La formazione e lo sviluppo dei buchi della serratura:
Definizione di effetto keyhole: Quando l'irradianza della radiazione è maggiore di 10^6 W/cm^2, la superficie del materiale si fonde ed evapora sotto l'azione del laser. Quando la velocità di evaporazione è sufficientemente elevata, la pressione di rinculo del vapore generato è sufficiente a superare la tensione superficiale e la forza di gravità del metallo liquido, spostandone così una parte e causando l'abbassamento del bagno fuso nella zona di eccitazione e la formazione di piccole cavità. Il fascio di luce agisce direttamente sul fondo della piccola cavità, provocando un'ulteriore fusione e gassificazione del metallo. Il vapore ad alta pressione continua a spingere il metallo liquido sul fondo della cavità verso la periferia del bagno fuso, approfondendo ulteriormente il piccolo foro. Questo processo continua, formando infine un foro a forma di keyhole nel metallo liquido. Quando la pressione del vapore metallico generata dal fascio laser nel piccolo foro raggiunge l'equilibrio con la tensione superficiale e la forza di gravità del metallo liquido, il piccolo foro non si approfondisce più e forma un foro stabile di profondità, fenomeno noto come "effetto piccolo foro".
Quando il raggio laser si muove rispetto al pezzo in lavorazione, il piccolo foro mostra una leggera curvatura all'indietro sul lato anteriore e un triangolo rovesciato chiaramente inclinato sul lato posteriore. Il bordo anteriore del piccolo foro è la zona di azione del laser, caratterizzata da alta temperatura e alta pressione di vapore, mentre lungo il bordo posteriore la temperatura è relativamente bassa e la pressione di vapore è ridotta. In presenza di questa differenza di pressione e temperatura, il liquido fuso scorre attorno al piccolo foro dall'estremità anteriore a quella posteriore, formando un vortice sul lato posteriore del foro, per poi solidificarsi sul bordo posteriore. La dinamica del foro di saldatura, ottenuta tramite simulazione laser e saldatura effettiva, è illustrata nella figura precedente, che mostra la morfologia dei piccoli fori e il flusso del liquido fuso circostante durante lo spostamento a diverse velocità.
Grazie alla presenza di piccoli fori, l'energia del raggio laser penetra all'interno del materiale, formando un cordone di saldatura profondo e stretto. La morfologia tipica della sezione trasversale di un cordone di saldatura a penetrazione profonda ottenuto con laser è mostrata nella figura sopra. La profondità di penetrazione del cordone di saldatura è prossima alla profondità del keyhole (per essere precisi, lo strato metallografico è 60-100 µm più profondo del keyhole, ovvero uno strato 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 laserattraverso la serratura
Prima della formazione di piccoli fori e plasma, l'energia del laser viene trasmessa principalmente all'interno del pezzo in lavorazione tramite conduzione termica. Il processo di saldatura è di tipo conduttivo (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 foro passante, l'energia del laser viene assorbita principalmente dall'interno del pezzo in lavorazione tramite l'effetto passante e il processo di saldatura diventa di tipo penetrante profondo (con una profondità di penetrazione superiore a 0,5 mm). Il tasso di assorbimento può raggiungere oltre il 60-90%.
L'effetto keyhole gioca un ruolo estremamente importante nel migliorare l'assorbimento del laser durante processi come la saldatura, il taglio e la foratura laser. Il raggio laser che entra nel keyhole viene assorbito quasi completamente attraverso molteplici riflessioni dalle pareti del foro.
Si ritiene generalmente che il meccanismo di assorbimento dell'energia del laser all'interno del foro di penetrazione comprenda due processi: l'assorbimento inverso e l'assorbimento di Fresnel.
Equilibrio di pressione all'interno del buco della serratura
Durante la saldatura laser a penetrazione profonda, 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, agiscono anche la tensione superficiale, la pressione statica del liquido dovuta alla gravità e la pressione fluidodinamica generata dal flusso di materiale fuso all'interno del piccolo foro. Tra queste pressioni, solo la pressione del vapore mantiene aperto il piccolo foro, mentre le altre tre forze tendono a chiuderlo. Per mantenere la stabilità del foro di penetrazione durante il processo di saldatura, la pressione di vapore deve essere sufficiente a superare le altre resistenze e raggiungere l'equilibrio, garantendo la stabilità a lungo termine del foro. Per semplicità, si ritiene generalmente che le forze che agiscono sulla parete del foro di penetrazione siano principalmente la pressione di ablazione (pressione di rinculo del vapore metallico) e la tensione superficiale.
Instabilità del buco della serratura
Premessa: Il laser agisce sulla superficie dei materiali, provocando l'evaporazione di una grande quantità di metallo. La pressione di rinculo preme sul bagno fuso, formando fori e plasma, con conseguente aumento della profondità di fusione. Durante il processo di movimento, il laser colpisce la parete anteriore del foro e il punto di contatto con il materiale provoca una forte evaporazione del materiale stesso. Allo stesso tempo, la parete del foro subisce una perdita di massa e l'evaporazione genera una pressione di rinculo che preme sul metallo liquido, causando la fluttuazione verso il basso della parete interna del foro e il suo spostamento attorno al fondo del foro verso la parte posteriore del bagno fuso. A causa della fluttuazione del bagno fuso liquido dalla parete anteriore a quella posteriore, il volume all'interno del foro cambia costantemente. Di conseguenza, anche la pressione interna del foro cambia, il che porta a una variazione del volume del plasma spruzzato. Il cambiamento nel 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, risultando infine in una penetrazione del metallo a forma di dente di sega e ondulata, e non c'è una saldatura a penetrazione uniforme e liscia. 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 keyhole.IPG-LDD come prova.
Migliorare la direzione di 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 al suo interno. Tuttavia, l'assorbimento dell'energia laser da parte della parete del foro, l'evaporazione dei materiali, l'espulsione del vapore metallico all'esterno del piccolo foro e il movimento in avanti del piccolo foro e del bagno di fusione sono tutti processi molto intensi e rapidi. In determinate condizioni di processo, in certi momenti durante la saldatura, esiste la possibilità che la stabilità del piccolo foro venga compromessa in aree localizzate, causando difetti di saldatura. I più tipici e comuni sono difetti di porosità di tipo microporoso e spruzzi causati dal collasso del keyhole;
Come stabilizzare quindi il buco della serratura?
La fluttuazione del fluido del keyhole 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 rinculo del vapore metallico agisce direttamente sulla generazione dei keyhole, che è strettamente correlata alla profondità e al volume dei keyhole. 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 del bagno fuso;
Pertanto, un processo di saldatura laser stabile dipende dal mantenimento di un gradiente di distribuzione della tensione superficiale nel bagno fuso, senza eccessive fluttuazioni. La tensione superficiale è correlata alla distribuzione della temperatura, e la distribuzione della temperatura è correlata alla sorgente di calore. Di conseguenza, una sorgente di calore composita e la saldatura oscillante rappresentano potenziali direzioni tecniche per un processo di saldatura stabile;
Il volume del vapore metallico e del foro di penetrazione richiede attenzione all'effetto plasma e alle dimensioni dell'apertura del foro di penetrazione. Maggiore è l'apertura, maggiore è il foro di penetrazione e le fluttuazioni trascurabili nel punto inferiore del bagno di fusione hanno un impatto relativamente piccolo sul volume complessivo del foro di penetrazione e sulle variazioni di pressione interna; pertanto, il laser ad anello regolabile (punto anulare), la ricombinazione dell'arco laser, la modulazione di frequenza, ecc. sono tutte direzioni che possono essere espanse.
Data di pubblicazione: 1° dicembre 2023
