La formazione e lo sviluppo dei buchi della serratura:
Definizione del buco della serratura: quando l'irradiazione della radiazione è maggiore di 10 ^ 6 W/cm ^ 2, la superficie del materiale si scioglie ed evapora sotto l'azione del laser. Quando la velocità di evaporazione è sufficientemente elevata, la pressione di ritorno del vapore generato è sufficiente a superare la tensione superficiale e la gravità del liquido del metallo liquido, spostando così parte del metallo liquido, provocando l'affondamento della pozza fusa nella zona di eccitazione e la formazione di piccoli avvallamenti ; Il fascio di luce agisce direttamente sul fondo della piccola fossa, provocando l'ulteriore fusione e gassificazione del metallo. Il vapore ad alta pressione continua a forzare il metallo liquido sul fondo del pozzo a fluire verso la periferia della vasca fusa, approfondendo ulteriormente il piccolo foro. Questo processo continua, formando infine un buco simile a un buco della serratura nel metallo liquido. Quando la pressione del vapore metallico generata dal raggio laser nel piccolo foro raggiunge l'equilibrio con la tensione superficiale e la gravità del metallo liquido, il piccolo foro non si approfondisce più e forma un piccolo foro stabile in profondità, chiamato "effetto piccolo foro" .
Mentre il raggio laser si muove rispetto al pezzo da lavorare, il piccolo foro mostra una parte anteriore leggermente curva all'indietro e un triangolo rovesciato chiaramente inclinato nella parte posteriore. Il bordo anteriore del piccolo foro è l'area di azione del laser, con temperatura elevata e pressione di vapore elevata, mentre la temperatura lungo il bordo posteriore è relativamente bassa e la pressione di vapore è ridotta. Sotto questa pressione e differenza di temperatura, il liquido fuso scorre attorno al piccolo foro dall'estremità anteriore a quella posteriore, formando un vortice all'estremità posteriore del piccolo foro e infine si solidifica sul bordo posteriore. Lo stato dinamico del buco della serratura ottenuto attraverso la simulazione laser e la saldatura effettiva è mostrato nella figura sopra, La morfologia dei piccoli fori e il flusso del liquido fuso circostante durante il viaggio a velocità diverse.
A causa della presenza di piccoli fori, l'energia del raggio laser penetra all'interno del materiale, formando questo cordone di saldatura stretto e profondo. La tipica morfologia in sezione trasversale del cordone di saldatura a penetrazione profonda del laser è mostrata nella figura sopra. La profondità di penetrazione del cordone di saldatura è vicina alla profondità del buco della serratura (per essere precisi, lo strato metallografico è 60-100um più profondo del buco della serratura, uno strato di liquido in meno). Maggiore è la densità di energia del laser, più profondo è il piccolo foro e maggiore è la profondità di penetrazione del cordone di saldatura. Nella saldatura laser ad alta potenza, il rapporto massimo tra profondità e larghezza del cordone di saldatura può raggiungere 12:1.
Analisi dell'assorbimento dienergia laserdal buco della serratura
Prima della formazione dei piccoli fori e del plasma, l'energia del laser viene trasmessa principalmente all'interno del pezzo attraverso la conduzione termica. Il processo di saldatura appartiene alla saldatura conduttiva (con una profondità di penetrazione inferiore a 0,5 mm) e il tasso di assorbimento del laser da parte del materiale è compreso tra il 25 e il 45%. Una volta formato il buco della serratura, l'energia del laser viene assorbita principalmente dall'interno del pezzo attraverso l'effetto buco della serratura e il processo di saldatura diventa saldatura a penetrazione profonda (con una profondità di penetrazione superiore a 0,5 mm). Il tasso di assorbimento può raggiungere oltre il 60-90%.
L'effetto buco della serratura gioca un ruolo estremamente importante nel migliorare l'assorbimento del laser durante lavorazioni quali saldatura laser, taglio e foratura. Il raggio laser che entra nel buco della serratura viene quasi completamente assorbito attraverso riflessioni multiple dalla parete del buco.
Si ritiene generalmente che il meccanismo di assorbimento dell'energia del laser all'interno del buco della serratura comprenda due processi: assorbimento inverso e assorbimento di Fresnel.
Bilanciamento della pressione all'interno del buco della serratura
Durante la saldatura a penetrazione profonda del laser, il materiale subisce una forte vaporizzazione e la pressione di espansione generata dal vapore ad alta temperatura espelle il metallo liquido, formando piccoli fori. Oltre alla pressione di vapore e alla pressione di ablazione (nota anche come forza di reazione di evaporazione o pressione di rinculo) del materiale, ci sono anche la tensione superficiale, la pressione statica del liquido causata dalla gravità e la pressione fluidodinamica generata dal flusso di materiale fuso all'interno del materiale. piccolo foro. Di queste pressioni, solo la pressione del vapore mantiene l'apertura del piccolo foro, mentre le altre tre forze si sforzano di chiudere il piccolo foro. Per mantenere la stabilità del buco della serratura durante il processo di saldatura, la pressione del vapore deve essere sufficiente a superare altre resistenze e raggiungere l'equilibrio, mantenendo la stabilità a lungo termine del buco della serratura. Per semplicità, si ritiene generalmente che le forze che agiscono sulla parete del buco della serratura siano principalmente la pressione di ablazione (pressione di rinculo del vapore metallico) e la tensione superficiale.
