Principio de soldadura láser
La soldadura láser se puede lograr mediante rayos láser continuos o pulsados. El principio de la soldadura por láser se puede dividir en soldadura por conducción de calor y soldadura por penetración profunda por láser. Cuando la densidad de potencia es inferior a 104~105 W/cm2, se trata de soldadura por conducción de calor. En este momento, la profundidad de penetración es poco profunda y la velocidad de soldadura es lenta; cuando la densidad de potencia es superior a 105~107 W/cm2, la superficie metálica se hunde en "cavidades" por calentamiento, formando una soldadura de penetración profunda, que tiene las características de una velocidad de soldadura rápida y una gran relación de aspecto.
El principio de la soldadura por láser por conducción de calor es: la radiación láser calienta la superficie a procesar y el calor de la superficie se difunde hacia el interior a través de la conducción de calor. Al controlar el ancho del pulso del láser, la energía, la potencia máxima y la frecuencia de repetición y otros parámetros del láser, la pieza de trabajo se funde para formar un baño de fusión específico. .
La máquina de soldadura por láser utilizada para la soldadura de engranajes y la soldadura metalúrgica de placas delgadas involucra principalmente la soldadura por penetración profunda con láser. Lo siguiente se enfoca en el principio de la soldadura de penetración profunda con láser.
La soldadura láser de penetración profunda generalmente utiliza rayos láser continuos para completar la conexión de los materiales, y su proceso físico metalúrgico es muy similar a la soldadura por haz de electrones, es decir, el mecanismo de conversión de energía se completa a través de la estructura de "ojo de cerradura". Bajo irradiación láser de densidad de potencia suficientemente alta, el material se evapora y forma pequeños poros. Este pequeño agujero lleno de vapor es como un cuerpo negro que absorbe casi toda la energía del haz incidente y la temperatura de equilibrio en la cavidad alcanza unos 2500 0C. El calor se transmite desde la pared exterior de la cavidad de alta temperatura para fundir el metal que rodea la cavidad. El pequeño orificio se llena con vapor a alta temperatura generado por la evaporación continua del material de la pared bajo la irradiación del haz, las paredes del pequeño orificio están rodeadas de metal fundido y el metal líquido está rodeado de materiales sólidos (mientras que en la mayoría de los procesos de soldadura convencionales y la soldadura por conducción láser, la energía se deposita primero en la superficie de la pieza de trabajo y luego se transporta al interior por transmisión). El flujo de líquido fuera de la pared del poro y la tensión superficial de la capa de la pared mantienen un equilibrio dinámico con la presión de vapor generada continuamente en la cavidad del poro. El haz entra continuamente en el orificio pequeño y el material fuera del orificio pequeño fluye continuamente. A medida que el haz se mueve, el pequeño orificio siempre se encuentra en un estado de flujo estable. Es decir, el orificio pequeño y el metal fundido que rodea la pared del orificio avanzan con la velocidad de avance del haz principal, y el metal fundido llena el espacio dejado por el orificio pequeño y luego se condensa, de modo que se forma la soldadura. Todo esto del proceso anterior ocurre tan rápido que las velocidades de soldadura pueden alcanzar fácilmente varios metros por minuto.
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Los principales parámetros del proceso de soldadura láser de penetración profunda.
1) Potencia láser. Existe un valor umbral de densidad de energía láser en la soldadura por láser. Por debajo de este valor, la profundidad de penetración es muy pequeña. Una vez que se alcanza o supera este valor, la profundidad de penetración aumentará considerablemente. El plasma se genera solo cuando la densidad de potencia del láser en la pieza de trabajo supera un valor umbral (dependiendo del material), lo que marca el progreso de la soldadura de penetración profunda estable. Si la potencia del láser está por debajo de este umbral, sólo se produce la fusión de la superficie de la pieza de trabajo, es decir, la soldadura tiene lugar con una conducción de calor estable. Cuando la densidad de potencia del láser está cerca de la condición crítica para la formación de pequeños orificios, la soldadura de penetración profunda y la soldadura por conducción se realizan alternativamente, lo que se convierte en un proceso de soldadura inestable, lo que genera grandes fluctuaciones en la profundidad de penetración. Durante la soldadura de penetración profunda con láser, la potencia del láser controla la profundidad de penetración y la velocidad de soldadura al mismo tiempo. La penetración de la soldadura está directamente relacionada con la densidad de potencia del haz y es una función de la potencia del haz incidente y del punto focal del haz. En general, para un rayo láser de cierto diámetro, la profundidad de penetración aumenta a medida que aumenta la potencia del rayo.
