Principales parámetros del proceso de soldadura láser.

1) Potencia del láser. Existe un umbral de densidad de energía láser en la soldadura láser, por debajo del cual la profundidad de la masa fundida es poco profunda, y una vez que se alcanza o supera este valor, la profundidad de la masa fundida aumenta sustancialmente. Sólo cuando la densidad de potencia del láser en la pieza de trabajo supera el umbral (dependiendo del material), se genera plasma, que marca la estabilización de la soldadura por fusión profunda. Si la potencia del láser está por debajo de este umbral, la pieza de trabajo sólo sufre fusión superficial, es decir, la soldadura se realiza de forma estable con transferencia de calor. Cuando la densidad de potencia del láser está cerca de la condición crítica de formación de orificios pequeños, la soldadura por fusión profunda y la soldadura por conducción se alternan y se vuelven procesos de soldadura inestables, lo que resulta en grandes fluctuaciones en la profundidad de la fusión. En la soldadura por fusión profunda con láser, la potencia del láser controla tanto la profundidad de penetración como la velocidad de soldadura, como se muestra en la Figura 1. La profundidad de soldadura de la masa fundida está directamente relacionada con la densidad de potencia del haz y es función de la potencia del haz incidente y del punto focal del haz. En general, para un cierto diámetro del rayo láser, la profundidad de la masa fundida 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, ya que determina la densidad de potencia. Sin embargo, su medición supone un desafío para los láseres de alta potencia, aunque ya se encuentran disponibles muchas técnicas de medición indirecta.

El tamaño del punto 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 la lente de enfoque. El método de medición real más simple es el método del perfil isotérmico, que consiste en medir el punto focal y el diámetro de la perforación después de quemar y penetrar una placa de polipropileno con papel grueso. Este método debe medirse con práctica, dominando la magnitud de la potencia del láser y el tiempo de acción del rayo.

3) Valor de absorción del material. La absorción del láser por el material depende de algunas propiedades importantes del material, como la tasa 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 por el rayo láser incluyen dos aspectos: en primer lugar, 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 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 tasa de absorción de la viga, teniendo así un efecto significativo sobre el efecto de soldadura.

La longitud de onda de salida del láser de CO2 suele ser de 10,6 μm, la cerámica, el vidrio, el caucho, el plástico y otros no metales tienen una tasa de absorción a temperatura ambiente muy alta, mientras que los materiales metálicos a temperatura ambiente tienen una absorción muy pobre, hasta que el material, una vez derretido o incluso vaporizado, su absorción aumenta considerablemente. El uso de recubrimiento superficial o método de generación superficial de película de óxido para mejorar la absorción del material en la viga es muy efectivo.

4) velocidad de soldadura. La velocidad de soldadura tiene un gran impacto en la profundidad de la fusión; aumentar la velocidad hará que la profundidad de la fusión sea poco profunda, pero la velocidad es demasiado baja y provocará una fusión excesiva del material y la pieza de trabajo soldada. Por lo tanto, una determinada potencia del láser y un determinado espesor 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 se alcanza la profundidad máxima de fusión. La Figura 2 muestra la relación entre la velocidad de soldadura y la profundidad de fusión del acero 1018.

5) Gas protector. El proceso de soldadura láser a menudo utiliza gas inerte para proteger el baño de fusión, cuando algunos materiales se sueldan 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 se oxide 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 llegue a la superficie de la pieza de trabajo sin obstáculos. Es el gas protector más eficaz utilizado en la soldadura láser, pero es más caro.

El argón es más barato y más denso, por lo que protege mejor. Sin embargo, es susceptible a la ionización del plasma metálico a alta temperatura, lo que da como resultado que parte del haz se proteja de la pieza de trabajo, reduciendo la potencia efectiva del láser para soldar y también perjudicando la velocidad de soldadura y la profundidad de la masa fundida. La superficie de la pieza soldada es más lisa con protección de argón que con protección de helio.

El nitrógeno es el gas de protección más barato, pero no es adecuado para algunos tipos de soldadura de acero inoxidable, principalmente por problemas metalúrgicos, como la absorción, que en ocasiones produce porosidad en la zona del solape.

La segunda función del uso de un gas protector es proteger la lente de enfoque de la contaminación por vapores metálicos y la pulverización de gotas líquidas fundidas. Esto es especialmente necesario en la soldadura láser de alta potencia, donde la eyección se vuelve muy poderosa.

Una tercera función del gas protector es que es eficaz en la dispersión del plasma protector producido por la soldadura láser de alta potencia. El vapor metálico absorbe el rayo láser y se ioniza formando una nube de plasma, y ​​el gas protector alrededor del vapor metálico también se ioniza por el calor. Si hay demasiado plasma, el rayo láser es consumido en cierta medida por el plasma. La presencia de plasma como segunda energía en la superficie de trabajo hace que la profundidad del fundido sea menor y la superficie del baño de soldadura sea más amplia. La tasa de complejación de electrones aumenta al aumentar el número de colisiones de tres cuerpos entre iones de electrones y átomos neutros para reducir la densidad de electrones en el plasma. Cuanto más ligero sea el átomo neutro, mayor será la frecuencia de colisión y mayor será la velocidad compuesta; por otro lado, sólo la alta energía de ionización del gas protector, para no aumentar la densidad electrónica debido a la ionización del propio gas.

