Efecto ojo de cerradura

1.definición de ojo de cerradura

Definición de ojo de cerradura: cuando la intensidad de la radiación es superior a 10^6W/cm^2, cuando la superficie de un material se funde y se evapora bajo la acción de un láser, y cuando la velocidad de evaporación es suficientemente grande, la presión de retroceso generada por el vapor es suficiente para superar la tensión superficial del metal líquido y la gravedad del líquido, empujando así parte del metal líquido. Esto hace que el charco de fusión en el área de acción del láser se hunda, formando un pequeño hoyo. El rayo actúa directamente sobre el fondo del pequeño hoyo, lo que hace que el metal se derrita y se vaporice aún más. El vapor a alta presión continúa empujando el metal líquido en el fondo del pozo hacia los alrededores del baño de fusión, profundizando así aún más el pequeño agujero. A medida que continúa este proceso, finalmente se forma un agujero similar al ojo de una cerradura en el metal líquido.

El efecto ojo de cerradura en soldadura por láser Se refiere a la formación de pequeñas burbujas o agujeros debido a la expansión térmica del material y la evaporación de los gases internos durante el proceso de soldadura láser. Estos agujeros pueden afectar la calidad de la soldadura y la resistencia de la costura de soldadura. El efecto ojo de cerradura se produce principalmente por las siguientes razones:

1）Expansión térmica del material: la alta densidad de energía del rayo láser eleva rápidamente la temperatura en el área de soldadura, provocando que el material se expanda térmicamente. Esto conduce a la generación de tensiones y deformaciones en la zona de soldadura. Cuando la expansión térmica del material de soldadura no es uniforme, es fácil formar agujeros.

2）Evaporación de gases internos: Hay pequeños gases o impurezas en el material de soldadura. Cuando el rayo láser apunta al área de soldadura, la alta temperatura hace que estos gases se evaporen rápidamente, formando burbujas o agujeros. Estas burbujas pueden dificultar la formación del baño de soldadura y el llenado de metal fundido, afectando así la calidad de la soldadura.

3）Reacciones químicas del material: a altas temperaturas, el material de soldadura reacciona químicamente con oxígeno, vapor de agua y otros elementos presentes en el entorno, generando óxidos u otros compuestos. Estos compuestos reducen el punto de fusión del área de soldadura, aumentan la liberación de gases durante el proceso de soldadura y provocar aún más el efecto ojo de cerradura.

Cuando la presión del vapor de metal generado por el rayo láser en los microporos alcanza el equilibrio con la tensión superficial y la gravedad del metal líquido, los microporos ya no continúan profundizándose, formando un microporo de profundidad estable. Esto es lo que se conoce como el "efecto ojo de cerradura".

2.Formación y desarrollo de ojo de cerradura.

Durante el proceso de soldadura, la pared del ojo de cerradura siempre está en un estado de alta fluctuación. La capa más delgada de metal fundido en la pared anterior del ojo de la cerradura fluye hacia abajo con la fluctuación de la pared. Cualquier protuberancia en la pared anterior del ojo de la cerradura se evaporará fuertemente debido a la irradiación de láseres de densidad de alta potencia. El vapor generado se expulsa hacia atrás, impactando el metal del charco fundido en la pared posterior, haciendo que el charco fundido oscile y afectando el desbordamiento de burbujas en el charco fundido durante el proceso de solidificación.

Debido a la presencia de microporos, la energía del rayo láser penetra en el material, formando esta profunda y estrecha costura de soldadura. La imagen de arriba muestra la morfología transversal típica de una soldadura de penetración profunda con láser. La profundidad de la soldadura y la profundidad del ojo de cerradura son cercanas (para ser precisos, la comparación metalográfica es 60-100um más profunda que el ojo de cerradura, diferenciándose en un capa de fase líquida). Cuanto mayor sea la densidad de energía del láser, más profundo será el ojo de la cerradura y mayor será la profundidad de la soldadura. En la soldadura láser de alta potencia, la relación más alta de profundidad a ancho de la soldadura puede alcanzar 12:1.

La inestabilidad del ojo de la cerradura durante el proceso de soldadura se debe principalmente a la evaporación del metal local en la pared frontal del ojo de la cerradura. Los factores que forman la porosidad son:

1) La evaporación local provoca la infiltración de gas protector;

2) La quema de elementos de aleación;

3) Durante la soldadura láser de aluminio y sus aleaciones, la solubilidad del hidrógeno en el aluminio disminuye drásticamente durante el proceso de enfriamiento.

3.Análisis de la absorción de energía del láser en el ojo de la cerradura.

