Formación e desenvolvemento de ocos de pechadura:
Definición do oco da pechadura: cando a irradiación da radiación é superior a 10 ^ 6 W/cm ^ 2, a superficie do material derrete e evapora baixo a acción do láser. Cando a velocidade de evaporación é o suficientemente grande, a presión de retroceso do vapor xerada é suficiente para superar a tensión superficial e a gravidade do líquido do metal líquido, desprazando así parte do metal líquido, facendo que a piscina fundida na zona de excitación se afunda e forme pequenos pozos. ; O feixe de luz actúa directamente sobre o fondo do pequeno pozo, facendo que o metal se derrita e gasifique aínda máis. O vapor de alta presión segue forzando o metal líquido no fondo do pozo a fluír cara á periferia da piscina fundida, afondando aínda máis o pequeno burato. Este proceso continúa, formando finalmente un burato como un burato no metal líquido. Cando a presión de vapor do metal xerada polo raio láser no burato pequeno alcanza o equilibrio coa tensión superficial e a gravidade do metal líquido, o pequeno burato xa non se afonda e forma un pequeno burato estable en profundidade, que se chama "efecto burato pequeno". .
A medida que o raio láser se move en relación á peza de traballo, o pequeno orificio mostra unha fronte curva lixeiramente cara atrás e un triángulo invertido claramente inclinado na parte traseira. O bordo frontal do pequeno buraco é a área de acción do láser, con alta temperatura e alta presión de vapor, mentres que a temperatura ao longo do bordo traseiro é relativamente baixa e a presión de vapor é pequena. Baixo esta diferenza de presión e temperatura, o líquido fundido flúe ao redor do pequeno burato dende o extremo dianteiro ata o extremo posterior, formando un vórtice no extremo posterior do pequeno buraco e, finalmente, solidifícase no bordo posterior. O estado dinámico do burato obtido mediante a simulación con láser e a soldadura real móstrase na figura anterior, A morfoloxía dos pequenos buratos e o fluxo do líquido fundido circundante durante a viaxe a diferentes velocidades.
Debido á presenza de pequenos buratos, a enerxía do raio láser penetra no interior do material, formando esta costura de soldadura profunda e estreita. A morfoloxía da sección transversal típica da costura de soldadura de penetración profunda con láser móstrase na figura anterior. A profundidade de penetración da costura de soldadura é próxima á profundidade do oco da chaveira (para ser precisos, a capa metalográfica é 60-100um máis profunda que o burato, unha capa líquida menos). Canto maior sexa a densidade de enerxía do láser, máis profundo será o pequeno burato e maior será a profundidade de penetración da costura de soldadura. Na soldadura con láser de alta potencia, a relación entre profundidade e ancho máxima da costura de soldadura pode chegar a 12:1.
Análise da absorción deenerxía láserpolo oco da chave
Antes da formación de pequenos buratos e plasma, a enerxía do láser transmítese principalmente ao interior da peza a través da condución térmica. O proceso de soldadura pertence á soldadura condutiva (cunha profundidade de penetración inferior a 0,5 mm) e a taxa de absorción do material do láser está entre o 25-45%. Unha vez que se forma o oco da chave, a enerxía do láser é absorbida principalmente polo interior da peza a través do efecto de oco, e o proceso de soldadura convértese en soldadura de penetración profunda (cunha profundidade de penetración de máis de 0,5 mm), a taxa de absorción pode alcanzar. máis do 60-90%.
O efecto burato desempeña un papel moi importante para mellorar a absorción do láser durante o procesamento, como a soldadura, o corte e a perforación con láser. O raio láser que entra no burato é case completamente absorbido a través de múltiples reflexións da parede do burato.
En xeral, crese que o mecanismo de absorción de enerxía do láser dentro do oco da pechadura inclúe dous procesos: absorción inversa e absorción de Fresnel.
Balance de presión dentro do oco da chave
Durante a soldadura por penetración profunda con láser, o material sofre unha vaporización severa e a presión de expansión xerada polo vapor a alta temperatura expulsa o metal líquido, formando pequenos buratos. Ademais da presión de vapor e a presión de ablación (tamén coñecida como forza de reacción de evaporación ou presión de retroceso) do material, tamén hai tensión superficial, presión estática líquida causada pola gravidade e presión dinámica de fluídos xerada polo fluxo de material fundido no interior do material fundido. pequeno burato. Entre estas presións, só a presión do vapor mantén a apertura do pequeno buraco, mentres que as outras tres forzas se esforzan por pechar o pequeno burato. Para manter a estabilidade da pechadura durante o proceso de soldadura, a presión de vapor debe ser suficiente para superar outras resistencias e lograr o equilibrio, mantendo a estabilidade a longo prazo da pechadura. Para simplificar, crese xeralmente que as forzas que actúan sobre a parede do burato da chavedura son principalmente a presión de ablación (presión de retroceso do vapor de metal) e a tensión superficial.
