אינטראקציה בין חומרי לייזר - אפקט חור המנעול

היווצרות ופיתוח של חורי מפתח:

הגדרת חור המנעול: כאשר קרינת הקרינה גדולה מ-10 ^ 6W/cm ^ 2, פני החומר נמסים ומתאדים בפעולת הלייזר. כאשר מהירות האידוי גדולה מספיק, לחץ רתיעה האדים שנוצר מספיק כדי להתגבר על מתח הפנים וכוח המשיכה הנוזלי של המתכת הנוזלית, ובכך לעקור חלק מהמתכת הנוזלית, מה שגורם לבריכה המותכת באזור העירור לשקוע וליצור בורות קטנים ; אלומת האור פועלת ישירות על תחתית הבור הקטן, וגורמת למתכת להימס ולהתגזות נוספת. קיטור בלחץ גבוה ממשיך לאלץ את המתכת הנוזלית בתחתית הבור לזרום לעבר פריפריה של הבריכה המותכת, ומעמיק עוד יותר את החור הקטן. תהליך זה נמשך, ובסופו של דבר נוצר חור דמוי חור במתכת הנוזלית. כאשר לחץ אדי המתכת שנוצר על ידי קרן הלייזר בחור הקטן מגיע לשיווי משקל עם מתח הפנים וכוח המשיכה של המתכת הנוזלית, החור הקטן כבר לא מעמיק ויוצר חור קטן ויציב לעומק, הנקרא "אפקט החור הקטן" .

כאשר קרן הלייזר נעה ביחס לחומר העבודה, החור הקטן מראה חזית מעוקלת מעט לאחור ומשולש הפוך בנטייה ברורה מאחור. הקצה הקדמי של החור הקטן הוא אזור הפעולה של הלייזר, עם טמפרטורה גבוהה ולחץ אדים גבוה, בעוד שהטמפרטורה לאורך הקצה האחורי נמוכה יחסית ולחץ האדים קטן. תחת הפרש הלחץ והטמפרטורה הזה, הנוזל המותך זורם סביב החור הקטן מהקצה הקדמי לקצה האחורי, ויוצר מערבולת בקצה האחורי של החור הקטן, ולבסוף מתמצק בקצה האחורי. המצב הדינמי של חור המנעול המתקבל באמצעות הדמיית לייזר וריתוך בפועל מוצג באיור לעיל, המורפולוגיה של חורים קטנים וזרימת הנוזל המותך שמסביב במהלך נסיעה במהירויות שונות.

בשל נוכחותם של חורים קטנים, אנרגיית קרן הלייזר חודרת אל פנים החומר, ויוצרת את תפר הריתוך העמוק והצר הזה. מורפולוגיית החתך האופיינית של תפר ריתוך חדירה עמוקה בלייזר מוצגת באיור לעיל. עומק החדירה של תפר הריתוך קרוב לעומק חור המנעול (ליתר דיוק, השכבה המטאלוגרפית עמוקה ב-60-100um מחור המנעול, שכבה אחת פחות נוזלית). ככל שצפיפות אנרגיית הלייזר גבוהה יותר, כך החור הקטן עמוק יותר, ועומק החדירה של תפר הריתוך גדול יותר. בריתוך לייזר בעוצמה גבוהה, יחס העומק לרוחב המרבי של תפר הריתוך יכול להגיע ל-12:1.

ניתוח קליטה שלאנרגיית לייזרלפי חור המנעול

לפני היווצרותם של חורים קטנים ופלזמה, האנרגיה של הלייזר מועברת בעיקר לפנים חומר העבודה באמצעות הולכה תרמית. תהליך הריתוך שייך לריתוך מוליך (עם עומק חדירה של פחות מ-0.5 מ"מ), וקצב הספיגה של החומר של הלייזר הוא בין 25-45%. לאחר יצירת חור המנעול, אנרגיית הלייזר נספגת בעיקר בחלק הפנימי של חומר העבודה דרך אפקט חור המנעול, ותהליך הריתוך הופך לריתוך חדירה עמוק (עם עומק חדירה של יותר מ-0.5 מ"מ), קצב הספיגה יכול להגיע מעל 60-90%.

אפקט חור המנעול ממלא תפקיד חשוב ביותר בהגברת ספיגת הלייזר במהלך עיבוד כגון ריתוך לייזר, חיתוך וקידוח. קרן הלייזר הנכנסת לחור המנעול נבלעת כמעט לחלוטין באמצעות השתקפויות מרובות מקיר החור.

נהוג לחשוב שמנגנון ספיגת האנרגיה של הלייזר בתוך חור המנעול כולל שני תהליכים: קליטה הפוכה וספיגת Fresnel.

