Effetto buco della serratura

1.definizione del buco della serratura

Definizione del buco della serratura: quando l'intensità della radiazione è maggiore di 10 ^ 6 W/cm ^ 2, quando la superficie di un materiale si scioglie ed evapora sotto l'azione di un laser e quando la velocità di evaporazione è sufficientemente elevata, la pressione di ritorno generata dal vapore è sufficiente per superare la tensione superficiale del metallo liquido e la gravità del liquido, spingendo così da parte una parte del metallo liquido. Ciò fa sì che la zona di fusione nell'area di azione del laser si ritiri, formando una piccola fossa. Il raggio agisce direttamente sul fondo della piccola fossa, provocando l'ulteriore fusione e vaporizzazione del metallo. Il vapore ad alta pressione continua a spingere il metallo liquido sul fondo del pozzo verso i dintorni del bagno di fusione, approfondendo così ulteriormente il piccolo foro. Man mano che questo processo continua, nel metallo liquido si forma finalmente un foro simile al buco della serratura.

L'effetto buco della serratura saldatura laser si riferisce alla formazione di minuscole bolle o fori dovuti alla dilatazione termica del materiale e all'evaporazione dei gas interni durante il processo di saldatura laser. Questi fori possono influire sulla qualità della saldatura e sulla resistenza del cordone di saldatura. L'effetto buco della serratura si verifica principalmente per i seguenti motivi:

1）Espansione termica del materiale: l'elevata densità di energia del raggio laser aumenta rapidamente la temperatura nell'area di saldatura, provocando l'espansione termica del materiale. Ciò porta alla generazione di stress e deformazioni nella zona di saldatura. Quando la dilatazione termica del materiale di saldatura non è uniforme, è facile che si formino buchi.

2）Evaporazione dei gas interni: nel materiale di saldatura sono presenti minuscoli gas o impurità. Quando il raggio laser viene indirizzato sulla zona di saldatura, l'elevata temperatura fa evaporare rapidamente questi gas, formando bolle o buchi. Queste bolle possono ostacolare la formazione del bagno di saldatura e il riempimento del metallo fuso, compromettendo così la qualità della saldatura.

3）Reazioni chimiche del materiale: ad alte temperature, il materiale di saldatura reagisce chimicamente con ossigeno, vapore acqueo e altri elementi presenti nell'ambiente circostante, generando ossidi o altri composti. Questi composti abbassano il punto di fusione dell'area di saldatura, aumentano il rilascio di gas durante il processo di saldatura e provoca ulteriormente l'effetto buco della serratura.

Quando la pressione del vapore metallico generato dal raggio laser nei micropori raggiunge l'equilibrio con la tensione superficiale e la gravità del metallo liquido, i micropori non continuano più ad approfondirsi, formando un microporo stabile in profondità. Questo è quello che viene definito “effetto buco della serratura”.

2.Formazione e sviluppo del buco della serratura

Durante il processo di saldatura, la parete del buco della serratura è sempre in uno stato di elevata fluttuazione. Lo strato più sottile di metallo fuso sulla parete anteriore del buco della serratura scorre verso il basso con la fluttuazione della parete. Qualsiasi sporgenza sulla parete anteriore del buco della serratura evaporerà fortemente a causa dell'irradiazione di laser ad alta densità di potenza. Il vapore generato viene espulso all'indietro, colpendo il metallo fuso sulla parete posteriore, provocando l'oscillazione del bagno fuso e influenzando il traboccamento delle bolle nel bagno fuso durante il processo di solidificazione.

A causa della presenza dei micropori, l'energia del raggio laser penetra nel materiale, formando questo cordone di saldatura stretto e profondo. L'immagine sopra mostra la tipica morfologia in sezione trasversale di una saldatura a penetrazione profonda laser. La profondità della saldatura e la profondità del buco della serratura sono vicine (per la precisione, il confronto metallografico è 60-100um più profondo del buco della serratura, differendo per un strato di fase liquida). Maggiore è la densità di energia del laser, più profondo è il buco della serratura e maggiore è la profondità della saldatura. Nella saldatura laser ad alta potenza, il rapporto profondità/larghezza più elevato della saldatura può raggiungere 12:1.

L'instabilità del buco della serratura durante il processo di saldatura è causata principalmente dall'evaporazione del metallo locale nella parete anteriore del buco della serratura. I fattori che determinano la porosità sono:

1) L'evaporazione locale provoca l'infiltrazione di gas protettivo;

2) Il burn-off degli elementi leganti;

3) Durante la saldatura laser dell'alluminio e delle sue leghe, la solubilità dell'idrogeno nell'alluminio diminuisce drasticamente durante il processo di raffreddamento.