2) Punto focal del haz. El tamaño del punto del haz es una de las variables más importantes en la soldadura láser porque determina la densidad de potencia. Pero para los láseres de alta potencia, su medición es un problema difícil, aunque existen muchas técnicas de medición indirecta.
El tamaño del punto limitado por difracción del foco del haz se puede calcular de acuerdo con la teoría de la difracción de la luz, pero debido a la existencia de una aberración de la lente de enfoque, el tamaño real del punto es mayor que el valor calculado. El método práctico más simple es el método de perfilado isotérmico, que mide el punto focal y el diámetro de perforación después de carbonizar y penetrar una placa de polipropileno con papel grueso. Este método necesita dominar la potencia del láser y el tiempo de acción del haz a través de la práctica de medición.
3) Valor de absorción del material. La absorción de la luz láser por los materiales depende de algunas propiedades importantes de los materiales, como la capacidad de absorción, la reflectividad, la conductividad térmica, la temperatura de fusión, la temperatura de evaporación, etc., la más importante de las cuales es la capacidad de absorción.
Los factores que afectan la tasa de absorción del material al rayo láser incluyen dos aspectos: el primero es la resistividad del material. Después de medir la tasa de absorción de la superficie pulida del material, se encuentra que la tasa de absorción del material es proporcional a la raíz cuadrada de la resistividad y la resistividad varía con la temperatura. En segundo lugar, el estado de la superficie (o suavidad) del material tiene una influencia más importante en la tasa de absorción del haz, que tiene un efecto significativo en el efecto de soldadura.
La longitud de onda de salida de un láser de CO2 suele ser de 10,6 μm. La tasa de absorción de la cerámica, el vidrio, el caucho, los plásticos y otros no metales es muy alta a temperatura ambiente, mientras que la tasa de absorción de los materiales metálicos es muy baja a temperatura ambiente, hasta que el material se derrite o incluso se convierte en gas. Su absorción aumenta drásticamente. Es muy eficaz para mejorar la absorción de los haces de luz por parte del material mediante el uso de un revestimiento superficial o la formación de una película de óxido superficial.
4) Velocidad de soldadura. La velocidad de soldadura tiene una gran influencia en la profundidad de penetración. El aumento de la velocidad hará que la penetración sea superficial, pero si la velocidad es demasiado baja, el material se derretirá en exceso y la pieza de trabajo se soldará. Por lo tanto, existe un rango de velocidad de soldadura adecuado para un material específico con una potencia de láser determinada y un espesor determinado, y la profundidad de penetración máxima se puede obtener con el valor de velocidad correspondiente. La figura 10-2 muestra la relación entre la velocidad de soldadura y la profundidad de penetración del acero 1018.
5) Gas protector. El gas inerte se usa a menudo para proteger el baño fundido en el proceso de soldadura por láser. Cuando algunos materiales se sueldan independientemente de la oxidación de la superficie, es posible que no se considere la protección, pero para la mayoría de las aplicaciones, el helio, el argón, el nitrógeno y otros gases se usan a menudo como protección para proteger la pieza de trabajo de la oxidación durante la soldadura.
El helio no se ioniza fácilmente (mayor energía de ionización), lo que permite que el láser pase sin problemas y que la energía del haz llegue a la superficie de la pieza de trabajo sin obstáculos. Este es el gas de protección más efectivo que se usa en la soldadura láser, pero es más costoso.
