La formació i desenvolupament de forats de pany:
Definició del forat: quan la irradiància de la radiació és superior a 10 ^ 6 W/cm ^ 2, la superfície del material es fon i s'evapora sota l'acció del làser.Quan la velocitat d'evaporació és prou gran, la pressió de retrocés de vapor generada és suficient per superar la tensió superficial i la gravetat líquida del metall líquid, desplaçant així part del metall líquid, fent que la piscina fosa a la zona d'excitació s'enfonsi i formi petites fosses. ;El feix de llum actua directament sobre el fons del petit pou, fent que el metall es fongui i gasifiqui encara més.El vapor d'alta pressió continua forçant el metall líquid del fons de la fossa a fluir cap a la perifèria de la piscina fosa, aprofundint encara més el petit forat.Aquest procés continua, formant finalment un forat com un forat al metall líquid.Quan la pressió de vapor de metall generada pel raig làser al petit forat arriba a l'equilibri amb la tensió superficial i la gravetat del metall líquid, el petit forat ja no s'aprofundeix i forma un petit forat estable a la profunditat, que s'anomena "efecte forat petit". .
A mesura que el raig làser es mou en relació a la peça de treball, el petit forat mostra un davant corbat lleugerament cap enrere i un triangle invertit clarament inclinat a la part posterior.La vora frontal del petit forat és l'àrea d'acció del làser, amb alta temperatura i alta pressió de vapor, mentre que la temperatura al llarg de la vora posterior és relativament baixa i la pressió de vapor és petita.Sota aquesta diferència de pressió i temperatura, el líquid fos flueix al voltant del petit forat des de l'extrem frontal fins a l'extrem posterior, formant un vòrtex a l'extrem posterior del petit forat i, finalment, es solidifica a la vora posterior.L'estat dinàmic del forat obtingut mitjançant la simulació làser i la soldadura real es mostra a la figura anterior, La morfologia dels forats petits i el flux del líquid fos circumdant durant el viatge a diferents velocitats.
A causa de la presència de petits forats, l'energia del raig làser penetra a l'interior del material, formant aquesta costura de soldadura profunda i estreta.La morfologia de la secció transversal típica de la costura de soldadura de penetració profunda del làser es mostra a la figura anterior.La profunditat de penetració de la costura de soldadura és propera a la profunditat del forat de la pany (per ser precisos, la capa metal·logràfica és 60-100um més profunda que el forat, una capa líquida menys).Com més gran sigui la densitat d'energia del làser, més profund és el petit forat i més gran és la profunditat de penetració de la costura de soldadura.En la soldadura làser d'alta potència, la relació màxima de profunditat i amplada de la costura de soldadura pot arribar a 12:1.
Anàlisi de l'absorció deenergia làserpel forat de la clau
Abans de la formació de petits forats i plasma, l'energia del làser es transmet principalment a l'interior de la peça a través de la conducció tèrmica.El procés de soldadura pertany a la soldadura conductora (amb una profunditat de penetració inferior a 0,5 mm), i la taxa d'absorció del làser del material és entre el 25 i el 45%.Un cop format el forat, l'energia del làser s'absorbeix principalment per l'interior de la peça a través de l'efecte del forat, i el procés de soldadura es converteix en soldadura de penetració profunda (amb una profunditat de penetració de més de 0,5 mm), la taxa d'absorció pot arribar més del 60-90%.
L'efecte forat té un paper extremadament important en la millora de l'absorció del làser durant el processament, com ara la soldadura làser, el tall i la perforació.El raig làser que entra al forat s'absorbeix gairebé completament a través de múltiples reflexos de la paret del forat.
En general, es creu que el mecanisme d'absorció d'energia del làser dins del forat de la pany inclou dos processos: absorció inversa i absorció de Fresnel.
Balanç de pressió dins del forat de la clau
Durant la soldadura de penetració profunda per làser, el material experimenta una vaporització severa i la pressió d'expansió generada pel vapor d'alta temperatura expulsa el metall líquid, formant petits forats.A més de la pressió de vapor i la pressió d'ablació (també coneguda com a força de reacció d'evaporació o pressió de retrocés) del material, també hi ha tensió superficial, pressió estàtica líquida causada per la gravetat i pressió dinàmica del fluid generada pel flux de material fos dins del petit forat.Entre aquestes pressions, només la pressió del vapor manté l'obertura del petit forat, mentre que les altres tres forces s'esforcen per tancar el petit forat.Per mantenir l'estabilitat del forat durant el procés de soldadura, la pressió de vapor ha de ser suficient per superar altres resistències i aconseguir l'equilibri, mantenint l'estabilitat a llarg termini del forat.Per simplificar, es creu generalment que les forces que actuen sobre la paret del forat de la clau són principalment la pressió d'ablació (pressió de retrocés de vapor metàl·lic) i la tensió superficial.
