Interacció amb material làser: efecte forat de pany

La formació i el desenvolupament dels forats de pany:

Definició de forat de pany: Quan la irradiància de radiació és superior a 10 ^ 6W/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 del 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 petits forats; El feix de llum actua directament sobre el fons del petit forat, fent que el metall es fongui i es gasifiqui encara més. El vapor d'alta pressió continua forçant el metall líquid al fons del forat a fluir cap a la perifèria de la piscina fosa, aprofundint encara més el petit forat. Aquest procés continua, formant finalment un forat semblant a un forat de pany al metall líquid. Quan la pressió de vapor metàl·lic generada pel feix 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 en profunditat, que s'anomena "efecte forat petit".

A mesura que el feix làser es mou en relació amb la peça, el forat petit mostra una part frontal lleugerament corbada cap enrere i un triangle invertit clarament inclinat a la part posterior. La vora frontal del forat petit 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 forat petit des de l'extrem frontal fins a l'extrem posterior, formant un vòrtex a l'extrem posterior del forat petit i finalment solidifica a la vora posterior. L'estat dinàmic del forat de pany 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 desplaçament a diferents velocitats.

A causa de la presència de petits forats, l'energia del feix làser penetra a l'interior del material, formant aquesta soldadura profunda i estreta. La morfologia de secció transversal típica de la soldadura de penetració profunda amb làser es mostra a la figura anterior. La profunditat de penetració de la soldadura és propera a la profunditat del forat del pany (per ser precisos, la capa metal·logràfica és de 60 a 100 µm més profunda que el forat del pany, una capa líquida menys). Com més alta sigui la densitat d'energia làser, més profund serà el forat petit i més gran serà la profunditat de penetració de la soldadura. En la soldadura làser d'alta potència, la relació màxima entre la profunditat i l'amplada de la soldadura pot arribar a 12:1.

Anàlisi de l'absorció deenergia làserper forat de pany

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 conductiva (amb una profunditat de penetració inferior a 0,5 mm), i la taxa d'absorció del làser del material és d'entre el 25 i el 45%. Un cop format el forat de pany, l'energia del làser s'absorbeix principalment per l'interior de la peça a través de l'efecte forat de pany, i el procés de soldadura es converteix en soldadura de penetració profunda (amb una profunditat de penetració superior a 0,5 mm). La taxa d'absorció pot arribar a superar el 60-90%.

L'efecte forat del pany juga 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 feix làser que entra al forat del pany s'absorbeix gairebé completament a través de múltiples reflexions de la paret del forat.

Generalment es creu que el mecanisme d'absorció d'energia del làser dins del forat del pany inclou dos processos: l'absorció inversa i l'absorció de Fresnel.

Equilibri de pressió dins del forat del pany

Durant la soldadura de penetració profunda amb 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 de fluids generada pel flux de material fos dins del forat petit. Entre aquestes pressions, només la pressió de vapor manté l'obertura del forat petit, mentre que les altres tres forces s'esforcen per tancar el forat petit. Per mantenir l'estabilitat del forat del pany 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 del pany. Per simplicitat, generalment es creu que les forces que actuen sobre la paret del forat del pany són principalment la pressió d'ablació (pressió de retrocés del vapor metàl·lic) i la tensió superficial.

Inestabilitat del forat del pany

Antecedents: El làser actua sobre la superfície dels materials, fent que s'evapori una gran quantitat de metall. La pressió de retrocés pressiona el dipòsit fos, formant forats de pany i plasma, cosa que provoca un augment de la profunditat de fusió. Durant el procés de moviment, el làser colpeja la paret frontal del forat del pany, 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 del pany experimentarà una pèrdua de massa, i l'evaporació formarà una pressió de retrocés que pressionarà el metall líquid, fent que la paret interior del forat del pany fluctuï cap avall i es mogui al voltant del fons del forat del pany cap a la part posterior del dipòsit fos. A causa de la fluctuació del dipòsit de líquid fos des de la paret frontal fins a la paret posterior, el volum dins del forat del pany canvia constantment. La pressió interna del forat del pany també canvia en conseqüència, cosa que provoca un canvi en el volum del plasma polvoritzat. El canvi en el volum del plasma provoca canvis en el blindatge, la refracció i l'absorció de l'energia làser, cosa que provoca 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 una soldadura de penetració igual i suau. 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 de la clau mitjançantIPG-LDD com a prova.

Millorar la direcció d'estabilitat del forat del pany

Durant la soldadura de penetració profunda amb làser, l'estabilitat del forat petit només es pot garantir mitjançant l'equilibri dinàmic de diverses pressions dins del forat. Tanmateix, l'absorció de l'energia làser per la paret del forat i l'evaporació dels materials, l'ejecció 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 certs moments durant el procés de soldadura, hi ha la possibilitat que l'estabilitat del forat petit es pugui alterar en zones locals, donant lloc a defectes de soldadura. Els més típics i comuns són els defectes de porositat de tipus porus petit i les esquitxades causades pel col·lapse del forat de pany;

Llavors, com estabilitzar el forat del pany?

La fluctuació del fluid de forat de pany 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 relacionada amb la profunditat i el volum dels forats de pany. Al mateix temps, com a única substància de vapor metàl·lic que es mou cap amunt en el procés de soldadura, també està estretament relacionada amb l'aparició d'esquitxades; La tensió superficial afecta el flux del bany fos;

Així doncs, un 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 per oscil·lació són possibles direccions tècniques per a un procés de soldadura estable;

El vapor metàl·lic i el volum del forat del pany han de parar atenció a l'efecte plasma i a la mida de l'obertura del forat del pany. Com més gran sigui l'obertura, més gran serà el forat del pany, i les fluctuacions insignificants en el punt inferior de la piscina de fusió, que tenen un impacte relativament petit en el volum general del forat del pany i els canvis de pressió interna; Per tant, el làser en mode d'anell ajustable (punt anular), la recombinació d'arc làser, la modulació de freqüència, etc. són totes direccions que es poden expandir.