Instabilità del buco della serratura
Background: il laser agisce sulla superficie dei materiali, provocando l'evaporazione di una grande quantità di metallo. La pressione di ritorno preme sulla vasca fusa, formando serrature e plasma, con conseguente aumento della profondità di fusione. Durante il processo di spostamento, il laser colpisce la parete anteriore del buco della serratura e la posizione in cui il laser entra in contatto con il materiale causerà una grave evaporazione del materiale. Allo stesso tempo, la parete del buco della serratura subirà una perdita di massa e l'evaporazione formerà una pressione di ritorno che premerà sul metallo liquido, facendo fluttuare la parete interna del buco della serratura verso il basso e spostandola attorno al fondo del buco della serratura verso il basso. retro della pozza fusa. A causa della fluttuazione della vasca di fusione liquida dalla parete anteriore a quella posteriore, il volume all'interno del buco della serratura cambia costantemente. Anche la pressione interna del buco della serratura cambia di conseguenza, il che porta a un cambiamento nel volume del plasma spruzzato. . La variazione del volume del plasma porta a cambiamenti nella schermatura, nella rifrazione e nell'assorbimento dell'energia laser, con conseguenti cambiamenti nell'energia del laser che raggiunge la superficie del materiale. L'intero processo è dinamico e periodico, e alla fine si traduce in una penetrazione del metallo a forma di dente di sega e ondulata, e non esiste una saldatura uniforme e uniforme a penetrazione. La figura sopra è una vista in sezione trasversale del centro della saldatura ottenuta mediante taglio longitudinale parallelo al centro della saldatura, nonché una misurazione in tempo reale della variazione della profondità del buco della serraturaIPG-LDD come prova.
Migliorare la direzione della stabilità del buco della serratura
Durante la saldatura laser a penetrazione profonda, la stabilità del piccolo foro può essere garantita solo dall'equilibrio dinamico delle varie pressioni all'interno del foro. Tuttavia, l'assorbimento dell'energia laser da parte della parete del foro e l'evaporazione dei materiali, l'espulsione del vapore metallico all'esterno del piccolo foro e il movimento in avanti del piccolo foro e della pozza fusa sono tutti processi molto intensi e rapidi. In determinate condizioni di processo, in determinati momenti del processo di saldatura, esiste la possibilità che la stabilità del piccolo foro possa essere compromessa in aree locali, causando difetti di saldatura. I più tipici e comuni sono difetti di porosità di tipo piccolo poro e spruzzi causati dal collasso del buco della serratura;
Allora come stabilizzare il buco della serratura?
La fluttuazione del fluido del buco della serratura è relativamente complessa e coinvolge troppi fattori (campo di temperatura, campo di flusso, campo di forza, fisica optoelettronica), che possono essere semplicemente riassunti in due categorie: la relazione tra tensione superficiale e pressione di rinculo del vapore metallico; La pressione di contraccolpo del vapore metallico agisce direttamente sulla generazione delle serrature, che è strettamente correlata alla profondità e al volume delle serrature. Allo stesso tempo, essendo l'unica sostanza del vapore metallico che si muove verso l'alto nel processo di saldatura, è anche strettamente correlata alla formazione di spruzzi; La tensione superficiale influenza il flusso della vasca fusa;
Quindi un processo di saldatura laser stabile dipende dal mantenimento del gradiente di distribuzione della tensione superficiale nel bagno di fusione, senza troppe fluttuazioni. La tensione superficiale è correlata alla distribuzione della temperatura e la distribuzione della temperatura è correlata alla fonte di calore. Pertanto, la fonte di calore composita e la saldatura oscillante sono potenziali indicazioni tecniche per un processo di saldatura stabile;
Il vapore metallico e il volume del buco della serratura devono prestare attenzione all'effetto plasma e alle dimensioni dell'apertura del buco della serratura. Maggiore è l'apertura, maggiore è il buco della serratura e si registrano fluttuazioni trascurabili nel punto inferiore della vasca di fusione, che hanno un impatto relativamente piccolo sul volume complessivo del buco della serratura e sulle variazioni di pressione interna; Quindi il laser in modalità anello regolabile (spot anulare), la ricombinazione dell'arco laser, la modulazione di frequenza, ecc. sono tutte direzioni che possono essere espanse.
Orario di pubblicazione: 01-dic-2023