El gas argón es más barato y más denso, por lo que el efecto de protección es mejor. Sin embargo, es susceptible a la ionización por plasma metálico a alta temperatura, lo que protege parte del haz para que no golpee la pieza de trabajo, reduce la potencia efectiva del láser para soldar y también daña la velocidad y la penetración de soldadura. La superficie de la soldadura protegida por argón es más suave que cuando está protegida por helio.
El nitrógeno es el gas de protección más económico, pero no es adecuado para soldar algunos tipos de acero inoxidable, principalmente por problemas metalúrgicos, como la absorción, que en ocasiones produce porosidad en la zona de solape.
La segunda función del uso de gas de protección es proteger la lente de enfoque de la contaminación por vapor de metal y la pulverización de gotitas de líquido. Especialmente en la soldadura láser de alta potencia, debido a que la eyección se vuelve muy poderosa, es más necesario proteger la lente en este momento.
La tercera función del gas de protección es que es muy eficaz para disipar el escudo de plasma producido por la soldadura láser de alta potencia. El vapor de metal absorbe el rayo láser y se ioniza en una nube de plasma, y el gas protector alrededor del vapor de metal también se ioniza debido al calor. Si hay demasiado plasma presente, el rayo láser es algo consumido por el plasma. El plasma existe en la superficie de trabajo como una segunda energía, lo que hace que la penetración sea poco profunda y que la superficie del baño de soldadura se ensanche. La tasa de recombinación de electrones aumenta al aumentar las colisiones de tres cuerpos de electrones con iones y átomos neutros para reducir la densidad de electrones en el plasma. Cuanto más ligeros sean los átomos neutros, mayor será la frecuencia de colisión y mayor la tasa de recombinación; por otro lado, solo el gas protector con alta energía de ionización no aumentará la densidad electrónica debido a la ionización del propio gas.
El tamaño de la nube de plasma varía según el gas de protección utilizado, siendo el helio el más pequeño, el segundo el nitrógeno y el argón el más grande. Cuanto mayor sea el tamaño del plasma, menor será la penetración. La razón de esta diferencia se debe en primer lugar al diferente grado de ionización de las moléculas de gas, y también a la diferencia en la difusión del vapor metálico causada por las diferentes densidades del gas de protección.
El helio es el gas menos ionizado y menos denso, y expulsa rápidamente los vapores de metal ascendentes generados por el baño de metal fundido. Por lo tanto, el uso de helio como gas de protección puede suprimir el plasma en la mayor medida, lo que aumenta la profundidad de penetración y aumenta la velocidad de soldadura; debido a su peso ligero, puede escaparse y no es fácil causar poros. Por supuesto, a partir de nuestro efecto de soldadura real, el efecto de la protección con argón no es malo.
El efecto de la nube de plasma sobre la penetración es más evidente en el área de baja velocidad de soldadura. Su efecto disminuye a medida que aumenta la velocidad de soldadura.
El gas de protección se inyecta a una cierta presión a través de la boquilla para llegar a la superficie de la pieza de trabajo. La forma hidrodinámica de la boquilla y el diámetro de la salida son muy importantes. Debe ser lo suficientemente grande para impulsar el gas protector rociado para cubrir la superficie de soldadura, pero para proteger eficazmente la lente y evitar que el vapor de metal contamine o que las salpicaduras de metal dañen la lente, el tamaño de la boquilla también debe ser limitado. La tasa de flujo también debe controlarse, de lo contrario, el flujo laminar del gas de protección se volverá turbulento y la atmósfera se verá involucrada en el baño de fusión, eventualmente formando poros.
