Interacción láser-material: efecto ojo de cerradura.

La formación y el desarrollo de los agujeros de cerradura:

Definición de ojo de cerradura: Cuando la irradiancia de la radiación es mayor que 10⁶ W/cm², la superficie del material se funde y evapora bajo la acción del láser. Cuando la velocidad de evaporación es suficientemente alta, la presión de retroceso del vapor generada es suficiente para superar la tensión superficial y la gravedad del metal líquido, desplazando así parte del metal líquido y provocando que el baño fundido en la zona de excitación se hunda y forme pequeños hoyos. El haz de luz actúa directamente sobre el fondo del hoyo, provocando que el metal se funda y gasifique aún más. El vapor a alta presión continúa forzando al metal líquido en el fondo del hoyo a fluir hacia la periferia del baño fundido, profundizando aún más el pequeño orificio. Este proceso continúa, formando finalmente un orificio con forma de ojo de cerradura en el metal líquido. Cuando la presión del vapor del metal generada por el haz láser en el pequeño orificio alcanza el equilibrio con la tensión superficial y la gravedad del metal líquido, el pequeño orificio deja de profundizarse y forma un orificio pequeño de profundidad estable, lo que se denomina "efecto de pequeño orificio".

A medida que el haz 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 la zona 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 baja. 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 orificio, y finalmente se solidifica en el borde posterior. El estado dinámico del orificio obtenido mediante simulación láser y soldadura real se muestra en la figura anterior, la morfología de los pequeños orificios y el flujo del líquido fundido circundante durante el desplazamiento a diferentes velocidades.

Debido a la presencia de pequeños orificios, la energía del haz láser penetra en el interior del material, formando una soldadura profunda y estrecha. La morfología típica de la sección transversal de la soldadura por penetración profunda láser se muestra en la figura anterior. La profundidad de penetración de la soldadura es similar a la del orificio (para ser precisos, la capa metalográfica es entre 60 y 100 µm más profunda que el orificio, una capa líquida menos). Cuanto mayor sea la densidad de energía del láser, más profundo será el orificio y mayor la profundidad de penetración de la soldadura. En la soldadura láser de alta potencia, la relación máxima entre profundidad y anchura de la soldadura puede alcanzar 12:1.

Análisis de absorción deenergía láserpor ojo de cerradura

Antes de la formación de pequeños orificios y plasma, la energía del láser se transmite principalmente al interior de la pieza mediante conducción térmica. El proceso de soldadura es conductivo (con una profundidad de penetración inferior a 0,5 mm) y la tasa de absorción del láser por el material oscila entre el 25 % y el 45 %. Una vez formado el orificio, la energía del láser es absorbida principalmente por el interior de la pieza mediante el efecto de ojo de cerradura, y el proceso de soldadura se convierte en soldadura de penetración profunda (con una profundidad de penetración superior a 0,5 mm). La tasa de absorción puede alcanzar entre el 60 % y el 90 %.

El efecto de ojo de cerradura desempeña un papel fundamental en la mejora de la absorción del láser durante procesos como la soldadura, el corte y la perforación láser. El haz láser que entra por el ojo de cerradura se absorbe casi por completo mediante múltiples reflexiones en la pared del orificio.

Generalmente se cree que el mecanismo de absorción de energía del láser dentro del orificio incluye dos procesos: absorción inversa y absorción de Fresnel.

Equilibrio de presión dentro del ojo de cerradura

Durante la soldadura láser de penetración profunda, el material sufre una vaporización intensa, y la presión de expansión generada por el vapor a alta temperatura expulsa el metal líquido, formando pequeños orificios. 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, existen la tensión superficial, la presión estática del líquido causada por la gravedad y la presión dinámica del fluido generada por el flujo del material fundido dentro del orificio. De estas presiones, solo la presión del vapor mantiene abierto el orificio, mientras que las otras tres fuerzas tienden a cerrarlo. Para mantener la estabilidad del orificio durante el proceso de soldadura, la presión de vapor debe ser suficiente para superar las demás resistencias y alcanzar el equilibrio, manteniendo así la estabilidad a largo plazo del orificio. Para simplificar, se suele considerar que las fuerzas que actúan sobre la pared del orificio son principalmente la presión de ablación (presión de retroceso del vapor metálico) y la tensión superficial.

