी पेक्षा कमी प्रवेश खोलीसह) प्रकारात मोडते आणि पदार्थाद्वारे लेझर शोषणाचा दर २५-४५% असतो. एकदा कीहोल तयार झाल्यावर, लेझरची ऊर्जा प्रामुख्याने कीहोल प्रभावाद्वारे वर्कपीसच्या आतल्या भागात शोषली जाते आणि वेल्डिंग प्रक्रिया खोल प्रवेश वेल्डिंग (०.५ मिमी पेक्षा जास्त प्रवेश खोलीसह) बनते, ज्यामध्ये शोषणाचा दर ६०-९०% पेक्षा जास्त पोहोचू शकतो.

लेझर वेल्डिंग, कटिंग आणि ड्रिलिंग यांसारख्या प्रक्रियेदरम्यान लेझरचे शोषण वाढवण्यासाठी कीहोल इफेक्ट अत्यंत महत्त्वाची भूमिका बजावतो. कीहोलमध्ये प्रवेश करणारा लेझर किरण छिद्राच्या भिंतीवरून होणाऱ्या अनेक परावर्तनांमुळे जवळजवळ पूर्णपणे शोषला जातो.

सामान्यतः असे मानले जाते की कीहोलच्या आत लेझरच्या ऊर्जा शोषण यंत्रणेमध्ये दोन प्रक्रियांचा समावेश होतो: उलट शोषण आणि फ्रेनेल शोषण.

किल्लीच्या छिद्रातील दाब संतुलन

लेझर डीप पेनिट्रेशन वेल्डिंग दरम्यान, पदार्थाचे तीव्र बाष्पीभवन होते आणि उच्च-तापमानाच्या वाफेमुळे निर्माण होणारा प्रसरण दाब द्रव धातूला बाहेर ढकलतो, ज्यामुळे लहान छिद्रे तयार होतात. पदार्थाच्या बाष्प दाब आणि क्षरण दाबाव्यतिरिक्त (ज्याला बाष्पीभवन प्रतिक्रिया बल किंवा प्रतिक्षेप दाब असेही म्हणतात), पृष्ठताण, गुरुत्वाकर्षणामुळे निर्माण होणारा द्रव स्थिर दाब आणि लहान छिद्राच्या आत वितळलेल्या पदार्थाच्या प्रवाहामुळे निर्माण होणारा द्रव गतिक दाब हे दाब देखील कार्यरत असतात. या दाबांपैकी, केवळ वाफेचा दाब लहान छिद्र उघडे ठेवतो, तर इतर तीन बले ते लहान छिद्र बंद करण्याचा प्रयत्न करतात. वेल्डिंग प्रक्रियेदरम्यान कीहोलची स्थिरता टिकवून ठेवण्यासाठी, बाष्प दाब इतर प्रतिकारांवर मात करून संतुलन साधण्याइतका पुरेसा असणे आवश्यक आहे, ज्यामुळे कीहोलची दीर्घकालीन स्थिरता टिकून राहते. सोप्या भाषेत सांगायचे झाल्यास, सामान्यतः असे मानले जाते की कीहोलच्या भिंतीवर कार्य करणारी बले प्रामुख्याने क्षरण दाब (धातूच्या बाष्पाचा प्रतिक्षेप दाब) आणि पृष्ठताण ही असतात.

किहोलची अस्थिरता

पार्श्वभूमी: लेझर पदार्थांच्या पृष्ठभागावर कार्य करतो, ज्यामुळे मोठ्या प्रमाणात धातूचे बाष्पीभवन होते. प्रतिक्षेप दाब वितळलेल्या द्रवावर खाली दाब देतो, ज्यामुळे कीहोल आणि प्लाझ्मा तयार होतात, परिणामी वितळण्याची खोली वाढते. या प्रक्रियेदरम्यान, लेझर कीहोलच्या पुढच्या भिंतीवर आदळतो आणि ज्या ठिकाणी लेझर पदार्थाच्या संपर्कात येतो, त्या ठिकाणी पदार्थाचे तीव्र बाष्पीभवन होते. त्याच वेळी, कीहोलच्या भिंतीचे वस्तुमान कमी होते आणि बाष्पीभवनामुळे एक प्रतिक्षेप दाब तयार होतो जो द्रवरूप धातूवर खाली दाब देतो, ज्यामुळे कीहोलची आतील भिंत खाली सरकते आणि कीहोलच्या तळाभोवती वितळलेल्या द्रवाच्या मागील बाजूस सरकते. द्रवरूप वितळलेल्या द्रवाच्या पुढच्या भिंतीपासून मागच्या भिंतीपर्यंतच्या या सरकण्यामुळे, कीहोलच्या आतील आकारमान सतत बदलत असते. त्यानुसार कीहोलचा अंतर्गत दाब देखील बदलतो, ज्यामुळे बाहेर फवारलेल्या प्लाझ्माच्या आकारमानात बदल होतो. प्लाझ्माच्या आकारमानातील बदलामुळे लेझर ऊर्जेचे परिरक्षण, अपवर्तन आणि शोषण यामध्ये बदल होतात, परिणामी पदार्थाच्या पृष्ठभागावर पोहोचणाऱ्या लेझरच्या ऊर्जेत बदल होतो. ही संपूर्ण प्रक्रिया गतिशील आणि नियतकालिक आहे, ज्यामुळे अखेरीस करवतीच्या दातांसारखे आणि लाटांच्या आकाराचे धातूचे भेदन होते आणि कोणताही गुळगुळीत, समान भेदन असलेला वेल्ड तयार होत नाही. वरील आकृती ही वेल्डच्या केंद्राला समांतर रेखांशाच्या दिशेने कापून मिळवलेल्या वेल्डच्या केंद्राचा आडवा छेद आहे, तसेच कीहोलच्या खोलीतील बदलाचे प्रत्यक्ष-वेळेतील मोजमाप आहे.आयपीजी-LDD पुरावा म्हणून.

