A formação e o desenvolvimento de buracos de fechadura:
Definição de buraco de fechadura: Quando a irradiância da radiação é superior a 10⁶ W/cm², a superfície do material derrete e evapora sob a ação do laser. Quando a velocidade de evaporação é suficientemente alta, a pressão de recuo do vapor gerado é suficiente para superar a tensão superficial e a gravidade do metal líquido, deslocando parte do metal líquido e fazendo com que a poça de metal fundido na zona de excitação afunde e forme pequenas cavidades. O feixe de luz atua diretamente no fundo da pequena cavidade, fazendo com que o metal derreta e gaseifique ainda mais. O vapor de alta pressão continua a forçar o metal líquido no fundo da cavidade a fluir em direção à periferia da poça de metal fundido, aprofundando ainda mais o pequeno orifício. Este processo continua, formando, por fim, um orifício semelhante a uma fechadura no metal líquido. Quando a pressão do vapor metálico gerada pelo feixe de laser no pequeno orifício atinge o equilíbrio com a tensão superficial e a gravidade do metal líquido, o pequeno orifício deixa de se aprofundar e forma um orifício estável em profundidade, o que é chamado de "efeito de pequeno orifício".
À medida que o feixe de laser se move em relação à peça de trabalho, o pequeno orifício apresenta uma leve curvatura para trás na parte frontal e um triângulo invertido claramente inclinado na parte posterior. 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 extremidade posterior, formando um vórtice na extremidade posterior do pequeno orifício, e finalmente solidifica na borda posterior. O estado dinâmico do orifício obtido por meio de simulação a laser e soldagem real é mostrado na figura acima, que ilustra a morfologia dos pequenos orifícios e o fluxo do líquido fundido circundante durante o deslocamento em diferentes velocidades.
Devido à presença de pequenos orifícios, a energia do feixe de laser penetra no interior do material, formando essa solda profunda e estreita. A morfologia típica da seção transversal da solda a laser de penetração profunda é mostrada na figura acima. A profundidade de penetração da solda é próxima à profundidade do orifício (para ser preciso, a camada metalográfica está 60-100 µm mais profunda que o orifício, uma camada líquida a menos). Quanto maior a densidade de energia do laser, mais profundos os pequenos orifícios e maior a profundidade de penetração da solda. Na soldagem a laser de alta potência, a relação máxima entre profundidade e largura da solda pode chegar a 12:1.
Análise da absorção deenergia do laserpor buraco de fechadura
Antes da formação de pequenos orifícios e plasma, a energia do laser é transmitida principalmente para o interior da peça por condução térmica. O processo de soldagem é classificado como soldagem condutiva (com profundidade de penetração inferior a 0,5 mm), e a taxa de absorção do laser pelo material varia entre 25% e 45%. Uma vez formado o orifício, a energia do laser é absorvida principalmente pelo interior da peça através do efeito de orifício, e o processo de soldagem passa a ser soldagem por penetração profunda (com profundidade de penetração superior a 0,5 mm), podendo a taxa de absorção atingir valores entre 60% e 90%.
O efeito de fechadura desempenha um papel extremamente importante no aumento da absorção do laser durante processos como soldagem, corte e perfuração a laser. O feixe de laser que entra pelo orifício é quase completamente absorvido por meio de múltiplas reflexões na parede do orifício.
Geralmente se acredita que o mecanismo de absorção de energia do laser dentro do orifício da fechadura inclui dois processos: absorção reversa e absorção de Fresnel.
Equilíbrio de pressão dentro do buraco da fechadura
Durante a soldagem a laser de penetração profunda, o material sofre intensa vaporização, e a pressão de expansão gerada pelo vapor em alta temperatura expulsa 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, existem também a tensão superficial, a pressão estática do líquido causada pela gravidade e a pressão dinâmica do fluido gerada pelo fluxo de material fundido dentro do pequeno orifício. Dentre essas pressões, apenas a pressão do vapor mantém a abertura do pequeno orifício, enquanto as outras três forças atuam para fechá-lo. Para manter a estabilidade do orifício durante o processo de soldagem, a pressão de vapor deve ser suficiente para superar as outras resistências e atingir o equilíbrio, mantendo a estabilidade do orifício a longo prazo. Por simplicidade, considera-se geralmente que as forças que atuam na parede do orifício são principalmente a pressão de ablação (pressão de recuo do vapor metálico) e a tensão superficial.
Instabilidade do buraco da fechadura
Contexto: O laser atua na superfície dos materiais, causando a evaporação de uma grande quantidade de metal. A pressão de recuo comprime a poça de fusão, formando orifícios e plasma, o que resulta em um aumento na profundidade de fusão. Durante o processo de deslocamento, o laser atinge a parede frontal do orifício, e o ponto de contato do laser com o material causa uma evaporação intensa. Simultaneamente, a parede do orifício sofre perda de massa, e a evaporação gera uma pressão de recuo que comprime o metal líquido, fazendo com que a parede interna do orifício oscile para baixo e se mova ao redor do fundo do orifício em direção à parte posterior da poça de fusão. Devido à oscilação do metal líquido da parede frontal para a parede posterior, o volume dentro do orifício está em constante mudança. A pressão interna do orifício também se altera, o que leva a uma mudança no volume do plasma expelido. A variação no volume do plasma causa alterações 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 metálica ondulada e em forma de dente de serra, e não há uma solda com penetração uniforme e suave. 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 orifício.IPG-LDD como evidência.
Melhore a estabilidade direcional do orifício da fechadura.
Durante a soldagem a laser de penetração profunda, a estabilidade do pequeno orifício só pode ser garantida pelo equilíbrio dinâmico das diversas pressões internas. No entanto, a absorção da energia do laser pela parede do orifício e a evaporação do material, a ejeção de vapor metálico para fora do orifício e o movimento para frente do orifício e da poça de fusão são processos muito intensos e rápidos. Sob certas condições de processo, em determinados momentos durante a soldagem, existe a possibilidade de a estabilidade do pequeno orifício ser comprometida em áreas localizadas, levando a defeitos de soldagem. Os mais típicos e comuns são defeitos de porosidade do tipo microporo e respingos causados pelo colapso do orifício.
Então, como estabilizar o buraco da fechadura?
A flutuação do fluido de penetração é relativamente complexa e envolve muitos fatores (campo de temperatura, campo de fluxo, campo de força, física optoeletrônica), que podem ser 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 cavidades de penetração, estando intimamente relacionada à profundidade e ao volume dessas cavidades. Ao mesmo tempo, como a única substância de vapor metálico em movimento ascendente no processo de soldagem, também está intimamente relacionada à ocorrência de respingos; a tensão superficial afeta o fluxo da poça de fusão;
Assim, um processo de soldagem a laser estável depende da manutenção do gradiente de distribuição da tensão superficial na poça de fusão, sem flutuações excessivas. 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 direções técnicas promissoras para um processo de soldagem estável.
O volume do vapor metálico e do orifício de penetração requer atenção ao efeito do plasma e ao tamanho da abertura do orifício. Quanto maior a abertura, maior o orifício de penetração, e as flutuações desprezíveis no ponto mais baixo da poça de fusão têm um impacto relativamente pequeno no volume total do orifício de penetração e nas mudanças de pressão interna; portanto, o laser de modo anular ajustável (ponto anular), a recombinação do arco de laser, a modulação de frequência, etc., são todas direções que podem ser expandidas.
Data da publicação: 01/12/2023