Como se puede observar en la tabla, el tamaño de la nube de plasma varía según el gas protector utilizado, siendo el helio el más pequeño, seguido del nitrógeno y el más grande cuando se utiliza argón. Cuanto mayor sea el tamaño del plasma, menor será la profundidad de fusión. 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 de los gases protectores.

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

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

El gas protector se expulsa a través de la abertura de la boquilla a una cierta presión para alcanzar la superficie de la pieza de trabajo. La forma hidrodinámica de la boquilla y el tamaño del diámetro de salida son muy importantes. Debe ser lo suficientemente grande como para hacer que el gas protector rociado cubra la superficie de soldadura, pero para proteger eficazmente la lente y evitar la contaminación por vapor metálico o daños por salpicaduras de metal a la lente, el tamaño de la boquilla también debe ser limitado. El caudal también debe controlarse; de ​​lo contrario, el flujo laminar del gas protector se vuelve turbulento y la atmósfera queda envuelta en el charco fundido, formando finalmente porosidad.

Para mejorar el efecto de protección, también está disponible una vía de soplado lateral adicional, es decir, a través de una boquilla de menor diámetro, el gas protector llegará hasta un cierto ángulo directamente al profundo orificio de soldadura fundida. El gas protector no sólo suprime la nube de plasma en la superficie de la pieza de trabajo, sino que también ejerce una influencia sobre el plasma en el orificio y la formación del orificio pequeño, aumentando aún más la profundidad de la fusión y obteniendo una costura de soldadura más profunda y ancha de lo deseable. Sin embargo, este método requiere un control preciso del tamaño y la dirección del flujo de gas; de lo contrario, es fácil producir turbulencias y dañar el baño de fusión, lo que hace que el proceso de soldadura sea difícil de estabilizar.

6) Distancia focal de la lente. La soldadura se utiliza generalmente para enfocar la forma en que la convergencia del láser, la elección general de 63 ~ 254 mm (2,5 '~ 10') de distancia focal de la lente. El tamaño del punto enfocado es proporcional a la distancia focal; cuanto más corta sea la distancia focal, más pequeño será 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 utilizando la profundidad de enfoque más corta tiene una distancia focal mayor de 126 mm (5'). Cuando la costura es grande o es necesario aumentar la costura de soldadura aumentando el tamaño del punto, se puede seleccionar una lente con una distancia focal de 254 mm (10'), en cuyo caso se requiere una mayor potencia de salida del láser (densidad de potencia) para lograr un efecto de orificio pequeño de fusión profunda.

Cuando la potencia del láser supera los 2 kW, especialmente para el rayo láser de 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 se elige el método de enfoque por reflexión, generalmente utilizando un espejo de cobre pulido para el reflector. Debido al enfriamiento efectivo, a menudo se recomienda para enfocar rayos láser de alta potencia.

7) posición del punto focal. En la soldadura, para mantener una densidad de potencia suficiente, la posición del punto focal es fundamental. 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 láser, el punto focal normalmente se coloca aproximadamente a 1/4 de la profundidad deseada de la masa fundida debajo de la superficie de la pieza de trabajo.

8) Posición del rayo láser. Al soldar con láser diferentes materiales, la posición del rayo láser controla la calidad final de la soldadura, especialmente en el caso de uniones a tope, que son más sensibles a esto que las uniones solapadas. Por ejemplo, cuando se sueldan engranajes de acero endurecido a tambores de acero dulce, el control adecuado de la posición del rayo láser facilitará la producción de una soldadura con un componente predominantemente bajo en carbono, que tiene una mejor resistencia al agrietamiento. En algunas aplicaciones, la geometría de la pieza a soldar requiere que el rayo láser se desvíe en un ángulo. Cuando el ángulo de desviación 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 la soldadura del aumento gradual de la potencia del láser, control de disminución gradual. Soldadura por fusión profunda con láser, independientemente de la profundidad de la soldadura, siempre existe el fenómeno de los pequeños agujeros. Cuando finaliza el proceso de soldadura y se apaga el interruptor de encendido, aparecerá un cráter al final de la soldadura. Además, cuando la capa de soldadura láser cubre la soldadura original, habrá una absorción excesiva del rayo láser, lo que provocará un sobrecalentamiento o porosidad de la soldadura.

Para evitar los fenómenos anteriores, los puntos de inicio y parada de energía se pueden programar de manera que los tiempos de inicio y parada de energía sean ajustables, es decir, la potencia de arranque aumenta electrónicamente desde cero hasta el valor de potencia establecido en un corto período de tiempo y se ajusta el tiempo de soldadura, y finalmente la potencia se reduce gradualmente desde la potencia establecida hasta el valor cero cuando finaliza la soldadura.