Para mejorar el efecto protector, también se puede usar un método de soplado lateral adicional, es decir, a través de una boquilla con un diámetro más pequeño, el gas protector se inyecta directamente en el pequeño orificio de la soldadura de penetración profunda en un cierto ángulo. El gas de protección no solo suprime la nube de plasma en la superficie de la pieza de trabajo, sino que también influye en la formación de plasma y pequeños orificios en el orificio, aumenta aún más la profundidad de penetración y obtiene una soldadura con una relación profundidad-ancho ideal. . Sin embargo, este método requiere un control preciso del tamaño y la dirección del flujo de aire; de lo contrario, es probable que se produzca un flujo turbulento que destruya el baño de fusión, lo que dificultará la estabilización del proceso de soldadura.
6) Distancia focal de la lente. El método de enfoque generalmente se usa para condensar el láser durante la soldadura, y generalmente se usa una lente con una distancia focal de 63~254 mm (2,5"~10"). El tamaño del punto de enfoque es proporcional a la distancia focal, cuanto más corta es la distancia focal, más pequeño es el punto. Pero la distancia focal también afecta la profundidad focal, es decir, la profundidad focal aumenta sincrónicamente con la distancia focal, por lo que una distancia focal corta puede aumentar la densidad de potencia, pero debido a la profundidad focal pequeña, la distancia entre la lente y la pieza de trabajo debe mantenerse con precisión, y la profundidad de penetración no es grande. Debido a la influencia de las salpicaduras y el modo láser generado en el proceso de soldadura, la profundidad focal más corta utilizada en la soldadura real es principalmente la distancia focal de 126 mm (5"). Cuando la unión es grande o la costura de soldadura debe aumentarse aumentando el tamaño del punto, puede elegir una lente con una distancia focal de 254 mm (10"). En este caso, para lograr el efecto estenopeico de penetración profunda, se requiere una mayor potencia de salida del láser (densidad de potencia).
Cuando la potencia del láser supera los 2kW, especialmente para el rayo láser de CO2 de 10,6 μm, debido al uso de materiales ópticos especiales para formar el sistema óptico, a fin de evitar el riesgo de daños ópticos en la lente de enfoque, el método de enfoque reflexivo suele ser utilizado, y un espejo de cobre pulido se utiliza generalmente como el reflector. A menudo se recomienda para enfocar rayos láser de alta potencia debido a su enfriamiento efectivo.
7) Posición de enfoque. Al soldar, la posición de enfoque es fundamental para mantener una densidad de potencia suficiente. Los cambios en la posición relativa del punto focal y la superficie de la pieza de trabajo afectan directamente el ancho y la profundidad de la soldadura. La Figura 2-6 muestra el efecto de la posición de enfoque en la profundidad de penetración y el ancho de la costura del acero 1018.
En la mayoría de las aplicaciones de soldadura por láser, el punto focal generalmente se ubica aproximadamente a 1/4 de la profundidad de penetración deseada debajo de la superficie de la pieza de trabajo.
8) Posición del rayo láser. Cuando se sueldan materiales diferentes con láser, la posición del rayo láser controla la calidad final de la soldadura, especialmente en el caso de juntas a tope que en juntas traslapadas. Por ejemplo, cuando se suelda un engranaje de acero endurecido a un tambor de acero dulce, el control adecuado de la posición del rayo láser ayudará a producir una soldadura con un componente predominantemente bajo en carbono que es relativamente resistente al agrietamiento. En algunas aplicaciones, la geometría de la pieza de trabajo que se va a soldar requiere que el rayo láser se desvíe en un ángulo. Cuando el ángulo de deflexión entre el eje del haz y el plano de unión está dentro de los 100 grados, la absorción de energía láser por parte de la pieza de trabajo no se verá afectada.
9) Control de subida y bajada gradual de la potencia del láser en los puntos de inicio y final de la soldadura. Durante la soldadura de penetración profunda con láser, siempre existen pequeños orificios independientemente de la profundidad de la soldadura. Cuando finaliza el proceso de soldadura y se apaga el interruptor de alimentación, aparecerá un hoyo al final de la soldadura. Además, cuando la capa de soldadura láser cubre la costura de soldadura original, se producirá una absorción excesiva del rayo láser, lo que provocará el sobrecalentamiento de la soldadura o la generación de poros.
