Parámetros del proceso principal de soldadura por láser

1) poder láser. Hay un umbral de densidad de energía láser en la soldadura por láser, debajo del cual la profundidad de la masa fundida es superficial, y una vez que se alcanza o excede este valor, la profundidad de fusión aumenta sustancialmente. Solo cuando la densidad de potencia del láser en la pieza de trabajo excede el umbral (dependiente del material), se genera plasma, lo que marca la estabilización de la soldadura de fusión profunda. Si la potencia del láser está por debajo de este umbral, la pieza de trabajo solo sufre el fusión de la superficie, es decir, la soldadura procede en un tipo de transferencia de calor estable. Cuando la densidad de potencia del láser está cerca de la condición crítica de la formación de agujeros pequeños, la soldadura de fusión profunda y la soldadura de conducción se alternan y se convierten en procesos de soldadura inestables, lo que resulta en grandes fluctuaciones en la profundidad de fusión. En la soldadura de fusión profunda láser, la potencia del láser controla tanto la profundidad de la penetración como la velocidad de soldadura, como se muestra en la Figura 1. La profundidad de soldadura de la masa fusión está directamente relacionada con la densidad de potencia del haz y es una función de la potencia del haz incidente y el punto focal del haz. En general, para un cierto diámetro del haz del láser, la profundidad de la masa fundida aumenta a medida que aumenta la potencia del haz.

2) punto focal del haz. El tamaño de la mancha de haz es una de las variables más importantes en la soldadura por láser, ya que determina la densidad de potencia. Sin embargo, su medición es un desafío para los láseres de alta potencia, aunque muchas técnicas de medición indirecta ya están disponibles.

El tamaño del punto del límite de difracción focal del haz se puede calcular a partir de la teoría de la difracción de la luz, pero el punto real es mayor que el valor calculado debido a la presencia de aberración de lentes de enfoque. El método de medición real más simple es el método de perfil isotérmico, que es medir la mancha focal y el diámetro de perforación después de quemar y penetrar una placa de polipropileno con papel grueso. Este método debe medirse mediante la práctica, dominando el tamaño de la potencia del láser y el tiempo de la acción del haz.

3) Valor de absorción de material. La absorción de láser por el material depende de algunas propiedades importantes del material, como la velocidad de absorción, la reflectividad, la conductividad térmica, la temperatura de fusión, la temperatura de evaporación, etc. La más importante es la tasa de absorción.

Los factores que afectan la tasa de absorción del material al haz láser incluyen dos aspectos: en primer lugar, la resistividad del material. Después de medir la velocidad de absorción de la superficie pulida del material, se encuentra que la velocidad de absorción del material es proporcional a la raíz cuadrada del coeficiente de resistividad, que a su vez varía con la temperatura; En segundo lugar, el estado de la superficie (o acabado) del material tiene un efecto más importante sobre la velocidad de absorción del haz, con un efecto significativo en el efecto de soldadura.

La longitud de onda de salida del láser de CO2 suele ser de 10,6 μm, cerámica, vidrio, caucho, plástico y otros no metales en su velocidad de absorción a temperatura ambiente, mientras que los materiales metálicos a temperatura ambiente en su absorción son muy pobres, hasta que el material una vez se derrite o incluso vaporizado, su absorción aumentó bruscamente. El uso de recubrimiento de superficie o el método de generación de la película de óxido para mejorar la absorción del material al haz es muy efectivo.

4) Velocidad de soldadura. La velocidad de soldadura tiene un gran impacto en la profundidad de la masa fundida, el aumento de la velocidad hará que la profundidad de la fusión sea baja, pero la velocidad es demasiado baja y conducirá a la fusión excesiva del material, la soldadura de la pieza de trabajo. Por lo tanto, una cierta potencia láser y un cierto grosor de un material particular tienen un rango adecuado de velocidad de soldadura, y en el que se puede obtener el valor de velocidad correspondiente cuando la profundidad máxima de fusión. La Figura 2 da la relación entre la velocidad de soldadura y la profundidad de fusión del acero 1018.

5) Gas protector. El proceso de soldadura con láser a menudo usa gas inerte para proteger la piscina de fusión, cuando algunos materiales soldados independientemente de la oxidación de la superficie, tampoco consideran la protección, pero para la mayoría de las aplicaciones a menudo se usan helio, argón, nitrógeno y otros gases para protección, de modo que la pieza de trabajo de la oxidación durante el proceso de soldadura.

