Effet trou de serrure

1. définition du trou de serrure

Définition du trou de serrure : lorsque l'intensité du rayonnement est supérieure à 10^6W/cm^2, lorsque la surface d'un matériau fond et s'évapore sous l'action d'un laser, et lorsque la vitesse d'évaporation est suffisamment grande, la pression de recul générée par la vapeur est suffisant pour vaincre la tension superficielle du métal liquide et la gravité du liquide, repoussant ainsi une partie du métal liquide. Cela provoque le retrait du bassin de fusion dans la zone d'action du laser, formant une petite fosse. Le faisceau agit directement sur le fond de la petite fosse, provoquant la fusion et la vaporisation du métal. La vapeur à haute pression continue de forcer le métal liquide au fond de la fosse à être poussé vers les environs du bain de fusion, approfondissant ainsi davantage le petit trou. Au fur et à mesure que ce processus se poursuit, un trou semblable à un trou de serrure se forme finalement dans le métal liquide.

L’effet trou de serrure dans la soudure au laser fait référence à la formation de minuscules bulles ou de trous dus à la dilatation thermique du matériau et à l'évaporation des gaz internes pendant le processus de soudage au laser. Ces trous peuvent avoir un impact sur la qualité du soudage et la résistance du cordon de soudure. L’effet trou de serrure se produit principalement pour les raisons suivantes :

1) Expansion thermique du matériau : la haute densité d'énergie du faisceau laser augmente rapidement la température dans la zone de soudage, provoquant une dilatation thermique du matériau. Cela conduit à la génération de contraintes et de déformations dans la zone de soudage. Lorsque la dilatation thermique du matériau de soudage n’est pas uniforme, il est facile de former des trous.

2）Évaporation des gaz internes : il y a de minuscules gaz ou impuretés dans le matériau de soudage. Lorsque le faisceau laser est dirigé sur la zone de soudage, la température élevée provoque une évaporation rapide de ces gaz, formant des bulles ou des trous. Ces bulles peuvent gêner la formation du bain de soudure et le remplissage du métal en fusion, affectant ainsi la qualité du soudage.

3) Réactions chimiques du matériau : à haute température, le matériau de soudage réagit chimiquement avec l'oxygène, la vapeur d'eau et d'autres éléments présents dans l'environnement, générant des oxydes ou d'autres composés. Ces composés abaissent le point de fusion de la zone de soudage, augmentent la libération de gaz pendant le processus de soudage, et provoquer en outre l'effet trou de serrure.

Lorsque la pression de la vapeur métallique générée par le faisceau laser dans les micropores atteint l'équilibre avec la tension superficielle et la gravité du métal liquide, les micropores ne continuent plus à s'approfondir, formant un micropore stable en profondeur. C’est ce qu’on appelle « l’effet trou de serrure ».

2. Formation et développement du trou de serrure

Pendant le processus de soudage, la paroi en trou de serrure est toujours dans un état de forte fluctuation. La couche plus fine de métal en fusion sur la paroi antérieure du trou de serrure s'écoule vers le bas avec la fluctuation de la paroi. Toute saillie sur la paroi antérieure du trou de serrure s’évaporera fortement en raison de l’irradiation par des lasers à haute densité de puissance. La vapeur générée est éjectée vers l'arrière, impactant le métal du bain fondu sur la paroi postérieure, provoquant l'oscillation du bain fondu et affectant le débordement des bulles dans le bain fondu pendant le processus de solidification.

En raison de la présence des micropores, l’énergie du faisceau laser pénètre dans le matériau, formant ce cordon de soudure profond et étroit. L'image ci-dessus montre la morphologie transversale typique d'une soudure à pénétration profonde au laser. La profondeur de la soudure et la profondeur du trou de serrure sont proches (pour être précis, la comparaison métallographique est 60 à 100 um plus profonde que le trou de serrure, différant par un couche en phase liquide). Plus la densité d'énergie laser est élevée, plus le trou de serrure est profond et plus la soudure est profonde. Dans le soudage laser haute puissance, le rapport profondeur/largeur de soudure le plus élevé peut atteindre 12:1.

L'instabilité du trou de serrure pendant le processus de soudage est principalement causée par l'évaporation du métal local dans la paroi avant du trou de serrure. Les facteurs formant la porosité sont :

1) L'évaporation locale provoque l'infiltration de gaz de protection ;

2) La combustion des éléments d'alliage ;

3) Lors du soudage laser de l'aluminium et de ses alliages, la solubilité de l'hydrogène dans l'aluminium diminue considérablement pendant le processus de refroidissement.