3.Analisi dell'assorbimento dell'energia laser nel buco della serratura

Prima della formazione del piccolo foro e del plasma, l'energia del laser viene trasferita principalmente all'interno del pezzo attraverso la conduzione del calore. Il processo di saldatura appartiene alla saldatura a conduzione (entro 0.5 mm di profondità di fusione) e il tasso di assorbimento del materiale da parte del laser è compreso tra il 25 e il 45%, una volta formato il buco della serratura, l'energia del laser si basa principalmente sull'effetto buco della serratura per essere assorbito direttamente dall'interno del pezzo. Il processo di saldatura diventa saldatura a penetrazione profonda (profondità di fusione superiore a 0.5 mm)e il tasso di assorbimento può raggiungere il 60~90% o più.L’effetto buco della serratura gioca un ruolo estremamente importante nel rafforzare l'assorbimento dei laser nei processi di lavorazione come saldatura laser, taglio e punzonatura. Il raggio laser che entra nel buco della serratura viene quasi completamente assorbito attraverso molteplici riflessioni sulla parete del buco.

Si ritiene generalmente che il meccanismo di assorbimento dell'energia del laser nel buco della serratura comprenda due processi: assorbimento di bremsstrahlung inverso e assorbimento di Fresnel.

3.1 Assorbimento di Fresnel

L'assorbimento di Fresnel è il meccanismo di assorbimento della parete del buco della serratura per il laser, che descrive il comportamento di assorbimento del laser sotto molteplici riflessioni nel buco della serratura. Quando il laser entra nel buco della serratura, si verificano riflessioni multiple sulla parete interna del buco della serratura e durante ogni processo di riflessione, una parte dell'energia laser viene assorbita dalla parete del buco della serratura.

Dal grafico a sinistra, si può vedere che il tasso di assorbimento dell'acciaio per i laser a infrarossi è circa 2.5 volte quello del magnesio, 3.1 volte quello dell'alluminio e 36 volte quello dell'oro, dell'argento e del rame. Per i materiali ad alta riflettività, le riflessioni multiple del raggio laser nel piccolo foro sono il meccanismo principale per assorbire energia nel processo di saldatura laser a fusione profonda.

Il basso tasso di assorbimento porta a una minore efficienza di accoppiamento dell'energia durante la saldatura laser di materiali altamente riflettenti (71% VS 97%) e a una maggiore concentrazione di assorbimento di energia sul fondo del piccolo foro. Durante il processo di saldatura laser di materiali altamente riflettenti , la distribuzione dell'energia lungo la direzione della profondità del piccolo foro è sbilanciata, il che accelera l'instabilità del piccolo foro e porta a porosità, fusione incompleta e aspetto scadente.

3.2 Assorbimento inverso della tenacità

Un altro meccanismo di assorbimento dei piccoli fori è attraverso Assorbimento della radiazione di tenacità inversa plasmonica.Il plasma fotoindotto non solo esiste sopra l'uscita del piccolo foro, ma riempie anche il piccolo foro. Il laser viaggia nel plasma tra due riflessioni sulla parete del foro, parte della sua energia viene assorbita dal plasma e l'energia assorbita dal plasma viene trasmessa alla parete del foro attraverso convezione e radiazione.

Il ruolo e la proporzione dei due meccanismi di assorbimento dell'energia: I due meccanismi per assorbire l'energia laser all'interno di piccoli fori hanno impatti diversi sulla formazione del cordone di saldatura.

•La maggior parte dell'energia assorbita dal plasma viene rilasciata nella parte superiore del piccolo foro, e meno viene rilasciata nella parte inferiore, il che rende facile ottenere un foro a forma di "bicchiere di vino", ma non favorisce l'estensione della profondità del buco.

•L'energia rilasciata dall'assorbimento di Fresnel della parete del foro è relativamente uniforme nella direzione della profondità del foro, il che è vantaggioso per aumentare la profondità del foro e, in definitiva, ottenere un cordone di saldatura relativamente profondo e stretto.

Dal punto di vista del miglioramento della qualità e dell'efficienza della saldatura, se il plasma all'interno del piccolo foro può essere controllato per essere più vantaggioso per la stabilità della saldatura, la modulazione laser, la modalità anulare regolabile e la fonte di calore composta sono tutte soluzioni tecniche potenzialmente efficaci.

4. Bilanciamento della pressione all'interno del buco della serratura

Durante la saldatura per fusione profonda con laser, il materiale vaporizza drasticamente e la pressione di espansione del vapore ad alta temperatura spinge da parte il metallo liquido, formando un piccolo foro. All'interno del piccolo foro, oltre alla pressione di vapore del materiale e alla pressione di ablazione (nota anche come forza di reazione di evaporazione o pressione di rinculo), sono presenti anche la tensione superficiale, la pressione statica del liquido causata dalla gravità e la pressione fluidodinamica generata dal flusso di materiale fuso. Tra queste pressioni, solo la pressione del vapore aiuta a mantenere aperto il piccolo foro, mentre le altre tre forze cercano tutte di chiudere il piccolo foro. Per mantenere la stabilità del piccolo foro durante il processo di saldatura, il la pressione del vapore deve essere sufficiente per superare altre forze di resistenza, in modo da raggiungere uno stato stabile e mantenere la stabilità a lungo termine del buco della serratura. Per semplicità, si ritiene generalmente che le forze agenti sulla parete del buco della serratura siano principalmente la pressione di ablazione (pressione di rinculo del vapore metallico) e la tensione superficiale.

