Parâmetros de processo principal de soldagem a laser

1) Poder a laser. Há um limiar de densidade de energia a laser na soldagem a laser, abaixo da qual a profundidade do derretimento é superficial e, uma vez atingida ou excedida, a profundidade do fundido aumenta substancialmente. Somente quando a densidade de potência do laser na peça de trabalho excede o limiar (dependente do material), o plasma é gerado, o que marca a estabilização da soldagem profunda da fusão. Se a energia do laser estiver abaixo desse limite, a peça de trabalho sofrer apenas derretimento da superfície, ou seja, a soldagem prossegue em um tipo estável de transferência de calor. Quando a densidade de potência do laser está próxima da condição crítica da formação de pequenos orifícios, a soldagem profunda de fusão e a soldagem da condução alternam e se tornam processos de soldagem instáveis, resultando em grandes flutuações na profundidade do fusão. Na soldagem de fusão profunda a laser, a potência do laser controla a profundidade da penetração e a velocidade de soldagem, como mostra a Figura 1. A profundidade da soldagem do fundido está diretamente relacionada à densidade de potência do feixe e é uma função da potência do feixe incidente e do ponto focal do feixe. Em geral, para um certo diâmetro do feixe de laser, a profundidade do derretimento aumenta à medida que a potência do feixe aumenta.

2) mancha focal do feixe. O tamanho do ponto do feixe é uma das variáveis ​​mais importantes na soldagem a laser, pois determina a densidade de potência. No entanto, sua medição é um desafio para lasers de alta potência, embora muitas técnicas de medição indiretas já estejam disponíveis.

O tamanho do limite de difração focal do feixe pode ser calculado a partir da teoria da difração da luz, mas o ponto real é maior que o valor calculado devido à presença de foco na aberração da lente. O método de medição real mais simples é o método de perfil isotérmico, que é medir o ponto focal e o diâmetro da perfuração após a queima e penetrar em uma placa de polipropileno com papel espesso. Este método deve ser medido pela prática, dominando o tamanho da potência do laser e o tempo da ação do feixe.

3) Valor de absorção do material. A absorção do laser pelo material depende de algumas propriedades importantes do material, como taxa de absorção, refletividade, condutividade térmica, temperatura de fusão, temperatura de evaporação, etc. O mais importante é a taxa de absorção.

Os fatores que afetam a taxa de absorção do material no feixe de laser incluem dois aspectos: primeiro, a resistividade do material. Após medir a taxa de absorção da superfície polida do material, verificou -se que a taxa de absorção do material é proporcional à raiz quadrada do coeficiente de resistividade, que por sua vez varia com a temperatura; Em segundo lugar, o estado da superfície (ou acabamento) do material tem um efeito mais importante na taxa de absorção do feixe, tendo um efeito significativo no efeito de soldagem.

O comprimento de onda de saída do laser de CO2 é geralmente 10,6μm, cerâmica, vidro, borracha, plástico e outros não-metais na sua taxa de absorção à temperatura ambiente é muito alta, enquanto os materiais metálicos à temperatura ambiente em sua absorção são muito ruins, até que o material, uma vez derretido ou até vaporizado, sua absorção aumentou acentuadamente. O uso de revestimento superficial ou geração de superfície do método de filme de óxido para melhorar a absorção do material no feixe é muito eficaz.

4) Velocidade de soldagem. A velocidade de soldagem tem um grande impacto na profundidade do derretimento, o aumento da velocidade tornará a profundidade do derretimento raso, mas a velocidade é muito baixa e levará ao derretimento excessivo do material, a peça de trabalho solda. Portanto, uma certa potência do laser e uma certa espessura de um material específico tem uma faixa adequada de velocidade de soldagem e no qual o valor de velocidade correspondente pode ser obtido quando a profundidade máxima do fundido. A Figura 2 fornece a relação entre a velocidade de soldagem e a profundidade de fusão de 1018 aço.

5) gás protetor. O processo de soldagem a laser geralmente usa gás inerte para proteger o pool de fusão, quando alguns materiais soldados, independentemente da oxidação da superfície, também não consideram a proteção, mas para a maioria das aplicações são frequentemente usadas hélio, argônio, nitrogênio e outros gases para proteção, de modo que a peça de trabalho da oxidação durante o processo de soldagem.

O hélio não é facilmente ionizado (a energia de ionização é alta), permitindo que o laser passasse e a energia do feixe atinja a superfície da peça de trabalho desimpedida. É o gás de blindagem mais eficaz usado na soldagem a laser, mas é mais caro.

O argônio é mais barato e mais denso, por isso protege melhor. No entanto, é suscetível à ionização plasmática metálica de alta temperatura, o que resulta na parte de proteger parte do feixe para a peça de trabalho, reduzindo a potência efetiva do laser para soldagem e também prejudicando a velocidade e a profundidade da soldagem do derretimento. A superfície da parte soldada é mais suave com proteção de argônio do que com proteção de hélio.

O nitrogênio é o gás de blindagem mais barato, mas não é adequado para alguns tipos de soldagem de aço inoxidável, principalmente devido a problemas metalúrgicos, como a absorção, que às vezes produz porosidade na zona de colo.

O segundo papel do uso de um gás de blindagem é proteger a lente de foco da contaminação por vapor de metal e a pulverização de gotículas derretidas líquidas. Isso é especialmente necessário na soldagem a laser de alta potência, onde os ejetos se tornam muito poderosos.