किहोलच्या स्थिरतेची दिशा सुधारा

लेझर डीप पेनिट्रेशन वेल्डिंग दरम्यान, लहान छिद्राची स्थिरता केवळ छिद्राच्या आतील विविध दाबांच्या गतिशील संतुलनाद्वारेच सुनिश्चित केली जाऊ शकते. तथापि, छिद्राच्या भिंतीद्वारे लेझर ऊर्जेचे शोषण आणि पदार्थांचे बाष्पीभवन, लहान छिद्राच्या बाहेर धातूच्या वाफेचे उत्सर्जन, आणि लहान छिद्र व वितळलेल्या भागाची (मोल्टन पूल) पुढील हालचाल या सर्व अत्यंत तीव्र आणि जलद प्रक्रिया आहेत. विशिष्ट प्रक्रिया परिस्थितींमध्ये, वेल्डिंग प्रक्रियेदरम्यान विशिष्ट क्षणी, स्थानिक भागांमध्ये लहान छिद्राची स्थिरता विस्कळीत होण्याची शक्यता असते, ज्यामुळे वेल्डिंगमध्ये दोष निर्माण होतात. यातील सर्वात वैशिष्ट्यपूर्ण आणि सामान्य दोष म्हणजे लहान छिद्रांच्या प्रकारचे पोरोसिटी दोष आणि कीहोल कोसळल्यामुळे होणारे स्पॅटर;

तर मग किहोलला स्थिर कसे करावे?

कीहोल द्रवाची चढउतार तुलनेने गुंतागुंतीची आहे आणि त्यात अनेक घटक (तापमान क्षेत्र, प्रवाह क्षेत्र, बल क्षेत्र, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक भौतिकशास्त्र) समाविष्ट आहेत, ज्याचा सोप्या भाषेत दोन श्रेणींमध्ये सारांश करता येतो: पृष्ठताण आणि धातूच्या वाफेचा प्रतिक्षेप दाब यांच्यातील संबंध; धातूच्या वाफेचा प्रतिक्षेप दाब थेट कीहोलच्या निर्मितीवर कार्य करतो, जो कीहोलच्या खोली आणि आकारमानाशी जवळून संबंधित आहे. त्याच वेळी, वेल्डिंग प्रक्रियेतील धातूच्या वाफेचा एकमेव वरच्या दिशेने जाणारा पदार्थ असल्याने, तो स्पॅटरच्या घटनेशी देखील जवळून संबंधित आहे; पृष्ठताण वितळलेल्या पूलाच्या प्रवाहावर परिणाम करतो;

म्हणून स्थिर लेझर वेल्डिंग प्रक्रिया ही वितळलेल्या पूलमधील पृष्ठताणाच्या वितरण प्रवणतेचे, जास्त चढउतार न होता, संतुलन राखण्यावर अवलंबून असते. पृष्ठताण हा तापमान वितरणाशी संबंधित असतो आणि तापमान वितरण हे उष्णता स्रोताशी संबंधित असते. त्यामुळे, संयुक्त उष्णता स्रोत आणि स्विंग वेल्डिंग या स्थिर वेल्डिंग प्रक्रियेसाठी संभाव्य तांत्रिक दिशा आहेत;

धातूच्या वाफेचे आणि कीहोलच्या आकारमानाचे नियोजन करताना प्लाझ्माचा परिणाम आणि कीहोलच्या उघड्या भागाचा आकार याकडे लक्ष देणे आवश्यक आहे. उघडा भाग जितका मोठा, तितके कीहोल मोठे असते, आणि वितळलेल्या द्रवाच्या तळाच्या बिंदूतील चढउतार नगण्य असतात, ज्याचा एकूण कीहोल आकारमान आणि अंतर्गत दाबातील बदलांवर तुलनेने कमी परिणाम होतो; त्यामुळे समायोज्य रिंग मोड लेझर (वलयाकार ठिपका), लेझर आर्क पुनर्संयोजन, फ्रिक्वेन्सी मॉड्युलेशन इत्यादी सर्व दिशांचा विस्तार केला जाऊ शकतो.