Inestabilidad del ojo de cerradura

Antecedentes: El láser actúa sobre la superficie de los materiales, provocando la evaporación de una gran cantidad de metal. La presión de retroceso ejerce presión sobre el baño de fusión, formando cavidades y plasma, lo que resulta en un aumento de la profundidad de fusión. Durante el proceso de movimiento, el láser impacta la pared frontal de la cavidad, y el punto de contacto con el material provoca una evaporación severa. Al mismo tiempo, la pared de la cavidad experimenta una pérdida de masa, y la evaporación genera una presión de retroceso que presiona sobre el metal líquido, provocando que la pared interna de la cavidad fluctúe hacia abajo y se mueva alrededor del fondo de la cavidad hacia la parte posterior del baño de fusión. Debido a la fluctuación del baño de fusión desde la pared frontal a la posterior, el volumen dentro de la cavidad cambia constantemente. La presión interna de la cavidad también cambia en consecuencia, lo que conlleva un cambio en el volumen del plasma expulsado. El cambio en el volumen del plasma produce cambios en el apantallamiento, la refracción y la absorción de la energía láser, lo que resulta en cambios en la energía del láser que llega a la superficie del material. Todo el proceso es dinámico y periódico, lo que finalmente resulta en una penetración de metal ondulada y en forma de sierra, y no hay una soldadura de penetración uniforme y lisa. La figura anterior es una vista en sección transversal del centro de la soldadura obtenida mediante un corte longitudinal paralelo al centro de la soldadura, así como una medición en tiempo real de la variación de la profundidad del orificio porIPG-LDD como evidencia.

Mejorar la estabilidad de la dirección del ojo de cerradura

Durante la soldadura láser de penetración profunda, la estabilidad del orificio pequeño solo puede garantizarse mediante el equilibrio dinámico de las diversas presiones en su interior. Sin embargo, la absorción de la energía láser por la pared del orificio, la evaporación de los materiales, la expulsión del vapor metálico hacia el exterior y el avance del orificio y el baño de fusión son procesos muy intensos y rápidos. En determinadas condiciones de proceso, en ciertos momentos durante la soldadura, existe la posibilidad de que la estabilidad del orificio pequeño se vea afectada en zonas localizadas, lo que provoca 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 orificio de penetración.

¿Cómo estabilizar entonces el ojo de la cerradura?

La fluctuación del fluido del orificio 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 orificios de cerradura, que está estrechamente relacionada con la profundidad y el volumen de los orificios de cerradura. Al mismo tiempo, como única sustancia de vapor metálico que se mueve hacia arriba en el proceso de soldadura, también está estrechamente relacionada 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 de fusión, sin fluctuaciones excesivas. La tensión superficial está relacionada con la distribución de la temperatura, y esta, a su vez, con la fuente de calor. Por consiguiente, la fuente de calor compuesta y la soldadura oscilante son posibles direcciones técnicas para lograr un proceso de soldadura estable.

El vapor metálico y el volumen del orificio deben tenerse en cuenta en relación con el efecto del plasma y el tamaño de la abertura. Cuanto mayor sea la abertura, mayor será el orificio, y las fluctuaciones en el punto inferior del baño de fusión serán insignificantes, lo que tendrá un impacto relativamente pequeño en el volumen total del orificio y en los cambios de presión interna. Por lo tanto, el láser de modo de anillo ajustable (punto anular), la recombinación del arco láser, la modulación de frecuencia, etc., son todas direcciones que pueden ampliarse.