La formación y desarrollo de los ojos de cerradura:
Definición de ojo de cerradura: cuando la irradiancia de radiación es superior a 10 ^ 6 W/cm ^ 2, la superficie del material se funde y se evapora bajo la acción del láser. Cuando la velocidad de evaporación es lo suficientemente grande, la presión de retroceso del vapor generado es suficiente para superar la tensión superficial y la gravedad líquida del metal líquido, desplazando así parte del metal líquido, provocando que el charco fundido en la zona de excitación se hunda y forme pequeños hoyos. ; El haz de luz actúa directamente sobre el fondo del pequeño pozo, haciendo que el metal se derrita y gasifique aún más. El vapor a alta presión continúa obligando al metal líquido en el fondo del pozo a fluir hacia la periferia del charco fundido, profundizando aún más el pequeño agujero. Este proceso continúa y finalmente forma un agujero similar a un ojo de cerradura en el metal líquido. Cuando la presión de vapor del metal generada por el rayo láser en el pequeño orificio alcanza el equilibrio con la tensión superficial y la gravedad del metal líquido, el pequeño orificio ya no se profundiza y forma un pequeño orificio de profundidad estable, lo que se denomina "efecto de pequeño orificio". .
A medida que el rayo láser se mueve con respecto a la pieza de trabajo, el pequeño orificio muestra un frente ligeramente curvado hacia atrás y un triángulo invertido claramente inclinado en la parte posterior. El borde frontal del pequeño orificio es el área de acción del láser, con alta temperatura y alta presión de vapor, mientras que la temperatura a lo largo del borde posterior es relativamente baja y la presión de vapor es pequeña. Bajo esta diferencia de presión y temperatura, el líquido fundido fluye alrededor del pequeño orificio desde el extremo frontal hasta el extremo posterior, formando un vórtice en el extremo posterior del pequeño orificio y finalmente se solidifica en el borde posterior. En la figura anterior se muestra el estado dinámico del ojo de cerradura obtenido mediante simulación láser y soldadura real. La morfología de los agujeros pequeños y el flujo del líquido fundido circundante durante el viaje a diferentes velocidades.
Debido a la presencia de pequeños agujeros, la energía del rayo láser penetra en el interior del material, formando esta profunda y estrecha costura de soldadura. En la figura anterior se muestra la morfología transversal típica de la costura de soldadura de penetración profunda con láser. La profundidad de penetración de la costura de soldadura es cercana a la profundidad del ojo de la cerradura (para ser precisos, la capa metalográfica es 60-100um más profunda que el ojo de la cerradura, una capa líquida menos). Cuanto mayor sea la densidad de energía del láser, más profundo será el pequeño orificio y mayor será la profundidad de penetración de la costura de soldadura. En la soldadura láser de alta potencia, la relación máxima entre profundidad y anchura de la costura de soldadura puede alcanzar 12:1.
Análisis de absorción deenergía láserpor ojo de cerradura
Antes de que se formen pequeños agujeros y plasma, la energía del láser se transmite principalmente al interior de la pieza a través de conducción térmica. El proceso de soldadura pertenece a la soldadura conductiva (con una profundidad de penetración de menos de 0,5 mm) y la tasa de absorción del láser por el material está entre el 25 y el 45%. Una vez que se forma el ojo de cerradura, la energía del láser es absorbida principalmente por el interior de la pieza de trabajo a través del efecto de ojo de cerradura, y el proceso de soldadura se convierte en soldadura de penetración profunda (con una profundidad de penetración de más de 0,5 mm). La tasa de absorción puede alcanzar más del 60-90%.
El efecto ojo de cerradura juega un papel extremadamente importante a la hora de mejorar la absorción del láser durante procesos como la soldadura, el corte y la perforación con láser. El rayo láser que entra por el ojo de la cerradura se absorbe casi por completo a través de múltiples reflejos en la pared del agujero.
Generalmente se cree que el mecanismo de absorción de energía del láser dentro del ojo de la cerradura incluye dos procesos: absorción inversa y absorción de Fresnel.
Equilibrio de presión dentro del ojo de la cerradura
Durante la soldadura láser de penetración profunda, el material sufre una vaporización severa y la presión de expansión generada por el vapor a alta temperatura expulsa el metal líquido, formando pequeños agujeros. Además de la presión de vapor y la presión de ablación (también conocida como fuerza de reacción de evaporación o presión de retroceso) del material, también existen la tensión superficial, la presión estática del líquido causada por la gravedad y la presión dinámica de fluido generada por el flujo de material fundido dentro del material. pequeño agujero. Entre estas presiones, sólo la presión del vapor mantiene la apertura del pequeño orificio, mientras que las otras tres fuerzas se esfuerzan por cerrar el pequeño orificio. Para mantener la estabilidad del ojo de cerradura durante el proceso de soldadura, la presión de vapor debe ser suficiente para superar otras resistencias y lograr el equilibrio, manteniendo la estabilidad a largo plazo del ojo de cerradura. Para simplificar, generalmente se cree que las fuerzas que actúan sobre la pared del ojo de cerradura son principalmente presión de ablación (presión de retroceso del vapor metálico) y tensión superficial.
