Definición de ojo de teclado: cuando la irradiancia excede 10^6 w/cm^2, la superficie del material se derrite y se evapora bajo la influencia del láser. Si la velocidad de evaporación es suficientemente alta, la presión de retroceso de vapor generada puede superar la tensión superficial del metal líquido y la gravedad, desplazando parte del metal líquido y causando una depresión en la piscina de fusión donde actúa el láser, formando un pequeño pozo. El haz afecta directamente el fondo del pozo, causando una mayor fusión y vaporización del metal. El vapor de alta presión continúa forzando el metal líquido en el fondo del pozo hacia los bordes de la piscina de fusión, profundizando aún más el agujero. Este proceso continúa hasta que se forma un pequeño agujero de livas en el metal líquido. Cuando la presión del vapor de metal generada por el haz láser dentro del pequeño orificio se balancea con la tensión superficial y la gravedad del metal líquido, el orificio ya no se profundiza, lo que resulta en un pequeño agujero de profundidad estable, que se conoce como el "efecto de agujeros de teclado".

A medida que el haz láser se mueve en relación con la pieza de trabajo, el ojo de la cerradura parece doblarse ligeramente hacia atrás en la parte delantera e inclina significativamente en una forma de triángulo invertido en la parte trasera. El frente del ojo de la cerradura es la zona de acción del láser, donde la temperatura es alta y la presión de vapor es excelente, mientras que en la parte trasera, la temperatura es relativamente menor y la presión de vapor es más pequeña. Bajo la influencia de esta diferencia de presión y la diferencia de temperatura, el líquido fundido fluye alrededor del ojo de la cerradura desde la parte delantera hasta la parte trasera y forma un vórtice en el extremo trasero del agujero, lo que eventualmente se solidifica en la parte trasera. El estado dinámico del ojo de la cerradura obtenido a través de la simulación láser y la soldadura real muestra la forma del orificio móvil a diferentes velocidades y la situación del flujo de líquido fundido circundante.

Debido a la presencia del ojo de la cerradura, la energía del haz láser penetra profundamente en el material, formando una costura de soldadura profunda y estrecha. Se muestra la apariencia transversal típica de una costura de soldadura láser de penetración profunda. La profundidad de la costura de soldadura está cerca de la profundidad del ojo de la cerradura (que habla precisamente, la metalografía es de 60-100 µm más profunda que el ojo de la cerradura, una diferencia de una capa de fase líquida). Cuanto mayor sea la densidad de energía del láser, más profundo es el ojo de la cerradura y, por lo tanto, más profundo es la costura de soldadura. En la soldadura con láser de alta potencia, la relación de profundidad / ancho de la costura de soldadura puede alcanzar hasta 12: 1.

Antes de la formación del ojo de la cerradura y el plasma, la energía del láser se transmite principalmente al interior de la pieza de trabajo a través de la conducción térmica, con el proceso de soldadura que cae bajo soldadura de conducción (dentro de una profundidad de fusión de 0.5 mm), donde la tasa de absorción del material del láser está entre 25-45%. Sin embargo, una vez que se forma el ojo de la cerradura, la energía del láser se absorbe principalmente por el interior de la pieza de trabajo a través del efecto de ojo de cerradura, transición el proceso a soldadura de penetración profunda (con una profundidad de masa fundida superior a 0,5 mm), y la velocidad de absorción puede exceder el 60-90%.

El efecto de ojo de cerradura juega un papel crucial en la mejora de la absorción de energía láser durante la soldadura por láser, corte, perforación y otras técnicas de procesamiento. El haz láser que ingresa al ojo de la cerradura se absorbe casi por completo después de múltiples reflejos de las paredes de la cerradura. En general, se cree que el mecanismo de absorción de energía láser dentro del ojo de la cerradura incluye dos procesos: absorción inversa de Bremsstrahlung y absorción de Fresnel.

La absorción de Fresnel es el mecanismo mediante el cual las paredes de ojo de cerradura absorben la energía del láser, que describe el comportamiento de absorción de los múltiples reflexiones del láser dentro del ojo de la cerradura. Una vez que el láser ingresa al ojo de la cerradura, sufre múltiples reflejos de las paredes internas, con una porción de la energía del láser absorbida por las paredes del ojal durante cada reflejo.

De la ilustración, es evidente que la tasa de absorción del acero para los láseres infrarrojos es aproximadamente 2.5 veces mayor que la del magnesio, 3.1 veces la de aluminio y 36 veces la de oro, plata y cobre. Para los materiales con alta reflectividad, los reflejos múltiples del haz láser dentro del ojo de la cerradura sirven como mecanismo primario para la absorción de energía durante el proceso de soldadura por láser de fusión profunda. El diagrama de materiales con diferentes reflectividades muestra que una baja tasa de absorción da como resultado una eficiencia de acoplamiento de energía más baja para la soldadura de material de alta reflectividad (71% frente a 97%), con una mayor concentración de absorción de energía en la parte inferior del agujero de teclado. En el proceso de soldar materiales de alta reflectividad, la distribución desigual de la energía a lo largo de la profundidad del ojo de teclado acelera su inestabilidad, lo que lleva a la porosidad, la falta de fusión y la mala apariencia.