Inestabilitat de Keyhole
Antecedents: el làser actua sobre la superfície dels materials, provocant l'evaporació d'una gran quantitat de metall.La pressió de retrocés pressiona la piscina fosa, formant forats i plasma, donant lloc a un augment de la profunditat de fusió.Durant el procés de moviment, el làser colpeja la paret frontal del forat de la clau i la posició on el làser entra en contacte amb el material provocarà una evaporació severa del material.Al mateix temps, la paret del forat de la pany experimentarà una pèrdua de massa i l'evaporació formarà una pressió de retrocés que pressionarà el metall líquid, provocant que la paret interior del forat de la clau fluctuï cap avall i es mogui per la part inferior del forat cap a la posterior de la piscina fosa.A causa de la fluctuació de la piscina líquida fosa des de la paret frontal fins a la paret posterior, el volum dins del forat de la clau canvia constantment, la pressió interna del forat també canvia en conseqüència, la qual cosa comporta un canvi en el volum del plasma ruixat. .El canvi en el volum del plasma provoca canvis en el blindatge, la refracció i l'absorció de l'energia del làser, donant lloc a canvis en l'energia del làser que arriba a la superfície del material.Tot el procés és dinàmic i periòdic, donant com a resultat una penetració metàl·lica ondulada i en forma de dent de serra, i no hi ha soldadura de penetració igual llisa. La figura anterior és una vista en secció transversal del centre de la soldadura obtinguda mitjançant un tall longitudinal paral·lel al centre de la soldadura, així com una mesura en temps real de la variació de la profunditat del forat perIPG-LDD com a prova.
Millorar la direcció d'estabilitat del forat
Durant la soldadura de penetració profunda per làser, l'estabilitat del petit forat només es pot garantir mitjançant l'equilibri dinàmic de diverses pressions dins del forat.Tanmateix, l'absorció d'energia làser per la paret del forat i l'evaporació dels materials, l'expulsió de vapor metàl·lic fora del forat petit i el moviment cap endavant del forat petit i la piscina fosa són processos molt intensos i ràpids.En determinades condicions del procés, en determinats moments del procés de soldadura, hi ha la possibilitat que l'estabilitat del petit forat es vegi alterada a les zones locals, donant lloc a defectes de soldadura.Els més típics i comuns són els defectes de porositat de tipus de porus petits i les esquitxades causades pel col·lapse del forat de la clau;
Llavors, com estabilitzar el forat de la clau?
La fluctuació del fluid del forat de la clau és relativament complexa i implica massa factors (camp de temperatura, camp de flux, camp de força, física optoelectrònica), que es poden resumir simplement en dues categories: la relació entre la tensió superficial i la pressió de retrocés del vapor metàl·lic;La pressió de retrocés del vapor metàl·lic actua directament sobre la generació de forats de pany, que està estretament relacionat amb la profunditat i el volum dels forats.Al mateix temps, com a única substància en moviment ascendent del vapor metàl·lic en el procés de soldadura, també està estretament relacionada amb l'aparició d'esquitxades;La tensió superficial afecta el flux de la piscina fosa;
Així, el procés de soldadura làser estable depèn de mantenir el gradient de distribució de la tensió superficial a la piscina fosa, sense massa fluctuacions.La tensió superficial està relacionada amb la distribució de la temperatura i la distribució de la temperatura està relacionada amb la font de calor.Per tant, la font de calor composta i la soldadura oscil·lant són direccions tècniques potencials per a un procés de soldadura estable;
El vapor metàl·lic i el volum del forat de la clau han de prestar atenció a l'efecte del plasma i a la mida de l'obertura del forat.Com més gran sigui l'obertura, més gran és el forat de la clau i les fluctuacions insignificants al punt inferior de la piscina de fusió, que tenen un impacte relativament petit en el volum global del forat i els canvis de pressió interna;Per tant, làser de mode d'anell ajustable (punt anular), recombinació d'arc làser, modulació de freqüència, etc. són totes direccions que es poden expandir.
Hora de publicació: 01-12-2023