Antes de que se forme el pequeño agujero y el plasma, la energía del láser se transfiere principalmente al interior de la pieza de trabajo mediante conducción de calor. El proceso de soldadura pertenece a la soldadura por conducción (dentro de una profundidad de fusión de 0.5 mm) y la tasa de absorción del material al láser es de entre 25 y 45%. Una vez que se forma el ojo de cerradura, la energía del láser depende principalmente del efecto de ojo de cerradura para ser absorbido directamente por el interior de la pieza de trabajo. El proceso de soldadura se convierte en soldadura de penetración profunda (más de 0.5 mm de profundidad de fusión), y la tasa de absorción puede alcanzar el 60 ~ 90% o más.El efecto ojo de cerradura juega un papel muy importante en el fortalecimiento de la absorción de láseres en procesos de procesamiento como soldadura por láser, corte y punzonado. El rayo láser que entra por el ojo de la cerradura se absorbe casi por completo a través de múltiples reflejos en la pared del agujero.

Generalmente se cree que el mecanismo de absorción de energía del láser en el ojo de la cerradura incluye dos procesos: la absorción inversa de bremsstrahlung y la absorción de Fresnel.

3.1 Absorción de Fresnel

La absorción de Fresnel es el mecanismo de absorción de la pared del ojo de la cerradura para el láser, que describe el comportamiento de absorción del láser bajo múltiples reflexiones en el ojo de la cerradura. Cuando el láser entra por el ojo de la cerradura, se producen múltiples reflejos en la pared interior del ojo de la cerradura y, durante cada proceso de reflexión, la pared del ojo de la cerradura absorbe una parte de la energía del láser.

En el gráfico de la izquierda se puede ver que la tasa de absorción del acero para láseres infrarrojos es aproximadamente 2.5 veces mayor que la del magnesio, 3.1 veces mayor que la del aluminio y 36 veces mayor que la del oro, la plata y el cobre. Para materiales de alta reflectividad, los múltiples reflejos del rayo láser en el pequeño orificio son el mecanismo principal para absorber energía en el proceso de soldadura láser por fusión profunda.

La baja tasa de absorción conduce a una menor eficiencia de acoplamiento de energía durante la soldadura láser de materiales altamente reflectantes (71% frente a 97%) y a una mayor concentración de absorción de energía en el fondo del orificio pequeño. Durante el proceso de soldadura láser de materiales altamente reflectantes , la distribución de energía a lo largo de la dirección de profundidad del agujero pequeño está desequilibrada, lo que acelera la inestabilidad del agujero pequeño y provoca porosidad, fusión incompleta y mala apariencia.

3.2 Absorción de tenacidad inversa

Otro mecanismo de absorción de pequeños agujeros es a través de absorción de radiación de tenacidad inversa plasmónicaEl plasma fotoinducido no sólo existe encima de la salida del pequeño agujero, sino que también lo llena. El láser viaja en el plasma entre dos reflejos de la pared del agujero, parte de su energía es absorbida por el plasma y la energía absorbida por el plasma se transmite a la pared del agujero mediante convección y radiación.

El papel y la proporción de los dos mecanismos de absorción de energía.: Los dos mecanismos para absorber la energía láser dentro de pequeños orificios tienen diferentes impactos en la formación de la costura de soldadura.

•La mayor parte de la energía absorbida por el plasma se libera en la parte superior del pequeño orificio y menos en la parte inferior, lo que facilita la obtención de un orificio en forma de "copa de vino", pero no favorece la ampliación de la profundidad. del agujero.

•La energía liberada por la absorción de Fresnel de la pared del agujero es relativamente uniforme en la dirección de la profundidad del agujero, lo que es beneficioso para aumentar la profundidad del agujero y, en última instancia, obtener una costura de soldadura relativamente profunda y estrecha.

Desde la perspectiva de mejorar la calidad y eficiencia de la soldadura, si se puede controlar el plasma dentro del orificio pequeño para que sea más beneficioso para la estabilidad de la soldadura, la modulación láser, el modo anular ajustable y la fuente de calor compuesta son soluciones técnicas potencialmente efectivas.

4. Equilibrio de presión dentro del ojo de la cerradura.

Durante la soldadura por fusión profunda con láser, el material se vaporiza dramáticamente y la presión de expansión del vapor de alta temperatura empuja el metal líquido hacia un lado, formando un pequeño agujero. Dentro del pequeño agujero, además de la presión de vapor del material y la presión de ablación (también conocida como fuerza de reacción de evaporación o presión de retroceso), también hay tensión superficial, presión estática del líquido causada por la gravedad y presión dinámica de fluido generada por la flujo de material fundido. Entre estas presiones, solo la presión de vapor ayuda a mantener el orificio pequeño abierto, mientras que las otras tres fuerzas intentan cerrar el orificio pequeño. Para mantener la estabilidad del orificio pequeño durante el proceso de soldadura, el La presión de vapor debe ser suficiente para superar otras fuerzas de resistencia, a fin de alcanzar un estado estable y mantener la estabilidad a largo plazo del ojo de la cerradura. Para simplificar, generalmente se cree que las fuerzas que actúan sobre la pared del ojo de cerradura son principalmente la presión de ablación (presión de retroceso del vapor metálico) y la tensión superficial.

