Efeito buraco de fechadura

1. definição de buraco de fechadura

Definição de buraco de fechadura: Quando a intensidade da radiação é superior a 10^6W/cm^2,Quando a superfície de um material derrete e evapora sob a ação de um laser, e quando a velocidade de evaporação é suficientemente grande, a pressão de recuo gerada pelo vapor é suficiente para superar a tensão superficial do metal líquido e a gravidade do líquido, afastando assim parte do metal líquido. Isso faz com que a poça de fusão na área de ação do laser recue, formando um pequeno poço. O feixe atua diretamente no fundo do pequeno poço, fazendo com que o metal derreta e vaporize ainda mais. O vapor de alta pressão continua a forçar o metal líquido no fundo do poço a ser empurrado em direção aos arredores da poça de fusão, aprofundando ainda mais o pequeno buraco. À medida que este processo continua, um buraco semelhante a um buraco de fechadura é finalmente formado no metal líquido.

O efeito buraco de fechadura em soldagem a laser refere-se à formação de pequenas bolhas ou furos devido à expansão térmica do material e à evaporação de gases internos durante o processo de soldagem a laser. Esses furos podem afetar a qualidade da soldagem e a resistência da costura de solda. O efeito buraco de fechadura ocorre principalmente devido aos seguintes motivos:

1) Expansão térmica do material: A alta densidade de energia do feixe de laser aumenta rapidamente a temperatura na área de soldagem, fazendo com que o material se expanda termicamente. Isto leva à geração de tensão e deformação na área de soldagem. Quando a expansão térmica do material de soldagem não é uniforme, é fácil formar furos.

2) Evaporação de gases internos: Existem pequenos gases ou impurezas no material de soldagem. Quando o feixe de laser incide sobre a área de soldagem, a alta temperatura faz com que esses gases evaporem rapidamente, formando bolhas ou furos. Essas bolhas podem dificultar a formação da poça de soldagem e o enchimento do metal fundido, afetando assim a qualidade da soldagem.

3) Reações químicas do material: Sob altas temperaturas, o material de soldagem reage quimicamente com oxigênio, vapor de água e outros elementos presentes no ambiente circundante, gerando óxidos ou outros compostos. a liberação de gases durante o processo de soldagem, além de provocar ainda mais o efeito buraco de fechadura.

Quando a pressão do vapor metálico gerado pelo feixe de laser nos microporos atinge o equilíbrio com a tensão superficial e a gravidade do metal líquido, os microporos não continuam mais a se aprofundar, formando um microporo estável em profundidade. Isto é conhecido como “efeito buraco de fechadura”.

2. Formação e desenvolvimento do buraco da fechadura

Durante o processo de soldagem, a parede do buraco da fechadura está sempre em estado de alta flutuação. A camada mais fina de metal fundido na parede anterior do buraco da fechadura flui para baixo com a flutuação da parede. Qualquer saliência na parede anterior do buraco da fechadura irá evaporar fortemente devido à irradiação por lasers de alta densidade de potência. O vapor gerado é ejetado para trás, impactando o metal da poça fundida na parede posterior, fazendo com que a poça fundida oscile e afetando o transbordamento de bolhas na poça fundida durante o processo de solidificação.

Devido à presença dos microporos, a energia do feixe de laser penetra no material, formando esta costura de solda profunda e estreita. A imagem acima mostra a morfologia transversal típica de uma solda de penetração profunda a laser. A profundidade da solda e a profundidade do buraco de fechadura são próximas (para ser preciso, a comparação metalográfica é 60-100um mais profunda que o buraco de fechadura, diferindo por um camada de fase líquida). Quanto maior a densidade de energia do laser, mais profundo será o buraco da fechadura e maior será a profundidade da solda. Na soldagem a laser de alta potência, a maior relação profundidade/largura da solda pode chegar a 12:1.

A instabilidade do buraco de fechadura durante o processo de soldagem é causada principalmente pela evaporação do metal local na parede frontal do buraco de fechadura. Os fatores que formam a porosidade são:

1) A evaporação local provoca a infiltração de gás protetor;

2) A queima de elementos de liga;

3) Durante a soldagem a laser de alumínio e suas ligas, a solubilidade do hidrogênio no alumínio diminui drasticamente durante o processo de resfriamento.