El helio no se ioniza fácilmente (la energía de ionización es alta), lo que permite que el láser pase y la energía del haz para alcanzar la superficie de la pieza de trabajo sin obstáculos. Es el gas de blindaje más efectivo utilizado en la soldadura por láser, pero es más costoso.

Argón es más barato y más denso, por lo que protege mejor. Sin embargo, es susceptible a la ionización de plasma metálico de alta temperatura, lo que resulta en proteger parte del haz a la pieza de trabajo, reduciendo la potencia láser efectiva para soldar y también perjudica la velocidad de soldadura y la profundidad de la masa fundida. La superficie de la parte soldada es más suave con protección de argón que con protección de helio.

El nitrógeno es el gas de blindaje más barato, pero no es adecuado para algunos tipos de soldadura de acero inoxidable, principalmente debido a problemas metalúrgicos, como la absorción, que a veces produce porosidad en la zona de vuelta.

El segundo papel de usar un gas de blindaje es proteger la lente de enfoque de la contaminación del vapor metálico y la pulverización de las gotas fundidas líquidas. Esto es especialmente necesario en la soldadura con láser de alta potencia, donde la eyección se vuelve muy poderosa.

Una tercera función del gas de blindaje es que es efectivo para dispersar el blindaje de plasma producido por la soldadura con láser de alta potencia. El vapor de metal absorbe el haz láser e se ioniza en una nube de plasma, y ​​el gas de protección alrededor del vapor de metal también se ioniza por el calor. Si el plasma consume demasiado plasma, el plasma consume el rayo láser hasta cierto punto. La presencia de plasma como segunda energía en la superficie de trabajo hace que la profundidad de la fusión sea más profunda y la superficie de la piscina de soldadura. La tasa de complejación de electrones aumenta al aumentar el número de colisiones de iones de electrones y el átomo neutro de tres cuerpos para reducir la densidad de electrones en el plasma. Cuanto más ligero sea el átomo neutro, mayor es la frecuencia de colisión, mayor es la velocidad compuesta; Por otro lado, solo la alta energía de ionización del gas blindante, para no aumentar la densidad de los electrónicos debido a la ionización del gas mismo.

Como se puede ver en la tabla, el tamaño de la nube de plasma varía con el gas protector utilizado, siendo el helio el más pequeño, seguido de nitrógeno y el más grande cuando se usa argón. Cuanto más grande sea el tamaño de plasma, más poco profunda es la profundidad de fusión. La razón de esta diferencia se debe primero al diferente grado de ionización de las moléculas de gas y también por la diferencia en la difusión del vapor metálico causado por las diferentes densidades de los gases protectores.

El helio es el menos ionizado y el menos denso, y rápidamente disipa el vapor de metal creciente de la piscina de metal fundido. Por lo tanto, el uso del helio como gas de blindaje puede maximizar la supresión del plasma, aumentando así la profundidad de la masa fundida y mejorando la velocidad de soldadura; No es fácil causar porosidad debido a su peso ligero y su capacidad para escapar. Por supuesto, a partir de nuestros resultados reales de soldadura, el efecto de la protección con el gas argón no es malo.

La nube de plasma en la profundidad de la fusión en la zona de baja velocidad de soldadura es la más obvia. Cuando aumenta la velocidad de soldadura, su influencia se debilitará.

El gas de blindaje se expulsa a través de la abertura de la boquilla a cierta presión para alcanzar la superficie de la pieza de trabajo. La forma hidrodinámica de la boquilla y el tamaño del diámetro de la salida son muy importantes. Debe ser lo suficientemente grande como para conducir el gas de blindaje rociado para cubrir la superficie de soldadura, pero para proteger de manera efectiva la lente y evitar la contaminación del vapor de metal o el daño de las salpicaduras de metal a la lente, el tamaño de la boquilla también debe estar limitado. El caudal también debe controlarse, de lo contrario, el flujo laminar de gas de blindaje se vuelve turbulento y la atmósfera se involucra en la piscina fundida, y finalmente forma porosidad.

