Interaction laser-matériau – Effet trou de serrure

La formation et l’aménagement des trous de serrure :

Définition du trou de serrure : lorsque l'irradiance du rayonnement est supérieure à 10 ^ 6W/cm ^ 2, la surface du matériau fond et s'évapore sous l'action du laser. Lorsque la vitesse d'évaporation est suffisamment grande, la pression de recul de vapeur générée est suffisante pour surmonter la tension superficielle et la gravité du liquide du métal liquide, déplaçant ainsi une partie du métal liquide, provoquant le naufrage du bain fondu au niveau de la zone d'excitation et la formation de petites fosses. ; Le faisceau de lumière agit directement sur le fond de la petite fosse, provoquant la fusion et la gazéification du métal. La vapeur à haute pression continue de forcer le métal liquide au fond de la fosse à s'écouler vers la périphérie du bain de fusion, approfondissant encore davantage le petit trou. Ce processus se poursuit, formant finalement un trou semblable à un trou de serrure dans le métal liquide. Lorsque la pression de vapeur métallique générée par le faisceau laser dans le petit trou atteint l'équilibre avec la tension superficielle et la gravité du métal liquide, le petit trou ne s'approfondit plus et forme un petit trou stable en profondeur, appelé « effet de petit trou ». .

Lorsque le faisceau laser se déplace par rapport à la pièce, le petit trou présente un devant légèrement incurvé vers l'arrière et un triangle inversé clairement incliné à l'arrière. Le bord avant du petit trou est la zone d'action du laser, avec une température et une pression de vapeur élevées, tandis que la température le long du bord arrière est relativement basse et la pression de vapeur est faible. Sous cette différence de pression et de température, le liquide fondu s'écoule autour du petit trou de l'extrémité avant à l'extrémité arrière, formant un vortex à l'extrémité arrière du petit trou, et se solidifie finalement au bord arrière. L'état dynamique du trou de serrure obtenu par simulation laser et soudage réel est illustré dans la figure ci-dessus, la morphologie des petits trous et l'écoulement du liquide fondu environnant pendant le déplacement à différentes vitesses.

En raison de la présence de petits trous, l’énergie du faisceau laser pénètre à l’intérieur du matériau, formant ce cordon de soudure profond et étroit. La morphologie transversale typique du cordon de soudure à pénétration profonde au laser est illustrée dans la figure ci-dessus. La profondeur de pénétration du cordon de soudure est proche de la profondeur du trou de serrure (pour être précis, la couche métallographique est 60 à 100 um plus profonde que le trou de serrure, soit une couche liquide de moins). Plus la densité d'énergie laser est élevée, plus le petit trou est profond et plus la profondeur de pénétration du cordon de soudure est grande. Lors du soudage laser à haute puissance, le rapport profondeur/largeur maximum du cordon de soudure peut atteindre 12:1.

Analyse de l'absorption deénergie laserpar trou de serrure

Avant la formation de petits trous et de plasma, l’énergie du laser est principalement transmise à l’intérieur de la pièce par conduction thermique. Le processus de soudage appartient au soudage conducteur (avec une profondeur de pénétration inférieure à 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 est principalement absorbée par l'intérieur de la pièce à travers l'effet de trou de serrure, et le processus de soudage devient un soudage à pénétration profonde (avec une profondeur de pénétration de plus de 0,5 mm), le taux d'absorption peut atteindre plus de 60 à 90 %.

L'effet trou de serrure joue un rôle extrêmement important dans l'amélioration de l'absorption du laser lors des traitements tels que le soudage, la découpe et le perçage au laser. Le faisceau laser entrant dans le trou de serrure est presque entièrement absorbé par les multiples réflexions de la paroi du trou.

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

Balance de pression à l’intérieur du trou de serrure

Lors du soudage par pénétration profonde au laser, le matériau subit une vaporisation importante et la pression d'expansion générée par la vapeur à haute température expulse le métal liquide, formant de petits trous. En plus de la pression de vapeur et de la pression d'ablation (également appelée force de réaction d'évaporation ou pression de recul) du matériau, il existe également la tension superficielle, la pression statique du liquide causée par la gravité et la pression dynamique du fluide générée par l'écoulement du matériau en fusion à l'intérieur du matériau. petit trou. Parmi ces pressions, seule la pression de la vapeur maintient l’ouverture du petit trou, tandis que les trois autres forces s’efforcent de fermer le petit trou. Pour maintenir la stabilité du trou de serrure pendant le processus de soudage, la pression de vapeur doit être suffisante pour surmonter les autres résistances et atteindre l'équilibre, maintenant ainsi 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.