Inestabilidad del ojo de la cerradura
Antecedentes: El láser actúa sobre la superficie de los materiales, provocando la evaporación de una gran cantidad de metal. La presión de retroceso presiona hacia abajo el charco fundido, formando ojos de cerradura y plasma, lo que resulta en un aumento en la profundidad de fusión. Durante el proceso de movimiento, el láser golpea la pared frontal del ojo de la cerradura y la posición donde el láser entra en contacto con el material provocará una intensa evaporación del material. Al mismo tiempo, la pared del ojo de la cerradura experimentará una pérdida de masa y la evaporación formará una presión de retroceso que presionará hacia abajo el metal líquido, haciendo que la pared interior del ojo de la cerradura fluctúe hacia abajo y se mueva alrededor del fondo del ojo de la cerradura hacia el detrás del charco fundido. Debido a la fluctuación del charco de líquido fundido desde la pared frontal a la pared trasera, el volumen dentro del ojo de la cerradura cambia constantemente. La presión interna del ojo de la cerradura también cambia en consecuencia, lo que conduce a un cambio en el volumen del plasma rociado. . El cambio en el volumen del plasma provoca cambios en el blindaje, la refracción y la absorción de la energía del láser, lo que da como resultado cambios en la energía del láser que llega a la superficie del material. Todo el proceso es dinámico y periódico, lo que finalmente da como resultado una penetración de metal ondulada y con forma de diente de sierra, y no hay una soldadura de penetración suave y uniforme. La figura de arriba es una vista en sección transversal del centro de la soldadura obtenida mediante un corte longitudinal paralelo a la centro de la soldadura, así como una medición en tiempo real de la variación de la profundidad del ojo de cerradura medianteIPG-LDD como prueba.
Mejorar la dirección de estabilidad del ojo de la cerradura.
Durante la soldadura láser de penetración profunda, la estabilidad del orificio pequeño sólo puede garantizarse mediante el equilibrio dinámico de varias presiones dentro del orificio. Sin embargo, la absorción de energía láser por la pared del agujero y la evaporación de materiales, la expulsión de vapor metálico fuera del pequeño agujero y el movimiento hacia adelante del pequeño agujero y el charco fundido son procesos muy intensos y rápidos. Bajo ciertas condiciones del proceso, en ciertos momentos durante el proceso de soldadura, existe la posibilidad de que la estabilidad del orificio pequeño se altere en áreas locales, lo que provocará defectos de soldadura. Los más típicos y comunes son los defectos de porosidad de tipo poro pequeño y las salpicaduras causadas por el colapso del ojo de cerradura;
Entonces, ¿cómo estabilizar el ojo de la cerradura?
La fluctuación del fluido de ojo de cerradura es relativamente compleja e involucra demasiados factores (campo de temperatura, campo de flujo, campo de fuerza, física optoelectrónica), que pueden resumirse simplemente en dos categorías: la relación entre la tensión superficial y la presión de retroceso del vapor metálico; La presión de retroceso del vapor metálico actúa directamente sobre la generación de ojos de cerradura, lo que está estrechamente relacionado con la profundidad y el volumen de los ojos de cerradura. Al mismo tiempo, como única sustancia del vapor metálico que se mueve hacia arriba en el proceso de soldadura, también está estrechamente relacionado con la aparición de salpicaduras; La tensión superficial afecta el flujo del baño fundido;
Por lo tanto, un proceso de soldadura láser estable depende de mantener el gradiente de distribución de la tensión superficial en el baño fundido, sin demasiadas fluctuaciones. La tensión superficial está relacionada con la distribución de la temperatura y la distribución de la temperatura está relacionada con la fuente de calor. Por lo tanto, la fuente de calor compuesta y la soldadura por oscilación son direcciones técnicas potenciales para un proceso de soldadura estable;
El vapor de metal y el volumen del ojo de la cerradura deben prestar atención al efecto plasma y al tamaño de la abertura del ojo de la cerradura. Cuanto más grande es la abertura, más grande es el ojo de la cerradura y las fluctuaciones insignificantes en el punto inferior del baño de fusión, que tienen un impacto relativamente pequeño en el volumen general del ojo de la cerradura y los cambios de presión interna; Por lo tanto, el láser en modo de anillo ajustable (punto anular), la recombinación de arco láser, la modulación de frecuencia, etc. son direcciones que se pueden expandir.
Hora de publicación: 01-dic-2023