3.Análise da absorção de energia do laser no buraco da fechadura

Antes da formação do pequeno furo e do plasma, a energia do laser é transferida principalmente para o interior da peça por meio da condução de calor. O processo de soldagem pertence à soldagem por condução (dentro de 0.5 mm de profundidade de fusão) e a taxa de absorção do material para o laser está entre 25-45%, uma vez formado o buraco da fechadura, a energia do laser depende principalmente do efeito do buraco da fechadura para ser diretamente absorvido pelo interior da peça. O processo de soldagem torna-se soldagem de penetração profunda (profundidade de fusão superior a 0.5 mm), e a taxa de absorção pode chegar a 60 ~ 90% ou mais.O efeito buraco de fechadura desempenha um papel extremamente importante no fortalecimento da absorção de lasers em processos de processamento como soldagem a laser, corte e perfuração. O feixe de laser que entra no buraco da fechadura é quase completamente absorvido através de múltiplas reflexões na parede do buraco.

Geralmente, acredita-se que o mecanismo de absorção de energia do laser no buraco da fechadura inclui dois processos: absorção inversa de Bremsstrahlung e absorção de Fresnel.

3.1 Absorção de Fresnel

A absorção de Fresnel é o mecanismo de absorção da parede do buraco da fechadura do laser, que descreve o comportamento de absorção do laser sob múltiplas reflexões no buraco da fechadura. Quando o laser entra no buraco da fechadura, ocorrem múltiplas reflexões na parede interna do buraco da fechadura e, durante cada processo de reflexão, uma parte da energia do laser é absorvida pela parede do buraco da fechadura.

No gráfico à esquerda, pode-se observar que a taxa de absorção do aço para lasers infravermelhos é cerca de 2.5 vezes a do magnésio, 3.1 vezes a do alumínio e 36 vezes a do ouro, prata e cobre. Para materiais de alta refletividade, as múltiplas reflexões do feixe de laser no pequeno orifício são o principal mecanismo de absorção de energia no processo de soldagem a laser por fusão profunda.

A baixa taxa de absorção leva a uma menor eficiência de acoplamento de energia durante a soldagem a laser de materiais altamente refletivos (71% VS 97%) e a uma maior concentração de absorção de energia na parte inferior do pequeno orifício. , a distribuição de energia ao longo da direção da profundidade do pequeno furo é desequilibrada, o que acelera a instabilidade do pequeno furo e leva à porosidade, fusão incompleta e aparência ruim.

3.2 Absorção reversa de tenacidade

Outro mecanismo de absorção de pequenos furos é através absorção de radiação de resistência inversa plasmônica.O plasma foto-induzido não existe apenas acima da saída do pequeno orifício, mas também preenche o pequeno orifício. O laser viaja no plasma entre duas reflexões na parede do furo, parte de sua energia é absorvida pelo plasma e a energia absorvida pelo plasma é repassada para a parede do furo por meio de convecção e radiação.

O papel e a proporção dos dois mecanismos de absorção de energia: Os dois mecanismos de absorção da energia do laser em pequenos furos têm impactos diferentes na formação do cordão de solda.

•A maior parte da energia absorvida pelo plasma é liberada na parte superior do pequeno orifício, e menos é liberada na parte inferior, o que facilita a obtenção de um orifício em forma de "copo de vinho", mas não é propício para estender a profundidade do buraco.

•A energia liberada pela absorção de Fresnel da parede do furo é relativamente uniforme na direção da profundidade do furo, o que é benéfico para aumentar a profundidade do furo e, finalmente, obter uma costura de solda relativamente profunda e estreita.

Do ponto de vista de melhorar a qualidade e a eficiência da soldagem, se o plasma dentro do pequeno orifício puder ser controlado para ser mais benéfico para a estabilidade da soldagem, a modulação do laser, o modo anular ajustável e a fonte de calor composta são soluções técnicas potencialmente eficazes.

4. Equilíbrio de pressão dentro do buraco da fechadura

Durante a soldagem por fusão profunda a laser, o material vaporiza dramaticamente e a pressão de expansão do vapor de alta temperatura empurra o metal líquido para o lado, formando um pequeno orifício. Dentro do pequeno orifício, além da pressão de vapor do material e da pressão de ablação (também conhecida como força de reação de evaporação ou pressão de recuo), há também tensão superficial, pressão estática líquida causada pela gravidade e pressão dinâmica de fluido gerada pelo fluxo de material derretido.Entre essas pressões, apenas a pressão de vapor ajuda a manter o pequeno furo aberto, enquanto as outras três forças estão todas tentando fechar o pequeno furo.Para manter a estabilidade do pequeno furo durante o processo de soldagem, o a pressão de vapor deve ser suficiente para superar outras forças de resistência, de modo a atingir um estado estável e manter a estabilidade a longo prazo do buraco da fechadura. Para simplificar, acredita-se geralmente que as forças que atuam na parede do buraco da fechadura são principalmente a pressão de ablação (pressão de recuo do vapor metálico) e a tensão superficial.