Para mejorar el efecto de protección, también disponible de la manera lateral adicional de soplado, es decir, a través de una boquilla de menor diámetro será el gas protector a un cierto ángulo directamente en el orificio de soldadura fundida profunda. El gas blindante no solo suprime la nube de plasma en la superficie de la pieza de trabajo, sino que también ejerce una influencia en el plasma en el agujero y la formación del pequeño agujero, aumentando aún más la profundidad de la fusión y obteniendo una costura de soldadura más profunda y más ancha que es deseable. Sin embargo, este método requiere un control preciso del tamaño y la dirección del flujo de gas, de lo contrario, es fácil producir turbulencia y dañar el grupo de fusión, lo que resulta en el proceso de soldadura es difícil de estabilizar.

6) LENTE FOCAL LENTE. La soldadura generalmente se usa para enfocar la forma en que la convergencia láser, la elección general de 63 ~ 254 mm (2.5 '~ 10 ') longitud focal de la lente. El tamaño de punto enfocado es proporcional a la distancia focal, cuanto más corta sea la distancia focal, menor es el punto. Pero la distancia focal también afecta la profundidad focal, es decir, la profundidad focal aumenta simultáneamente con la distancia focal, por lo que la distancia focal corta puede mejorar la densidad de potencia, pero debido a la pequeña profundidad focal, la distancia entre la lente y la pieza de trabajo debe mantenerse con precisión, y la profundidad de fusión no es grande. Debido a la influencia de las salpicaduras generadas durante el proceso de soldadura y el modo láser, la soldadura real que usa la profundidad de enfoque más corta más focal de 126 mm (5 '). Cuando la costura es grande o la costura de soldadura debe aumentar al aumentar el tamaño de la mancha, una lente con una longitud focal de 254 mm (10 ') se puede seleccionar, en cuyo caso se requiere una potencia de salida más profunda (se requiere una potencia de potencia pequeña (se requiere una densidad de potencia pequeña).

Cuando la potencia del láser excede los 2KW, especialmente para el haz de láser CO2 de 10.6 μm, debido al uso de materiales ópticos especiales para formar el sistema óptico, para evitar el riesgo de daño óptico a la lente de enfoque, a menudo elige el método de enfoque de reflexión, generalmente utilizando un espejo de cobre pulido para el reflector. Debido al enfriamiento efectivo, a menudo se recomienda un enfoque de haz láser de alta potencia.

7) Posición del punto focal. Soldadura, para mantener suficiente densidad de potencia, la posición del punto focal es crítica. Los cambios en la posición del punto focal en relación con la superficie de la pieza de trabajo afectan directamente el ancho y la profundidad de la soldadura. La Figura 3 muestra el efecto de la posición del punto focal sobre la profundidad de la fusión y el ancho de la costura del acero 1018. En la mayoría de las aplicaciones de soldadura por láser, el punto focal generalmente se coloca aproximadamente 1/4 de la profundidad deseada de fusión debajo de la superficie de la pieza de trabajo.

8) Posición del haz láser. Cuando soldan láser diferentes materiales, la posición del haz del láser controla la calidad final de la soldadura, especialmente en el caso de las juntas de tope que son más sensibles a esto que las juntas de LAP. Por ejemplo, cuando los engranajes de acero endurecidos se soldan a tambores de acero suave, el control adecuado de la posición del haz láser facilitará la producción de una soldadura con un componente predominantemente bajo de carbono, que tiene una mejor resistencia a las grietas. En algunas aplicaciones, la geometría de la pieza de trabajo a soldar requiere que el haz láser sea desviado por un ángulo. Cuando el ángulo de deflexión entre el eje del haz y el plano de la junta está dentro de los 100 grados, la absorción de energía láser por la pieza de trabajo no se verá afectada.

9) Punto de inicio y finalización de soldadura del aumento gradual de potencia láser, control gradual de declive. Soldadura por láser de fusión profunda, independientemente de la profundidad de la soldadura, siempre existen el fenómeno de pequeños agujeros. Cuando se termina el proceso de soldadura y el interruptor de alimentación se apaga, aparecerá un cráter al final de la soldadura. Además, cuando la capa de soldadura por láser cubra la soldadura original, habrá una absorción excesiva del haz láser, lo que resulta en sobrecalentamiento o porosidad de la soldadura.

Para evitar los fenómenos anteriores, los puntos de inicio y parada de potencia se pueden programar para que los tiempos de inicio de potencia y parada se vuelvan ajustables, es decir, la potencia de arranque aumenta electrónicamente de cero a la potencia establecida en un corto período de tiempo y el tiempo de soldadura se ajusta, y finalmente la potencia se reduce gradualmente de la potencia establecida al valor cero cuando se termina la soldadura.