Principali parametri del processo di saldatura laser

1) Potenza del laser. Nella saldatura laser esiste una soglia di densità di energia laser, al di sotto della quale la profondità di fusione è bassa e, una volta raggiunto o superato questo valore, la profondità di fusione aumenta sostanzialmente. Solo quando la densità di potenza del laser sul pezzo supera la soglia (dipendente dal materiale), viene generato il plasma, che segna la stabilizzazione della saldatura per fusione profonda. Se la potenza del laser è inferiore a questa soglia, il pezzo subisce solo una fusione superficiale, cioè la saldatura procede con un trasferimento di calore stabile. Quando la densità di potenza del laser è vicina alla condizione critica di formazione di piccoli fori, la saldatura per fusione profonda e la saldatura per conduzione si alternano e diventano processi di saldatura instabili, con conseguenti ampie fluttuazioni nella profondità di fusione. Nella saldatura laser per fusione profonda, la potenza del laser controlla sia la profondità di penetrazione che la velocità di saldatura, come mostrato nella Figura 1. La profondità di saldatura della fusione è direttamente correlata alla densità di potenza del raggio ed è una funzione della potenza del raggio incidente e del punto focale del raggio. In generale, per un certo diametro del raggio laser, la profondità della fusione aumenta all'aumentare della potenza del raggio.

2) Punto focale del fascio. La dimensione dello spot del raggio è una delle variabili più importanti nella saldatura laser, poiché determina la densità di potenza. Tuttavia, la sua misurazione rappresenta una sfida per i laser ad alta potenza, sebbene siano già disponibili molte tecniche di misurazione indiretta.

La dimensione del punto limite di diffrazione focale del fascio può essere calcolata dalla teoria della diffrazione della luce, ma il punto effettivo è più grande del valore calcolato a causa della presenza di aberrazione della lente di messa a fuoco. Il metodo di misurazione reale più semplice è il metodo del profilo isotermico, che consiste nel misurare la macchia focale e il diametro della perforazione dopo aver bruciato e penetrato una piastra di polipropilene con carta spessa. Questo metodo dovrebbe essere misurato con la pratica, padroneggiando la dimensione della potenza del laser e il tempo di azione del raggio.

3) Valore di assorbimento del materiale. L'assorbimento del laser da parte del materiale dipende da alcune importanti proprietà del materiale, come velocità di assorbimento, riflettività, conduttività termica, temperatura di fusione, temperatura di evaporazione, ecc. La più importante è la velocità di assorbimento.

I fattori che influenzano il tasso di assorbimento del materiale nel raggio laser comprendono due aspetti: in primo luogo, la resistività del materiale. Dopo aver misurato il tasso di assorbimento della superficie lucida del materiale, si constata che il tasso di assorbimento del materiale è proporzionale alla radice quadrata del coefficiente di resistività, che a sua volta varia con la temperatura; in secondo luogo, lo stato superficiale (o finitura) del materiale ha un effetto più importante sulla velocità di assorbimento del fascio, avendo quindi un effetto significativo sull'effetto di saldatura.

La lunghezza d'onda di uscita del laser CO2 è solitamente di 10,6μm, ceramica, vetro, gomma, plastica e altri non metalli hanno un tasso di assorbimento a temperatura ambiente molto elevato, mentre i materiali metallici a temperatura ambiente hanno un assorbimento molto scarso, finché il materiale, una volta fuso o addirittura vaporizzato, il suo assorbimento aumenta notevolmente. L'uso del rivestimento superficiale o del metodo di generazione superficiale del film di ossido per migliorare l'assorbimento del materiale sul raggio è molto efficace.

4) velocità di saldatura. La velocità di saldatura ha un grande impatto sulla profondità di fusione, aumentare la velocità renderà la profondità di fusione superficiale, ma la velocità è troppo bassa e porterà a una fusione eccessiva del materiale, il pezzo verrà saldato. Pertanto, una certa potenza del laser e un certo spessore di un particolare materiale hanno un intervallo adeguato di velocità di saldatura e in cui è possibile ottenere il valore di velocità corrispondente alla profondità massima di fusione. La Figura 2 mostra la relazione tra la velocità di saldatura e la profondità di fusione dell'acciaio 1018.

5) Gas protettivo. Il processo di saldatura laser utilizza spesso gas inerte per proteggere il bagno di fusione, quando alcuni materiali vengono saldati indipendentemente dall'ossidazione superficiale, non considerano la protezione, ma per la maggior parte delle applicazioni vengono spesso utilizzati elio, argon, azoto e altri gas per la protezione, in modo che il pezzo dall'ossidazione durante il processo di saldatura.

