Interação de material laser – efeito buraco de fechadura

A formação e desenvolvimento de buracos de fechadura:

Definição de buraco de fechadura: Quando a irradiância da radiação é superior a 10 ^ 6W/cm ^ 2, a superfície do material derrete e evapora sob a ação do laser. Quando a velocidade de evaporação é grande o suficiente, a pressão de recuo do vapor gerada é suficiente para superar a tensão superficial e a gravidade líquida do metal líquido, deslocando assim parte do metal líquido, fazendo com que a poça fundida na zona de excitação afunde e forme pequenos poços ; O feixe de luz atua diretamente no fundo do pequeno poço, fazendo com que o metal derreta e gaseifique ainda mais. O vapor de alta pressão continua a forçar o metal líquido no fundo do poço a fluir em direção à periferia da poça de fusão, aprofundando ainda mais o pequeno orifício. Este processo continua, formando finalmente um buraco semelhante a um buraco de fechadura no metal líquido. Quando a pressão de vapor do metal gerada pelo feixe de laser no pequeno furo atinge o equilíbrio com a tensão superficial e a gravidade do metal líquido, o pequeno furo não se aprofunda mais e forma um pequeno furo estável em profundidade, que é chamado de “efeito de pequeno furo”. .

À medida que o feixe de laser se move em relação à peça de trabalho, o pequeno orifício mostra uma frente ligeiramente curvada para trás e um triângulo invertido claramente inclinado na parte traseira. A borda frontal do pequeno orifício é a área de ação do laser, com alta temperatura e alta pressão de vapor, enquanto a temperatura ao longo da borda posterior é relativamente baixa e a pressão de vapor é pequena. Sob essa diferença de pressão e temperatura, o líquido fundido flui ao redor do pequeno orifício da extremidade frontal para a traseira, formando um vórtice na extremidade posterior do pequeno orifício e finalmente solidifica na borda posterior. O estado dinâmico do buraco da fechadura obtido por meio de simulação a laser e soldagem real é mostrado na figura acima, A morfologia de pequenos furos e o fluxo do líquido fundido circundante durante o deslocamento em diferentes velocidades.

Devido à presença de pequenos furos, a energia do feixe laser penetra no interior do material, formando este cordão de solda profundo e estreito. A morfologia transversal típica da costura de solda de penetração profunda do laser é mostrada na figura acima. A profundidade de penetração da costura de solda é próxima à profundidade do buraco da fechadura (para ser preciso, a camada metalográfica é 60-100um mais profunda que o buraco da fechadura, uma camada líquida a menos). Quanto maior a densidade de energia do laser, mais profundo será o pequeno furo e maior será a profundidade de penetração da costura de solda. Na soldagem a laser de alta potência, a relação profundidade/largura máxima da costura de solda pode chegar a 12:1.

Análise de absorção deenergia laserpelo buraco da fechadura

Antes da formação de pequenos furos e plasma, a energia do laser é transmitida principalmente para o interior da peça por condução térmica. O processo de soldagem pertence à soldagem condutiva (com profundidade de penetração inferior a 0,5 mm), e a taxa de absorção do material pelo laser está entre 25-45%. Uma vez formado o buraco de fechadura, a energia do laser é absorvida principalmente pelo interior da peça de trabalho através do efeito de buraco de fechadura, e o processo de soldagem torna-se soldagem de penetração profunda (com uma profundidade de penetração de mais de 0,5 mm), A taxa de absorção pode atingir mais de 60-90%.

O efeito buraco de fechadura desempenha um papel extremamente importante no aumento da absorção do laser durante o processamento, como soldagem, corte e perfuração a laser. O feixe de laser que entra no buraco da fechadura é quase completamente absorvido através de múltiplas reflexões da parede do buraco.

Geralmente, acredita-se que o mecanismo de absorção de energia do laser dentro do buraco da fechadura inclui dois processos: absorção reversa e absorção de Fresnel.

Equilíbrio de pressão dentro do buraco da fechadura

Durante a soldagem de penetração profunda a laser, o material sofre forte vaporização e a pressão de expansão gerada pelo vapor de alta temperatura expele o metal líquido, formando pequenos orifícios. Além da pressão de vapor e da pressão de ablação (também conhecida como força de reação de evaporação ou pressão de recuo) do material, há também tensão superficial, pressão estática líquida causada pela gravidade e pressão dinâmica de fluido gerada pelo fluxo de material fundido dentro do pequeno buraco. Dentre essas pressões, apenas a pressão do vapor mantém a abertura do pequeno furo, enquanto as outras três forças se esforçam para fechar o pequeno furo. Para manter a estabilidade do buraco de fechadura durante o processo de soldagem, a pressão de vapor deve ser suficiente para superar outras resistências e atingir o equilíbrio, mantendo a estabilidade do buraco de fechadura a longo prazo. Para simplificar, acredita-se geralmente que as forças que atuam na parede do buraco da fechadura são principalmente a pressão de ablação (pressão de recuo do vapor metálico) e a tensão superficial.