Inestabilidade de Keyhole
Antecedentes: o láser actúa sobre a superficie dos materiais, facendo que se evapore unha gran cantidade de metal. A presión do retroceso presiona a piscina fundida, formando ocos de chave e plasma, o que provoca un aumento da profundidade de fusión. Durante o proceso de movemento, o láser golpea a parede frontal do oco da pechadura e a posición onde o láser entra en contacto co material provocará unha grave evaporación do material. Ao mesmo tempo, a parede da pechadura experimentará unha perda de masa e a evaporación formará unha presión de retroceso que presionará o metal líquido, facendo que a parede interior da pechadura fluctúe cara abaixo e se mova pola parte inferior da pechadura cara ao parte traseira da piscina fundida. Debido á flutuación da piscina líquida fundida desde a parede frontal ata a parede traseira, o volume dentro do oco da chaveira está cambiando constantemente, a presión interna do oco tamén cambia en consecuencia, o que leva a un cambio no volume do plasma pulverizado. . O cambio no volume do plasma leva a cambios na protección, refracción e absorción da enerxía do láser, o que provoca cambios na enerxía do láser que chega á superficie do material. Todo o proceso é dinámico e periódico, resultando finalmente nunha penetración metálica ondulada e en forma de dente de serra, e non hai soldadura de penetración igual e suave. A figura anterior é unha vista en sección transversal do centro da soldadura obtida mediante un corte lonxitudinal paralelo ao centro da soldadura, así como unha medición en tempo real da variación da profundidade do oco de pechadura porIPG-LDD como proba.
Mellora a dirección de estabilidade do oco da chave
Durante a soldadura de penetración profunda con láser, a estabilidade do pequeno burato só se pode garantir polo equilibrio dinámico de varias presións dentro do burato. Non obstante, a absorción de enerxía láser pola parede do buraco e a evaporación dos materiais, a expulsión de vapor de metal fóra do pequeno burato e o movemento cara adiante do pequeno burato e da piscina fundida son procesos moi intensos e rápidos. En determinadas condicións do proceso, en determinados momentos durante o proceso de soldadura, existe a posibilidade de que a estabilidade do pequeno burato se vexa perturbada en áreas locais, o que provoca defectos de soldadura. Os máis típicos e comúns son os defectos de porosidade do tipo de poros pequenos e as salpicaduras provocadas polo colapso do oco da chaveira;
Entón, como estabilizar o oco da pechadura?
A flutuación do fluído da pechadura é relativamente complexa e implica demasiados factores (campo de temperatura, campo de fluxo, campo de forza, física optoelectrónica), que se poden resumir simplemente en dúas categorías: a relación entre a tensión superficial e a presión de retroceso do vapor do metal; A presión de retroceso do vapor metálico actúa directamente sobre a xeración de ocos de pechadura, o que está intimamente relacionado coa profundidade e o volume das pechaduras. Ao mesmo tempo, como a única substancia en movemento ascendente do vapor de metal no proceso de soldadura, tamén está estreitamente relacionada coa aparición de salpicaduras; A tensión superficial afecta o fluxo da piscina fundida;
Así, proceso de soldadura láser estable depende de manter o gradiente de distribución da tensión superficial na piscina fundida, sen demasiada flutuación. A tensión superficial está relacionada coa distribución da temperatura, e a distribución da temperatura está relacionada coa fonte de calor. Polo tanto, a fonte de calor composta e a soldadura oscilante son posibles direccións técnicas para un proceso de soldadura estable;
O vapor de metal e o volume do burato da pechadura deben prestar atención ao efecto plasma e ao tamaño da abertura da pechadura. Canto maior sexa a abertura, maior será o oco da pechadura e as flutuacións insignificantes no punto inferior da piscina de fusión, que teñen un impacto relativamente pequeno sobre o volume global da cerradura e os cambios de presión interna; Polo tanto, láser de modo anel axustable (punto anular), recombinación de arco láser, modulación de frecuencia, etc. son todas as direccións que se poden expandir.
Hora de publicación: Dec-01-2023