L'elio non si ionizza facilmente (l'energia di ionizzazione è elevata), consentendo al laser di attraversarlo e all'energia del raggio di raggiungere senza ostacoli la superficie del pezzo. È il gas di protezione più efficace utilizzato nella saldatura laser, ma è più costoso.

L'argon è più economico e più denso, quindi protegge meglio. Tuttavia, è suscettibile alla ionizzazione al plasma metallico ad alta temperatura, che provoca la schermatura di parte del raggio sul pezzo, riducendo la potenza effettiva del laser per la saldatura e compromettendo anche la velocità di saldatura e la profondità della fusione. La superficie della parte saldata è più liscia con la protezione dall'argon che con la protezione dall'elio.

L'azoto è il gas di protezione più economico, ma non è adatto per alcuni tipi di saldatura dell'acciaio inossidabile, principalmente a causa di problemi metallurgici, come l'assorbimento, che talvolta produce porosità nella zona di battuta.

Il secondo ruolo dell'utilizzo di un gas di protezione è quello di proteggere la lente di messa a fuoco dalla contaminazione dei vapori metallici e dallo spruzzo di goccioline di liquido fuso. Ciò è particolarmente necessario nella saldatura laser ad alta potenza, dove i materiali espulsi diventano molto potenti.

Una terza funzione del gas di protezione è che è efficace nel disperdere la schermatura al plasma prodotta dalla saldatura laser ad alta potenza. Il vapore metallico assorbe il raggio laser e si ionizza in una nuvola di plasma, e anche il gas di protezione attorno al vapore metallico viene ionizzato dal calore. Se è presente una quantità eccessiva di plasma, il raggio laser viene in una certa misura consumato dal plasma. La presenza del plasma come seconda energia sulla superficie di lavoro rende la profondità della fusione meno profonda e la superficie del bagno di fusione più ampia. La velocità di complessazione degli elettroni aumenta aumentando il numero di collisioni tra tre corpi elettroni-ioni e atomi neutri per ridurre la densità elettronica nel plasma. Più leggero è l'atomo neutro, maggiore è la frequenza di collisione, maggiore è il tasso di composto; dall'altro solo l'elevata energia di ionizzazione del gas di protezione, in modo da non aumentare la densità elettronica per effetto della ionizzazione del gas stesso.

Come si può vedere dalla tabella, la dimensione della nuvola di plasma varia a seconda del gas protettivo utilizzato, con l'elio che è il più piccolo, seguito dall'azoto e il più grande quando viene utilizzato l'argon. Maggiore è la dimensione del plasma, minore è la profondità di fusione. Il motivo di questa differenza è dovuto innanzitutto al diverso grado di ionizzazione delle molecole del gas e anche alla diversa diffusione del vapore metallico causata dalla diversa densità dei gas protettivi.

L'elio è il meno ionizzato e il meno denso e dissipa rapidamente il vapore metallico che sale dalla vasca di metallo fuso. Pertanto, l'uso dell'elio come gas di protezione può massimizzare la soppressione del plasma, aumentando così la profondità della fusione e migliorando la velocità di saldatura; non è facile provocare porosità a causa della sua leggerezza e della capacità di fuoriuscire. Naturalmente, dai nostri attuali risultati di saldatura, l’effetto della protezione con gas argon non è negativo.

La nube di plasma sulla profondità della fusione nella zona a bassa velocità di saldatura è la più evidente. Quando la velocità di saldatura aumenta, la sua influenza sarà indebolita.

Il gas di protezione viene espulso attraverso l'apertura dell'ugello ad una determinata pressione per raggiungere la superficie del pezzo. Molto importanti sono la forma idrodinamica dell'ugello e la dimensione del diametro dell'uscita. Deve essere abbastanza grande da spingere il gas di protezione spruzzato a coprire la superficie di saldatura, ma per proteggere efficacemente la lente e prevenire la contaminazione da vapori metallici o danni da spruzzi metallici alla lente, anche la dimensione dell'ugello deve essere limitata. Anche la portata deve essere controllata, altrimenti il ​​flusso laminare del gas di protezione diventa turbolento e l'atmosfera viene coinvolta nel bagno di fusione, formando eventualmente porosità.

Per migliorare l'effetto protettivo, è disponibile anche un'ulteriore modalità di soffiaggio laterale, ovvero attraverso un ugello di diametro inferiore il gas protettivo verrà introdotto con un certo angolo direttamente nel foro di saldatura fuso profondo. Il gas di protezione non solo sopprime la nuvola di plasma sulla superficie del pezzo, ma influenza anche il plasma nel foro e la formazione del piccolo foro, aumentando ulteriormente la profondità di fusione e ottenendo un cordone di saldatura più profondo e più ampio di quanto sarebbe desiderabile. Tuttavia, questo metodo richiede un controllo preciso della dimensione e della direzione del flusso di gas, altrimenti è facile produrre turbolenza e danneggiare il bagno di fusione, con conseguente difficoltà di stabilizzazione del processo di saldatura.