איזון לחץ בתוך חור המנעול

במהלך ריתוך חדירה עמוקה בלייזר, החומר עובר אידוי חמור, ולחץ ההתפשטות שנוצר על ידי קיטור בטמפרטורה גבוהה מוציא את המתכת הנוזלית ויוצר חורים קטנים. בנוסף ללחץ האדים ולחץ האבלציה (הידוע גם ככוח תגובת אידוי או לחץ רתיעה) של החומר, ישנם גם מתח פני השטח, לחץ סטטי נוזלי הנגרם על ידי כוח הכבידה, ולחץ דינמי נוזל הנוצר על ידי זרימת החומר המותך בתוך החומר. חור קטן. בין הלחצים הללו, רק לחץ הקיטור שומר על פתח החור הקטן, בעוד שלושת הכוחות האחרים שואפים לסגור את החור הקטן. כדי לשמור על יציבות חור המנעול במהלך תהליך הריתוך, לחץ האדים חייב להיות מספיק כדי להתגבר על התנגדות אחרת ולהשיג שיווי משקל, תוך שמירה על היציבות לטווח ארוך של חור המנעול. למען הפשטות, נהוג להאמין שהכוחות הפועלים על דופן חור המנעול הם בעיקר לחץ אבלציה (לחץ רתיעה של אדי מתכת) ומתח פני השטח.

חוסר יציבות של חור המנעול

רקע: הלייזר פועל על פני החומרים וגורם לכמות גדולה של מתכת להתאדות. לחץ הרתיעה לוחץ כלפי מטה על הבריכה המותכת, ויוצר חורי מפתח ופלזמה, וכתוצאה מכך לעלייה בעומק ההיתוך. במהלך תהליך התנועה, הלייזר פוגע בדופן הקדמית של חור המנעול, והמיקום בו הלייזר מגע עם החומר יגרום לאידוי חמור של החומר. במקביל, דופן חור המנעול יחווה אובדן מסה, והאידוי יצור לחץ רתיעה שילחץ כלפי מטה על המתכת הנוזלית, ויגרום לדופן הפנימית של חור המנעול לנוע כלפי מטה ולנוע סביב החלק התחתון של חור המנעול לכיוון האחורי של הבריכה המותכת. עקב תנודת הבריכה הנוזלית המותכת מהדופן הקדמית לקיר האחורי, הנפח בתוך חור המנעול משתנה כל הזמן, הלחץ הפנימי של חור המנעול משתנה בהתאם, מה שמוביל לשינוי בנפח הפלזמה המותזת החוצה . השינוי בנפח הפלזמה מוביל לשינויים בסיכוך, השבירה ובספיגה של אנרגיית הלייזר, וכתוצאה מכך שינויים באנרגיה של הלייזר המגיעה אל פני החומר. התהליך כולו הוא דינמי ותקופתי, וכתוצאה מכך בסופו של דבר לחדירת מתכת גלית בצורת שן מסור, ואין ריתוך חדירה חלק שווה. מרכז הריתוך, כמו גם מדידה בזמן אמת של שינוי עומק חור המנעול על ידיIPG-LDD כראיה.

שפר את כיוון היציבות של חור המנעול

במהלך ריתוך חדירה עמוקה בלייזר, ניתן להבטיח את יציבות החור הקטן רק על ידי איזון דינמי של לחצים שונים בתוך החור. עם זאת, ספיגת אנרגיית הלייזר על ידי דופן החור והתאיידות החומרים, פליטת אדי מתכת מחוץ לחור הקטן והתנועה קדימה של החור הקטן והבריכה המותכת הם כולם תהליכים אינטנסיביים ומהירים מאוד. בתנאי תהליך מסוימים, ברגעים מסוימים במהלך תהליך הריתוך, קיימת אפשרות שיציבות החור הקטן עלולה להשתבש באזורים מקומיים, מה שיוביל לליקויים בריתוך. האופייניים והנפוצים ביותר הם פגמים בנקבוביות מסוג נקבוביות קטנות וניתזים הנגרמים כתוצאה מקריסת חור המנעול;

אז איך מייצבים את חור המנעול?

התנודתיות של נוזל חור המנעול מורכבת יחסית וכוללת יותר מדי גורמים (שדה טמפרטורה, שדה זרימה, שדה כוח, פיזיקה אופטו-אלקטרונית), שניתן לסכם בפשטות לשתי קטגוריות: הקשר בין מתח פני השטח ולחץ חזרת אדי מתכת; לחץ הרתיעה של אדי מתכת פועל ישירות על יצירת חורי המנעול, אשר קשור קשר הדוק לעומק ולנפח של חורי המנעול. יחד עם זאת, כחומר היחיד הנעים כלפי מעלה של אדי מתכת בתהליך הריתוך, הוא קשור גם קשר הדוק להתרחשות של ניתזים; מתח פני השטח משפיע על זרימת הבריכה המותכת;

אז תהליך ריתוך לייזר יציב תלוי בשמירה על שיפוע ההפצה של מתח פני השטח בבריכה המותכת, ללא יותר מדי תנודות. מתח פני השטח קשור לפיזור הטמפרטורה, וחלוקת הטמפרטורה קשורה למקור החום. לכן, מקור חום מורכב וריתוך נדנדה הם כיוונים טכניים פוטנציאליים לתהליך ריתוך יציב;

אדי המתכת ונפח חור המנעול צריכים לשים לב לאפקט הפלזמה ולגודל פתח חור המנעול. ככל שהפתח גדול יותר, כך חור המנעול גדול יותר והתנודות הזניחות בנקודה התחתונה של בריכת ההיתוך, להן השפעה קטנה יחסית על נפח חור המנעול הכולל ושינויי הלחץ הפנימיים; אז לייזר במצב טבעת מתכוונן (נקודה טבעתית), ריקומבינציה של קשת לייזר, אפנון תדר וכו' הם כל הכיוונים שניתן להרחיב.