Instabilidade do buraco da fechadura

Antecedentes: O laser atua na superfície dos materiais, fazendo com que uma grande quantidade de metal evapore. A pressão de recuo pressiona a poça fundida, formando buracos de fechadura e plasma, resultando em um aumento na profundidade de fusão. Durante o processo de movimentação, o laser atinge a parede frontal do buraco da fechadura, e a posição onde o laser entra em contato com o material causará forte evaporação do material. Ao mesmo tempo, a parede do buraco da fechadura sofrerá perda de massa e a evaporação formará uma pressão de recuo que pressionará o metal líquido, fazendo com que a parede interna do buraco da fechadura flutue para baixo e se mova ao redor da parte inferior do buraco da fechadura em direção ao parte de trás da poça de fusão. Devido à flutuação da poça de fusão líquida da parede frontal para a parede posterior, o volume dentro do buraco da fechadura muda constantemente. A pressão interna do buraco da fechadura também muda de acordo, o que leva a uma mudança no volume do plasma pulverizado. . A mudança no volume do plasma leva a mudanças na blindagem, refração e absorção da energia do laser, resultando em mudanças na energia do laser que atinge a superfície do material. Todo o processo é dinâmico e periódico, resultando em última análise em uma penetração de metal ondulada e em forma de dente de serra, e não há solda de penetração uniforme e uniforme. A figura acima é uma vista em corte transversal do centro da solda obtida por corte longitudinal paralelo ao centro da solda, bem como uma medição em tempo real da variação da profundidade do buraco de fechadura porIPG-LDD como prova.

Melhore a direção de estabilidade do buraco da fechadura

Durante a soldagem de penetração profunda a laser, a estabilidade do pequeno furo só pode ser garantida pelo equilíbrio dinâmico das várias pressões dentro do furo. No entanto, a absorção da energia do laser pela parede do furo e a evaporação de materiais, a ejeção de vapor metálico fora do pequeno furo e o movimento para frente do pequeno furo e da poça de fusão são processos muito intensos e rápidos. Sob certas condições de processo, em determinados momentos durante o processo de soldagem, existe a possibilidade de que a estabilidade do pequeno furo seja perturbada em áreas locais, levando a defeitos de soldagem. Os mais típicos e comuns são defeitos de porosidade do tipo poros pequenos e respingos causados ​​por colapso de fechadura;

Então, como estabilizar o buraco da fechadura?

A flutuação do fluido do buraco da fechadura é relativamente complexa e envolve muitos fatores (campo de temperatura, campo de fluxo, campo de força, física optoeletrônica), que podem ser simplesmente resumidos em duas categorias: a relação entre a tensão superficial e a pressão de recuo do vapor metálico; A pressão de recuo do vapor metálico atua diretamente na geração de buracos de fechadura, que está intimamente relacionada à profundidade e ao volume dos buracos de fechadura. Ao mesmo tempo, como a única substância de vapor metálico que se move para cima no processo de soldagem, também está intimamente relacionada à ocorrência de respingos; A tensão superficial afeta o fluxo da poça de fusão;

Portanto, o processo estável de soldagem a laser depende da manutenção do gradiente de distribuição da tensão superficial na poça de fusão, sem muita flutuação. A tensão superficial está relacionada à distribuição de temperatura e a distribuição de temperatura está relacionada à fonte de calor. Portanto, a fonte de calor composta e a soldagem oscilante são orientações técnicas potenciais para um processo de soldagem estável;

O vapor metálico e o volume do buraco da fechadura precisam prestar atenção ao efeito do plasma e ao tamanho da abertura do buraco da fechadura. Quanto maior a abertura, maior o buraco da fechadura e as flutuações insignificantes no ponto inferior da poça de fusão, que têm um impacto relativamente pequeno no volume geral do buraco da fechadura e nas mudanças de pressão interna; Portanto, laser de modo de anel ajustável (ponto anular), recombinação de arco de laser, modulação de frequência, etc. são todas direções que podem ser expandidas.