6) Lunghezza focale dell'obiettivo. La saldatura viene solitamente utilizzata per mettere a fuoco il modo in cui la convergenza del laser, la scelta generale di 63 ~ 254 mm (2,5 '~ 10') di lunghezza focale dell'obiettivo. La dimensione dello spot messo a fuoco è proporzionale alla lunghezza focale, minore è la lunghezza focale, più piccolo è lo spot. Ma la lunghezza focale influisce anche sulla profondità focale, cioè la profondità focale aumenta contemporaneamente alla lunghezza focale, quindi la lunghezza focale corta può migliorare la densità di potenza, ma a causa della piccola profondità focale, la distanza tra l'obiettivo e il pezzo deve essere mantenuta con precisione e la profondità di fusione non è grande. A causa dell'influenza degli spruzzi generati durante il processo di saldatura e della modalità laser, la saldatura effettiva utilizza la profondità di fuoco più breve e una lunghezza focale di 126 mm (5'). Quando il cordone di saldatura è grande o è necessario aumentare il cordone di saldatura aumentando la dimensione del punto, è possibile selezionare una lente con una lunghezza focale di 254 mm (10'), nel qual caso è necessaria una potenza di uscita del laser (densità di potenza) maggiore per ottenere un effetto di piccolo foro di fusione profonda.

Quando la potenza del laser supera i 2 kW, in particolare per il raggio laser CO2 da 10,6 μm, a causa dell'uso di materiali ottici speciali per formare il sistema ottico, al fine di evitare il rischio di danni ottici alla lente di messa a fuoco, spesso si sceglie il metodo di messa a fuoco a riflessione, generalmente utilizzando uno specchio di rame lucido per il riflettore. Grazie all'efficace raffreddamento, è spesso consigliato per la focalizzazione del raggio laser ad alta potenza.

7) posizione del punto focale. Nella saldatura, per mantenere una densità di potenza sufficiente, la posizione del punto focale è fondamentale. I cambiamenti nella posizione del punto focale rispetto alla superficie del pezzo influenzano direttamente la larghezza e la profondità della saldatura. La Figura 3 mostra l'effetto della posizione del punto focale sulla profondità della fusione e sulla larghezza della giuntura dell'acciaio 1018. Nella maggior parte delle applicazioni di saldatura laser, il punto focale è generalmente posizionato a circa 1/4 della profondità di fusione desiderata sotto la superficie del pezzo.

8) Posizione del raggio laser. Nella saldatura laser di materiali diversi, la posizione del raggio laser controlla la qualità finale della saldatura, soprattutto nel caso di giunzioni di testa che sono più sensibili a questo rispetto alle giunzioni a sovrapposizione. Ad esempio, quando gli ingranaggi in acciaio temprato vengono saldati a tamburi in acciaio dolce, il controllo adeguato della posizione del raggio laser faciliterà la produzione di una saldatura con un componente prevalentemente a basso tenore di carbonio, che ha una migliore resistenza alle cricche. In alcune applicazioni, la geometria del pezzo da saldare richiede che il raggio laser venga deviato di un angolo. Quando l'angolo di deflessione tra l'asse del raggio e il piano del giunto è entro 100 gradi, l'assorbimento dell'energia laser da parte del pezzo non verrà influenzato.

9) Punto iniziale e finale della saldatura dell'aumento graduale della potenza del laser, controllo del declino graduale. Saldatura laser per fusione profonda, indipendentemente dalla profondità della saldatura, esiste sempre il fenomeno dei piccoli fori. Quando il processo di saldatura è terminato e l'interruttore di alimentazione è spento, alla fine della saldatura apparirà un cratere. Inoltre, quando lo strato di saldatura laser copre la saldatura originale, si verificherà un assorbimento eccessivo del raggio laser, con conseguente surriscaldamento o porosità della saldatura.

Per evitare i fenomeni di cui sopra, i punti di avvio e arresto della potenza possono essere programmati in modo che i tempi di avvio e arresto della potenza diventino regolabili, ovvero la potenza di avvio viene aumentata elettronicamente da zero al valore di potenza impostato in un breve periodo di tempo e il tempo di saldatura viene regolato, e infine la potenza viene gradualmente ridotta dalla potenza impostata al valore zero al termine della saldatura.