3.Analyse de l'absorption d'énergie laser dans le trou de serrure

Avant la formation du petit trou et du plasma, l’énergie du laser est principalement transférée à l’intérieur de la pièce par conduction thermique. Le processus de soudage appartient au soudage par conduction (dans une profondeur de fusion de 0.5 mm) et le taux d'absorption du matériau par le laser est compris entre 25 et 45 %. Une fois le trou de serrure formé, l'énergie du laser repose principalement sur l'effet de trou de serrure pour être directement absorbé par l’intérieur de la pièce. Le processus de soudage devient un soudage à pénétration profonde (profondeur de fusion supérieure à 0.5 mm), et le taux d'absorption peut atteindre 60 ~ 90 % ou plus.L'effet trou de serrure joue un rôle extrêmement important dans le renforcement de l'absorption des lasers dans les processus de traitement tels que la soudure au laser, découpe et poinçonnage. Le faisceau laser entrant dans le trou de serrure est presque entièrement absorbé par de multiples réflexions sur la paroi du trou.

On pense généralement que le mécanisme d’absorption d’énergie du laser dans le trou de serrure comprend deux processus : l’absorption inverse de Bremsstrahlung et l’absorption de Fresnel.

3.1 Absorption de Fresnel

L'absorption de Fresnel est le mécanisme d'absorption de la paroi du trou de serrure du laser, qui décrit le comportement d'absorption du laser sous de multiples réflexions dans le trou de serrure. Lorsque le laser pénètre dans le trou de serrure, de multiples réflexions se produisent sur la paroi interne du trou de serrure, et lors de chaque processus de réflexion, une partie de l'énergie laser est absorbée par la paroi du trou de serrure.

Sur le graphique de gauche, on peut voir que le taux d'absorption de l'acier pour les lasers infrarouges est environ 2.5 fois celui du magnésium, 3.1 fois celui de l'aluminium et 36 fois celui de l'or, de l'argent et du cuivre. Pour les matériaux à haute réflectivité, les réflexions multiples du faisceau laser dans le petit trou constituent le principal mécanisme d’absorption d’énergie dans le processus de soudage laser par fusion profonde.

Le faible taux d'absorption entraîne une efficacité de couplage énergétique plus faible lors du soudage laser de matériaux hautement réfléchissants (71 % contre 97 %) et une concentration plus élevée d'absorption d'énergie au fond du petit trou. Pendant le processus de soudage laser de matériaux hautement réfléchissants , la distribution d'énergie dans la direction de la profondeur du petit trou est déséquilibrée, ce qui accélère l'instabilité du petit trou et conduit à une porosité, une fusion incomplète et un mauvais aspect.

3.2 Absorption de ténacité inverse

Un autre mécanisme d'absorption des petits trous passe par absorption des radiations à ténacité inverse plasmoniqueLe plasma photo-induit existe non seulement au-dessus de la sortie du petit trou, mais remplit également le petit trou. Le laser se déplace dans le plasma entre deux réflexions sur la paroi du trou, une partie de son énergie est absorbée par le plasma, et l'énergie absorbée par le plasma est transmise à la paroi du trou par convection et rayonnement.

Le rôle et la proportion des deux mécanismes d’absorption d’énergie: Les deux mécanismes d'absorption de l'énergie laser dans les petits trous ont des impacts différents sur la formation du cordon de soudure.

•La majeure partie de l'énergie absorbée par le plasma est libérée dans la partie supérieure du petit trou, et une moindre partie est libérée dans la partie inférieure, ce qui permet d'obtenir facilement un trou en forme de "verre à vin", mais ne favorise pas l'extension de la profondeur. du trou.

•L'énergie libérée par l'absorption de Fresnel de la paroi du trou est relativement uniforme dans la direction de la profondeur du trou, ce qui est bénéfique pour augmenter la profondeur du trou et finalement obtenir un cordon de soudure relativement profond et étroit.

Du point de vue de l'amélioration de la qualité et de l'efficacité du soudage, si le plasma à l'intérieur du petit trou peut être contrôlé pour être plus bénéfique à la stabilité du soudage, la modulation laser, le mode annulaire réglable et la source de chaleur composée sont autant de solutions techniques potentiellement efficaces.

4. Équilibre de pression à l'intérieur du trou de serrure

Lors du soudage par fusion profonde au laser, le matériau se vaporise considérablement et la pression d'expansion de la vapeur à haute température repousse le métal liquide sur le côté, formant un petit trou. À l'intérieur du petit trou, en plus de la pression de vapeur du matériau et de la pression d'ablation (également connue sous le nom de force de réaction d'évaporation ou pression de recul), il existe également une tension superficielle, une pression statique du liquide causée par la gravité et une pression dynamique du fluide générée par le flux de matière fondue. Parmi ces pressions, seule la pression de vapeur aide à maintenir le petit trou ouvert, tandis que les trois autres forces tentent toutes de fermer le petit trou. Pour maintenir la stabilité du petit trou pendant le processus de soudage, le la pression de vapeur doit être suffisante pour vaincre d'autres forces de résistance, de manière à atteindre un état stable et à maintenir la stabilité à long terme du trou de serrure. Pour simplifier, on pense généralement que les forces agissant sur la paroi en trou de serrure sont principalement la pression d'ablation (pression de recul de la vapeur métallique) et la tension superficielle.