5. Instabilidade do buraco da fechadura

Quando o laser atua na superfície do material, uma grande quantidade de metal evapora, a pressão de recuo deprime a poça derretida para baixo, formando um buraco de fechadura, assim como o plasma, o que aumenta a profundidade da fusão. atinge a parede frontal do buraco da fechadura, todas as posições onde o laser entra em contato com o material fazem com que o material evapore violentamente. Ao mesmo tempo, há uma perda de massa na parede do buraco da fechadura, e a pressão de recuo formada pela evaporação também pressiona o metal líquido para baixo, fazendo com que a parede interna do buraco da fechadura flutue para baixo, contornando a parte inferior do buraco da fechadura e movendo-se em direção ao poça derretida na parte de trás do buraco da fechadura. Devido ao movimento flutuante da poça derretida líquida da parede frontal para a parede traseira, o volume interno do buraco da fechadura muda constantemente e a pressão interna do buraco da fechadura também muda de acordo. A mudança de pressão leva à mudança de volume do plasma efusivo. A alteração no volume do plasma leva a alterações na blindagem, refração e absorção da energia do laser, causando alterações na energia do laser que atinge a superfície do material. Todo o processo é dinâmico e cíclico, resultando em uma profundidade de fusão de metal serrilhada e em forma de onda, e não há costura de solda de profundidade suavemente igual.

A vista em corte do centro do cordão de solda obtido pelo corte longitudinal ao longo do centro paralelo ao cordão de solda, bem como o gráfico de mudança de profundidade do buraco de fechadura medido em tempo real pelo IPG-LDD, corroboram isso.

6.Flutuações periódicas do buraco da fechadura

1. O laser atua na parede frontal do buraco da fechadura, causando evaporação violenta da parede frontal. A pressão de recuo pressiona a parede frontal, comprimindo o metal líquido para acelerar seu movimento descendente. O movimento descendente do metal líquido comprime o vapor metálico para sair pela abertura do buraco da fechadura. O aumento repentino do vapor metálico absorve a energia do laser e ioniza, ao mesmo tempo que refrata e absorve a energia do laser, resultando em uma diminuição acentuada na energia do laser que atinge o buraco da fechadura.

2. A diminuição acentuada da energia do laser que atinge o buraco da fechadura resulta em uma diminuição na quantidade de vaporização do metal dentro do buraco da fechadura. Isto faz com que a pressão do buraco da fechadura diminua, a quantidade de vapor metálico que escapa da abertura superior do buraco da fechadura reduz e a profundidade de fusão diminui.

3. À medida que a quantidade de vapor metálico diminui, a blindagem, a refração e a absorção da energia do laser diminuem, fazendo com que a energia do laser que atinge o interior do buraco da fechadura aumente e a profundidade de fusão aumente.

7. O buraco da fechadura suprime a direção da onda

1） Tensão superficial

Influência: A tensão superficial afeta o fluxo da poça de fusão;

Inibição:A estabilização do processo de soldagem a laser envolve a manutenção da distribuição gradiente da tensão superficial na poça de fusão sem flutuações excessivas. A tensão superficial está relacionada à distribuição de temperatura, que por sua vez está relacionada à fonte de calor. Portanto, fontes de calor compostas e soldagem oscilante são abordagens técnicas potenciais para estabilizar o processo de soldagem.

2) Pressão de recuo do vapor metálico

Influência:A pressão de recuo do vapor metálico afeta diretamente a formação de buracos de fechadura e está intimamente relacionada à profundidade e ao volume dos buracos de fechadura. Além disso, como o vapor metálico é a única substância que se move para cima durante o processo de soldagem, está intimamente relacionado à ocorrência de respingos.

Inibição:A relação entre o vapor metálico e o volume do buraco da fechadura requer atenção ao efeito do plasma e ao tamanho da abertura do buraco da fechadura. Quanto maior a abertura, maior o buraco da fechadura, fazendo com que as flutuações na pequena poça derretida no fundo pareçam insignificantes. Isso tem um impacto menor no volume geral do buraco da fechadura e nas alterações de pressão interna.Portanto, laser em modo de anel ajustável (pontos em forma de anel), combinação de arco laser, modulação de frequência, etc., são todas direções potenciais para expansão.