5. Inestabilidad del ojo de la cerradura

Cuando el láser actúa sobre la superficie del material, se evapora una gran cantidad de metal, la presión de retroceso deprime el charco fundido hacia abajo, formando un ojo de cerradura, así como el plasma, lo que aumenta la profundidad de la fusión. Durante el proceso de movimiento, cuando el láser golpea la pared frontal del ojo de la cerradura, todas las posiciones donde el láser entra en contacto con el material hacen que el material se evapore violentamente. Al mismo tiempo, hay una pérdida de masa en la pared del ojo de la cerradura, y la presión de retroceso formada por la evaporación también presiona el metal líquido hacia abajo, lo que hace que la pared interior del ojo de la cerradura fluctúe hacia abajo, sin pasar por el fondo del ojo de la cerradura y moviéndose hacia el piscina fundida en la parte posterior del ojo de la cerradura.Debido al movimiento fluctuante del charco líquido fundido desde la pared frontal a la pared trasera, el volumen interno del ojo de la cerradura cambia constantemente y la presión interna del ojo de la cerradura también cambia en consecuencia. El cambio de presión conduce al cambio de volumen del plasma efusivo. El cambio en el volumen del plasma provoca cambios en el blindaje, la refracción y la absorción de la energía del láser, provocando cambios en la energía del láser que llega a la superficie del material. Todo el proceso es dinámico y cíclico, lo que finalmente da como resultado una profundidad de fusión del metal dentada y en forma de onda, y no hay una costura de soldadura de igual profundidad.

La vista en sección del centro de la costura de soldadura obtenida cortando longitudinalmente a lo largo del centro paralelo a la costura de soldadura, así como el gráfico de cambio de profundidad del ojo de cerradura medido en tiempo real por IPG-LDD, corroboran esto.

6.Fluctuaciones periódicas en ojo de cerradura

1. El láser actúa sobre la pared frontal del ojo de la cerradura, provocando una evaporación violenta de la pared frontal. La presión de retroceso presiona la pared frontal, apretando el metal líquido para acelerar su movimiento descendente. El movimiento descendente del metal líquido exprime el vapor del metal para que salga por la abertura del ojo de la cerradura. El vapor metálico que aumenta repentinamente absorbe la energía del láser y se ioniza, al mismo tiempo que refracta y absorbe la energía del láser, lo que resulta en una fuerte disminución de la energía del láser que llega al ojo de la cerradura.

2. La fuerte disminución de la energía láser que llega al ojo de la cerradura da como resultado una disminución en la cantidad de vaporización del metal dentro del ojo de la cerradura. Esto hace que la presión del ojo de la cerradura disminuya, se reduzca la cantidad de vapor metálico que escapa por la abertura superior del ojo de la cerradura y disminuya la profundidad de fusión.

3. A medida que disminuye la cantidad de vapor metálico, el blindaje, la refracción y la absorción de la energía del láser disminuyen, lo que hace que aumente la energía del láser que llega al interior del ojo de la cerradura y aumente la profundidad de fusión.

7.El ojo de la cerradura suprime la dirección de las olas.

1) Tensión superficial

Influencia: La tensión superficial afecta el flujo del baño fundido;

Inhibición: La estabilización del proceso de soldadura láser implica mantener la distribución del gradiente de tensión superficial en el baño fundido sin fluctuaciones excesivas. La tensión superficial está relacionada con la distribución de la temperatura, que a su vez está relacionada con la fuente de calor. Por lo tanto, las fuentes de calor compuestas y la soldadura oscilante son enfoques técnicos potenciales para estabilizar el proceso de soldadura.

2）Presión de retroceso del vapor metálico

Influencia: La presión de retroceso del vapor de metal afecta directamente la formación de los ojos de cerradura y está estrechamente relacionada con la profundidad y el volumen de los ojos de las cerraduras. Además, como el vapor de metal es la única sustancia que se mueve hacia arriba durante el proceso de soldadura, está estrechamente relacionado con la aparición de salpicaduras.

Inhibición: La relación entre el vapor metálico y el volumen del ojo de la cerradura requiere atención al efecto plasma y al tamaño de la abertura del ojo de la cerradura. Cuanto más grande es la abertura, más grande es el ojo de la cerradura, lo que hace que las fluctuaciones en el pequeño charco fundido en el fondo parezcan insignificantes. Esto tiene un impacto menor en el volumen general del ojo de la cerradura y en los cambios de presión interna.Por lo tanto, el láser en modo de anillo ajustable (puntos en forma de anillo), la combinación de arco láser, la modulación de frecuencia, etc., son direcciones potenciales de expansión.