A formación e o desenvolvemento dos buratos das fechaduras:
Definición de burato de chave: Cando a irradiación por radiación é superior a 10 ^ 6 W/cm ^ 2, a superficie do material fúndese e evapórase 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 líquida 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 funda e gasifique aínda máis. O vapor de alta presión continúa forzando o metal líquido no fondo do pozo a fluír cara á periferia da piscina fundida, profundando aínda máis o pequeno burato. Este proceso continúa, formando finalmente un burato tipo burato de chave no metal líquido. Cando a presión de vapor do metal xerada polo feixe láser no pequeno burato alcanza o equilibrio coa tensión superficial e a gravidade do metal líquido, o pequeno burato deixa de profundarse e forma un pequeno burato estable en profundidade, o que se denomina "efecto de burato pequeno".
A medida que o raio láser se move en relación coa peza de traballo, o pequeno burato mostra unha parte frontal lixeiramente curvada cara atrás e un triángulo invertido claramente inclinado na parte traseira. O bordo frontal do pequeno burato 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 arredor do pequeno burato desde o extremo frontal ata o extremo traseiro, formando un vórtice no extremo traseiro do pequeno burato e finalmente solidifica no bordo traseiro. O estado dinámico do burato da fechadura obtido mediante simulación láser e soldadura real móstrase na figura anterior: A morfoloxía dos pequenos buratos e o fluxo do líquido fundido circundante durante o desprazamento a diferentes velocidades.
Debido á presenza de pequenos orificios, a enerxía do raio láser penetra no interior do material, formando esta soldadura profunda e estreita. A morfoloxía típica da sección transversal da soldadura de penetración profunda con láser móstrase na figura anterior. A profundidade de penetración da soldadura é próxima á profundidade do burato da fechadura (para ser precisos, a capa metalográfica é de 60 a 100 µm máis profunda que o burato da fechadura, unha capa líquida menos). Canto maior sexa a densidade de enerxía do láser, máis profundo será o burato pequeno e maior será a profundidade de penetración da soldadura. Na soldadura láser de alta potencia, a relación máxima entre a profundidade e a anchura da soldadura pode chegar a 12:1.
Análise da absorción deenerxía láserpolo burato da fechadura
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 láser no material está entre o 25 e o 45 %. Unha vez formado o burato de chave, a enerxía do láser absórbese principalmente polo interior da peza a través do efecto burato de chave, e o proceso de soldadura convértese en soldadura de penetración profunda (cunha profundidade de penetración superior a 0,5 mm). A taxa de absorción pode chegar a superar o 60-90 %.
O efecto burato da fechadura xoga un papel extremadamente importante á hora de mellorar a absorción do láser durante o procesamento, como a soldadura láser, o corte e a perforación. O raio láser que entra no burato da fechadura absórbese case por completo a través de múltiples reflexións da parede do burato.
Crese xeralmente que o mecanismo de absorción de enerxía do láser dentro do burato da fechadura inclúe dous procesos: a absorción inversa e a absorción de Fresnel.
Equilibrio de presión dentro do burato da fechadura
Durante a soldadura de 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 dentro do pequeno burato. Entre estas presións, só a presión de vapor mantén a apertura do pequeno burato, mentres que as outras tres forzas se esforzan por pechalo. Para manter a estabilidade do burato da chave durante o proceso de soldadura, a presión de vapor debe ser suficiente para superar outras resistencias e alcanzar o equilibrio, mantendo a estabilidade a longo prazo do burato da chave. Para simplificar, xeralmente crese que as forzas que actúan sobre a parede do burato da chave son principalmente a presión de ablación (presión de retroceso do vapor metálico) e a tensión superficial.
Inestabilidade do burato da fechadura
Antecedentes: O láser actúa sobre a superficie dos materiais, facendo que se evapore unha gran cantidade de metal. A presión de retroceso presiona sobre o charco fundido, formando buratos de fechadura e plasma, o que resulta nun aumento na profundidade de fusión. Durante o proceso de movemento, o láser golpea a parede frontal do burato da fechadura e a posición onde o láser entra en contacto co material provocará unha evaporación severa do material. Ao mesmo tempo, a parede do burato da fechadura experimentará unha perda de masa e a evaporación formará unha presión de retroceso que presionará sobre o metal líquido, facendo que a parede interior do burato da fechadura flutúe cara abaixo e se mova arredor do fondo do burato da fechadura cara á parte traseira do charco fundido. Debido á flutuación do charco fundido líquido desde a parede frontal ata a parede traseira, o volume dentro do burato da fechadura cambia constantemente. A presión interna do burato da fechadura tamén cambia en consecuencia, o que leva a un cambio no volume do plasma pulverizado. O cambio no volume do plasma leva a cambios no blindaxe, a refracción e a absorción da enerxía láser, o que resulta en cambios na enerxía do láser que chega á superficie do material. Todo o proceso é dinámico e periódico, o que resulta nunha penetración de metal ondulada e en forma de dente de serra, e non hai unha soldadura de penetración igual e suave. A figura anterior é unha vista en sección transversal do centro da soldadura obtida mediante corte lonxitudinal paralelo ao centro da soldadura, así como unha medición en tempo real da variación da profundidade do burato de chave porIPG-LDD como proba.
Mellorar a dirección de estabilidade do burato da fechadura
Durante a soldadura por penetración profunda con láser, a estabilidade do pequeno burato só pode garantirse mediante o equilibrio dinámico das diversas presións dentro do burato. Non obstante, a absorción da enerxía láser pola parede do burato 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 certos momentos durante o proceso de soldadura, existe a posibilidade de que a estabilidade do pequeno burato se vexa alterada en áreas locais, o que leva a defectos de soldadura. Os máis típicos e comúns son os defectos de porosidade de tipo poro pequeno e as salpicaduras causadas polo colapso do burato de chave;
Entón, como estabilizar o burato da fechadura?
A flutuación do fluído dos buratos de chave é relativamente complexa e implica moitos 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 metálico; A presión de retroceso do vapor metálico actúa directamente na xeración de buratos de chave, o que está estreitamente relacionado coa profundidade e o volume dos buratos de chave. Ao mesmo tempo, como a única substancia de vapor metálico que se move cara arriba no proceso de soldadura, tamén está estreitamente relacionada coa aparición de salpicaduras; A tensión superficial afecta o fluxo do charco fundido;
Polo tanto, un proceso de soldadura láser estable depende de manter o gradiente de distribución da tensión superficial no baño fundido, sen demasiadas flutuacións. 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 por oscilación son posibles direccións técnicas para un proceso de soldadura estable;
O vapor metálico e o volume do burato da fechadura deben prestar atención ao efecto plasma e ao tamaño da abertura do burato da fechadura. Canto maior sexa a abertura, maior será o burato da fechadura e as flutuacións insignificantes no punto inferior da piscina de fusión, que teñen un impacto relativamente pequeno no volume total do burato da fechadura e nos cambios de presión interna; Polo tanto, o láser de modo de anel axustable (punto anular), a recombinación do arco láser, a modulación de frecuencia, etc. son todas direccións que se poden expandir.
Data de publicación: 01-12-2023