Otro mecanismo de absorción de energía en el ojo de cerradura es a través de la absorción inversa de Bremsstrahlung por el plasma. El plasma inducido por fotografía no solo existe sobre la salida del ojo de la cerradura, sino que también llena todo el ojo de la cerradura. A medida que el láser viaja entre dos reflejos de las paredes de la cerradura, el plasma absorbe una porción de su energía. La energía absorbida por el plasma luego se transfiere a las paredes del ojo de la cerradura a través de la convección y la radiación.

Los roles y proporciones de los dos mecanismos de absorción de energía: los dos mecanismos de absorción de energía láser dentro del ojo de la cerradura tienen diferentes efectos en la formación de la costura de soldadura. La energía absorbida por el plasma se libera principalmente en la parte superior del ojo de la cerradura, con menos liberación en la parte inferior, lo que lleva a la formación de un ojo de teclado en forma de "vaso de vino", que no es propicio para la expansión de la profundidad del ojo de la cerradura. Por otro lado, la energía liberada por la absorción de Fresnel en las paredes de la cerradura se distribuye de manera relativamente uniforme a lo largo de la profundidad del ojo de la cerradura, lo que es beneficioso para aumentar la profundidad del ojo de la cerradura, lo que finalmente resulta en una costura de soldadura más profunda y más estrecha. Desde la perspectiva de mejorar la calidad y la eficiencia de la soldadura, es ventajoso controlar el plasma dentro del ojo de la cerradura para una mejor estabilidad de soldadura. Técnicas como la modulación láser, el modo de anillo ajustable y las fuentes de calor compuestas son soluciones efectivas potenciales.

Durante la soldadura por láser de penetración profunda, se produce una intensa vaporización del material, y la presión de expansión generada por el vapor de alta temperatura desplaza el metal líquido, formando un ojo de teclas. Dentro del ojo de la cerradura, hay varios tipos de presiones presentes: la presión de vapor del material, la presión de ablación (también conocida como fuerza de reacción evaporativa o presión de retroceso), tensión superficial, presión hidrostática causada por la gravedad y la presión dinámica generada por el flujo del material fundido. Entre estas presiones, solo la presión de vapor actúa para mantener la cerradura abierta, mientras que las otras fuerzas intentan cerrarla. Para mantener la estabilidad del ojo de la cerradura durante el proceso de soldadura, la presión de vapor debe ser suficiente para superar las otras resistencias, lograr un estado equilibrado y garantizar la estabilidad a largo plazo del ojo de la cerradura. Para simplificar, las fuerzas que actúan sobre las paredes de la cerradura generalmente se consideran principalmente presión de ablación (presión de retroceso de vapor metálico) y tensión superficial.

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La dinámica de fluidos dentro del ojo de cerradura es compleja, que involucran numerosos factores como campos de temperatura, campos de flujo, campos de fuerza y ​​optoelectrónica, que se pueden clasificar ampliamente en dos grupos: la relación entre la tensión superficial y la presión de retroceso del vapor metálico. La presión de retroceso de vapor de metal actúa directamente en la formación del ojo de la cerradura, estrechamente relacionada con la profundidad y el volumen del ojo de la cerradura, y como la única sustancia en el proceso de soldadura que se mueve hacia arriba, también está estrechamente relacionada con la aparición de salpicaduras; La tensión superficial, por otro lado, afecta el flujo de la piscina de fusión.

Por lo tanto, la estabilización del proceso de soldadura por láser implica mantener un gradiente de distribución constante de la tensión superficial en el grupo de fusión sin fluctuaciones significativas. La tensión superficial está relacionada con la distribución de temperatura, que a su vez está relacionada con la fuente de calor. Por lo tanto, el uso de una fuente de calor compuesta y soldadura por swing son instrucciones técnicas potenciales para estabilizar el proceso de soldadura.

También se debe prestar atención a los efectos del plasma y el tamaño de la apertura de ojo de cerradura. Cuanto más grande sea la abertura, mayor es la cerradura, lo que hace que las fluctuaciones en la parte inferior de la piscina de fusión sean relativamente insignificantes, lo que afecta mínimamente el volumen general del ojo de la cerradura y los cambios de presión interna. Por lo tanto, los láseres de modo de anillo ajustable (haz anular), soldadura híbrida de arco láser y modulación de frecuencia son direcciones viables para la exploración.

Los archivos gratuitos de SVG y Gcode para grabado y corte láser se pueden encontrar aquí, que puede importar directamente a nuestros cortadores láser.