Instabilité du trou de serrure

Contexte : Le laser agit sur la surface des matériaux, provoquant l’évaporation d’une grande quantité de métal. La pression de recul appuie sur le bassin en fusion, formant des trous de serrure et du plasma, entraînant une augmentation de la profondeur de fusion. Pendant le processus de déplacement, le laser frappe la paroi avant du trou de serrure et la position où le laser entre en contact avec le matériau provoquera une forte évaporation du matériau. Dans le même temps, la paroi du trou de serrure subira une perte de masse et l'évaporation formera une pression de recul qui appuiera sur le métal liquide, provoquant une fluctuation de la paroi intérieure du trou de serrure vers le bas et un déplacement autour du fond du trou de serrure vers le l'arrière de la mare en fusion. En raison de la fluctuation du bain de liquide fondu de la paroi avant à la paroi arrière, le volume à l'intérieur du trou de serrure change constamment. La pression interne du trou de serrure change également en conséquence, ce qui entraîne une modification du volume de plasma pulvérisé. . 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 périodique, aboutissant finalement à une pénétration métallique en forme de dents de scie et ondulée, et il n'y a pas de soudure à pénétration égale et lisse. La figure ci-dessus est une vue en coupe transversale du centre de la soudure obtenue par coupe longitudinale parallèle au centre de la soudure, ainsi qu'une mesure en temps réel de la variation de profondeur du trou de serrure parIPG-LDD comme preuve.

Améliorer la direction de stabilité du trou de serrure

Lors du soudage par pénétration profonde au laser, la stabilité du petit trou ne peut être assurée que par l'équilibre dynamique des différentes pressions à l'intérieur du trou. Cependant, l'absorption de l'énergie laser par la paroi du trou et l'évaporation des matériaux, l'éjection de vapeur métallique à l'extérieur du petit trou et le mouvement vers l'avant du petit trou et du bain de fusion sont tous des processus très intenses et rapides. Dans certaines conditions de procédé, à certains moments du processus de soudage, il existe une possibilité que la stabilité du petit trou soit perturbée localement, entraînant des défauts de soudage. Les plus typiques et les plus courants sont les défauts de porosité de type petits pores et les éclaboussures causées par l'effondrement du trou de serrure ;

Alors comment stabiliser le trou de serrure ?

La fluctuation du fluide en trou de serrure est relativement complexe et implique trop de facteurs (champ de température, champ d'écoulement, champ de force, physique optoélectronique), qui peuvent être simplement résumés en deux catégories : la relation entre la tension superficielle et la pression de recul de la vapeur métallique ; La pression de recul de la vapeur métallique agit directement sur la génération de trous de serrure, qui est étroitement liée à la profondeur et au volume des trous de serrure. Dans le même temps, en tant que seule substance de vapeur métallique se déplaçant vers le haut dans le processus de soudage, elle est également étroitement liée à l'apparition de projections ; La tension superficielle affecte l'écoulement du bain de fusion ;

Un processus de soudage laser donc stable dépend du maintien du gradient de répartition de la tension superficielle dans le bain fondu, sans trop de fluctuation. La tension superficielle est liée à la distribution de la température et celle-ci est liée à la source de chaleur. Par conséquent, la source de chaleur composite et le soudage swing sont des orientations techniques potentielles pour un processus de soudage stable ;

La vapeur métallique et le volume du trou de serrure doivent faire attention 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 et les fluctuations négligeables du point inférieur du bain de fusion, qui ont un impact relativement faible sur le volume global du trou de serrure et les changements de pression interne ; Ainsi, le laser en mode anneau réglable (spot annulaire), la recombinaison de l'arc laser, la modulation de fréquence, etc. sont autant de directions qui peuvent être étendues.