Para evitar que ocurra el fenómeno anterior, los puntos de inicio y parada de la energía se pueden programar para que el tiempo de inicio y finalización de la energía sea ajustable, es decir, la potencia inicial se incrementa electrónicamente desde cero hasta el valor de potencia establecido en poco tiempo. y la soldadura se puede ajustar. Tiempo, y finalmente la potencia se reduce gradualmente desde la potencia establecida hasta cero cuando se termina la soldadura.
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Características y ventajas y desventajas de la soldadura por penetración profunda con láser
Características de la soldadura láser de penetración profunda
1) Alta relación de aspecto. A medida que el metal fundido se forma alrededor de la cavidad cilíndrica de vapor caliente y se extiende hacia la pieza de trabajo, la soldadura se vuelve profunda y estrecha.
2) Aportación mínima de calor. Debido a que la temperatura en el orificio pequeño es muy alta, el proceso de fusión ocurre extremadamente rápido, la entrada de calor en la pieza de trabajo es muy baja y la deformación térmica y la zona afectada por el calor son pequeñas.
3) Alta densidad. Porque los pequeños poros llenos de vapor a alta temperatura favorecen la agitación del baño de soldadura y el escape de gas, lo que da como resultado una soldadura de penetración sin poros. La alta tasa de enfriamiento después de la soldadura puede hacer que la estructura de la soldadura sea más fina.
4) Soldaduras fuertes. Debido a la fuente de calor abrasador y la absorción suficiente de componentes no metálicos, se reduce el contenido de impurezas y se cambia el tamaño de las inclusiones y su distribución en el baño fundido. El proceso de soldadura no requiere electrodos ni alambres de relleno, y la zona de fusión está menos contaminada, por lo que la resistencia y tenacidad de la soldadura son al menos iguales o incluso superiores a las del metal base.
5) Control preciso. Debido a que el punto de luz enfocado es pequeño, la costura de soldadura se puede colocar con gran precisión. La salida del láser no tiene "inercia", se puede detener y reiniciar a alta velocidad, y la pieza de trabajo compleja se puede soldar con la tecnología de movimiento del haz de control numérico.
6) Proceso de soldadura atmosférica sin contacto. Debido a que la energía proviene del haz de fotones, no hay contacto físico con la pieza de trabajo, por lo que no se aplica ninguna fuerza externa a la pieza de trabajo. Además, el magnetismo y el aire no tienen efecto sobre la luz láser.
Ventajas de la soldadura láser de penetración profunda
1) Dado que el láser enfocado tiene una densidad de potencia mucho más alta que los métodos convencionales, la velocidad de soldadura es rápida, la zona afectada por el calor y la deformación son pequeñas, y también se pueden soldar materiales difíciles de soldar como el titanio.
2) Debido a que el haz es fácil de transmitir y controlar, y no es necesario reemplazar la antorcha y la boquilla con frecuencia, y no se requiere vacío para la soldadura por haz de electrones, lo que reduce significativamente el tiempo de inactividad auxiliar, por lo que el factor de carga y la eficiencia de producción es alta.
3) Debido al efecto de purificación y la alta velocidad de enfriamiento, la resistencia de la soldadura, la tenacidad y el rendimiento integral son altos.
4) Debido a la entrada de calor promedio baja y la alta precisión de procesamiento, se pueden reducir los costos de reprocesamiento; además, el costo operativo de la soldadura láser también es bajo, lo que puede reducir los costos de procesamiento de la pieza de trabajo.
5) Puede controlar efectivamente la intensidad del haz y el posicionamiento fino, y es fácil realizar una operación automática.
Desventajas de la soldadura láser de penetración profunda
1) La profundidad de soldadura es limitada.
2) Los requisitos de montaje de la pieza de trabajo son elevados.
3) La inversión única del sistema láser es relativamente alta