5. Instabilité du trou de serrure

Lorsque le laser agit sur la surface du matériau, une grande quantité de métal s'évapore, la pression de recul abaisse le bassin fondu vers le bas, formant un trou de serrure, ainsi que le plasma, ce qui augmente la profondeur de fusion. Pendant le processus de mouvement, lorsque le laser frappe la paroi avant du trou de serrure, toutes les positions où le laser entre en contact avec le matériau provoquent l'évaporation violente du matériau. Dans le même temps, il y a une perte de masse sur la paroi du trou de serrure et la pression de recul formée par l'évaporation pousse également le métal liquide vers le bas, provoquant une fluctuation de la paroi intérieure du trou de serrure vers le bas, contournant le fond du trou de serrure et se déplaçant vers le piscine fondue à l'arrière du trou de serrure. En raison du mouvement fluctuant de la piscine fondue liquide de la paroi avant à la paroi arrière, le volume interne du trou de serrure change constamment et la pression interne du trou de serrure change également en conséquence. Le changement de pression entraîne un changement de volume du plasma effusif. La modification du volume du plasma entraîne des modifications du blindage, de la réfraction et de l’absorption de l’énergie laser, entraînant des modifications de l’énergie du laser atteignant la surface du matériau. L'ensemble du processus est dynamique et cyclique, ce qui aboutit finalement à une profondeur de fusion du métal dentelée et en forme de vague, et il n'y a pas de cordon de soudure à profondeur égale.

La vue en coupe du centre du cordon de soudure obtenue en coupant longitudinalement le long du centre parallèlement au cordon de soudure, ainsi que le tableau de changement de profondeur du trou de serrure mesuré en temps réel par IPG-LDD, le corroborent.

6. Fluctuations périodiques du trou de serrure

1. Le laser agit sur la paroi avant du trou de serrure, provoquant une violente évaporation de la paroi avant. La pression de recul appuie sur la paroi avant, pressant le métal liquide pour accélérer son mouvement vers le bas. Le mouvement vers le bas du métal liquide presse la vapeur métallique pour la projeter par l'ouverture du trou de serrure. La vapeur métallique soudainement augmentée absorbe l'énergie laser et s'ionise, tout en réfractant et en absorbant l'énergie laser, ce qui entraîne une forte diminution de l'énergie laser atteignant le trou de serrure.

2. La forte diminution de l’énergie laser atteignant le trou de serrure entraîne une diminution de la quantité de vaporisation de métal à l’intérieur du trou de serrure. Cela entraîne une diminution de la pression du trou de serrure, une diminution de la quantité de vapeur métallique s'échappant de l'ouverture supérieure du trou de serrure et une diminution de la profondeur de fusion.

3. À mesure que la quantité de vapeur métallique diminue, le blindage, la réfraction et l'absorption de l'énergie laser diminuent, ce qui entraîne une augmentation de l'énergie laser atteignant l'intérieur du trou de serrure et une augmentation de la profondeur de fusion.

7. Le trou de serrure supprime la direction des vagues

1） Tension superficielle

Influence : La tension superficielle affecte l'écoulement du bain de fusion ;

Inhibition : La stabilisation du processus de soudage laser implique de maintenir la répartition du gradient de tension superficielle dans le bain fondu sans fluctuations excessives. La tension superficielle est liée à la répartition de la température, elle-même liée à la source de chaleur. Par conséquent, les sources de chaleur composites et le soudage oscillant sont des approches techniques potentielles pour stabiliser le processus de soudage.

2) Pression de recul des vapeurs métalliques

Influence : La pression de recul de la vapeur métallique affecte directement la formation des trous de serrure et est étroitement liée à la profondeur et au volume des trous de serrure. De plus, comme la vapeur métallique est la seule substance qui monte pendant le processus de soudage, elle est étroitement liée à l’apparition de projections.

Inhibition : La relation entre la vapeur métallique et le volume du trou de serrure nécessite une attention particulière à l'effet plasma et à la taille de l'ouverture du trou de serrure. Plus l’ouverture est grande, plus le trou de serrure est grand, ce qui rend les fluctuations dans la petite mare de fusion au fond semblant négligeables. Cela a un impact moindre sur le volume global du trou de serrure et sur les changements de pression interne.Par conséquent, le laser à mode annulaire réglable (spots en forme d’anneau), la combinaison laser-arc, la modulation de fréquence, etc., sont autant de directions potentielles d’expansion.