5. Instabilità del buco della serratura

Quando il laser agisce sulla superficie del materiale, una grande quantità di metallo evapora, la pressione di contraccolpo deprime la pozza fusa verso il basso, formando un buco della serratura, così come il plasma, che aumenta la profondità di fusione. Durante il processo di movimento, quando il laser colpisce la parete frontale della serratura, tutte le posizioni in cui il laser entra in contatto con il materiale provocano una violenta evaporazione del materiale. Allo stesso tempo, si verifica una perdita di massa sulla parete del buco della serratura e la pressione di ritorno formata dall'evaporazione spinge anche il metallo liquido verso il basso, facendo fluttuare la parete interna del buco della serratura verso il basso, aggirando il fondo del buco della serratura e spostandosi verso il buco della serratura. pozza fusa sul retro del buco della serratura. A causa del movimento fluttuante della pozza fusa liquida dalla parete anteriore a quella posteriore, il volume interno del buco della serratura cambia costantemente e anche la pressione interna del buco della serratura cambia di conseguenza. La variazione della pressione porta alla variazione del volume del plasma effusivo. La variazione del volume del plasma porta a cambiamenti nella schermatura, rifrazione e assorbimento dell'energia laser, causando cambiamenti nell'energia del laser che raggiunge la superficie del materiale. L'intero processo è dinamico e ciclico e alla fine si traduce in una profondità di fusione del metallo seghettata e a forma di onda e non esiste un cordone di saldatura uniformemente di uguale profondità.

La vista in sezione del centro del cordone di saldatura ottenuta tagliando longitudinalmente lungo il centro parallelo al cordone di saldatura, nonché il grafico della variazione della profondità del foro della serratura misurato in tempo reale da IPG-LDD, confermano ciò.

6. Fluttuazioni periodiche del buco della serratura

1. Il laser agisce sulla parete anteriore della serratura, provocando una violenta evaporazione della parete anteriore. La pressione di rinculo preme sulla parete anteriore, comprimendo il metallo liquido per accelerarne il movimento verso il basso. Il movimento verso il basso del metallo liquido spreme il vapore metallico per farlo fuoriuscire dall'apertura del buco della serratura. Il vapore metallico improvvisamente aumentato assorbe l'energia laser e si ionizza, rifrangendo e assorbendo anche l'energia laser, con conseguente forte diminuzione dell'energia laser che raggiunge il buco della serratura.

2. La forte diminuzione dell'energia laser che raggiunge il buco della serratura si traduce in una diminuzione della quantità di vaporizzazione del metallo all'interno del buco della serratura. Ciò fa sì che la pressione del buco della serratura diminuisca, la quantità di vapore metallico che fuoriesce dall'apertura superiore del buco della serratura diminuisce e la profondità di fusione diminuisce.

3. Man mano che la quantità di vapore metallico diminuisce, la schermatura, la rifrazione e l'assorbimento dell'energia laser diminuiscono, facendo aumentare l'energia laser che raggiunge l'interno del buco della serratura e la profondità di fusione.

7.Il buco della serratura sopprime la direzione dell'onda

1） Tensione superficiale

Influenza: la tensione superficiale influenza il flusso del bagno di fusione;

Inibizione: la stabilizzazione del processo di saldatura laser comporta il mantenimento della distribuzione del gradiente della tensione superficiale nel bagno di fusione senza fluttuazioni eccessive. La tensione superficiale è legata alla distribuzione della temperatura, che a sua volta è legata alla fonte di calore. Pertanto, le fonti di calore composite e la saldatura oscillante sono potenziali approcci tecnici per stabilizzare il processo di saldatura.

2）Pressione di ritrazione del vapore metallico

Influenza: la pressione di rinculo del vapore metallico influisce direttamente sulla formazione delle serrature ed è strettamente correlata alla profondità e al volume delle serrature. Inoltre, poiché il vapore metallico è l'unica sostanza che si muove verso l'alto durante il processo di saldatura, è strettamente correlato alla formazione di spruzzi.

Inibizione: la relazione tra vapore metallico e volume del buco della serratura richiede attenzione all'effetto plasma e alla dimensione dell'apertura del buco della serratura. Più grande è l'apertura, più grande è il buco della serratura, facendo sembrare trascurabili le fluttuazioni nella piccola pozza di metallo fuso sul fondo. Ciò ha un impatto minore sul volume complessivo del buco della serratura e sulle variazioni di pressione interna.Pertanto, il laser con modalità ad anello regolabile (spot a forma di anello), la combinazione laser-arco, la modulazione di frequenza, ecc., sono tutte potenziali direzioni di espansione.