Uma terceira função do gás de blindagem é que ele é eficaz na dispersão da blindagem de plasma produzida por soldagem a laser de alta potência. O vapor de metal absorve o feixe de laser e ioniza em uma nuvem de plasma, e o gás de proteção ao redor do vapor de metal também é ionizado pelo calor. Se estiver presente muito plasma, o feixe de laser é consumido pelo plasma até certo ponto. A presença de plasma como segunda energia na superfície de trabalho torna a profundidade do derretimento mais raso e a superfície da piscina de solda mais larga. A taxa de complexação de elétrons é aumentada aumentando o número de colisões de íons eletrônicos e átomos neutros para reduzir a densidade de elétrons no plasma. Quanto mais leve o átomo neutro, maior a frequência de colisão, maior a taxa de composto; Por outro lado, apenas a alta energia de ionização do gás de proteção, para não aumentar a densidade de elétrons devido à ionização do próprio gás.

Como pode ser visto na tabela, o tamanho da nuvem de plasma varia com o gás protetor usado, sendo o hélio o menor, seguido pelo nitrogênio e o maior quando o argônio é usado. Quanto maior o tamanho do plasma, mais raso a profundidade de fusão. A razão para essa diferença se deve primeiro ao diferente do grau de ionização das moléculas de gás e também devido à diferença na difusão do vapor de metal causado pelas diferentes densidades dos gases de proteção.

O hélio é o menos ionizado e o menos denso, e rapidamente dissipa o crescente vapor de metal da piscina de metal fundido. Portanto, o uso do hélio como gás de proteção pode maximizar a supressão do plasma, aumentando assim a profundidade de derreter e melhorar a velocidade de soldagem; Não é fácil causar porosidade devido ao seu peso leve e capacidade de escapar. Obviamente, a partir de nossos resultados reais de soldagem, o efeito da proteção com gás argônio não é ruim.

A nuvem de plasma na profundidade do derretimento na zona de baixa velocidade de soldagem é a mais óbvia. Quando a velocidade de soldagem aumentar, sua influência será enfraquecida.

O gás de blindagem é ejetado através da abertura do bico a uma certa pressão para alcançar a superfície da peça de trabalho. A forma hidrodinâmica do bico e o tamanho do diâmetro da saída são muito importantes. Deve ser grande o suficiente para acionar o gás de blindagem pulverizado para cobrir a superfície da soldagem, mas para proteger efetivamente a lente e impedir a contaminação por vapor de metal ou danos de respingos de metal à lente, o tamanho do bico também deve ser limitado. A taxa de fluxo também deve ser controlada, caso contrário, o fluxo laminar de gás de proteção se torna turbulento e a atmosfera se envolve na piscina derretida, eventualmente formando porosidade.

Para melhorar o efeito de proteção, também disponível, ou seja, através de um bico de diâmetro menor será o gás protetor para um certo ângulo diretamente no furo de solda fundido profundo. O gás de proteção não apenas suprime a nuvem de plasma na superfície da peça de trabalho, mas também exerce influência no plasma no orifício e na formação do pequeno orifício, aumentando ainda mais a profundidade da fusão e obtendo uma costura de solda mais profunda e mais ampla do que desejável. No entanto, esse método requer controle preciso do tamanho e direção do fluxo de gás, caso contrário, é fácil produzir turbulência e danificar o pool de fusão, resultando no processo de soldagem é difícil de estabilizar.

6) LENS FOCAL DA LIMENTO. A soldagem é geralmente usada para concentrar a maneira como a convergência a laser, a escolha geral de 63 ~ 254 mm (2,5 '~ 10 ') comprimento focal da lente. O tamanho do ponto focado é proporcional à distância focal, menor a distância focal, menor o ponto. Mas a distância focal também afeta a profundidade focal, ou seja, a profundidade focal aumenta simultaneamente com a distância focal; portanto, a curta distância focal pode melhorar a densidade de potência, mas devido à pequena profundidade focal, a distância entre a lente e a peça de trabalho deve ser mantida com precisão e a departamento de fusão não é grande. Devido à influência do respingo gerado durante o processo de soldagem e o modo de laser, a soldagem real usando a profundidade mais curta de foco mais focal 126 mm (5 '). Quando a costura é grande ou a costura de solda precisa ser aumentada pelo aumento do tamanho do ponto, a lente que é uma focal de 254 mm (10 ') pode ser selecionada; Efeito do orifício.

Quando a energia do laser excede 2kW, especialmente para o feixe de laser de CO2 de 10,6μm, devido ao uso de materiais ópticos especiais para formar o sistema óptico, a fim de evitar o risco de danos ópticos à lente de foco, geralmente escolhe o método de foco de reflexão, geralmente usando o espelho de cobre polido para o refletor. Devido ao resfriamento eficaz, geralmente é recomendado para o foco do feixe de laser de alta potência.

7) Posição do ponto focal. Soldagem, para manter a densidade de energia suficiente, a posição do ponto focal é crítica. Alterações na posição do ponto focal em relação à superfície da peça de trabalho afetam diretamente a largura e a profundidade da solda. A Figura 3 mostra o efeito da posição do ponto focal na profundidade da largura do fusão e da costura do aço 1018. Na maioria das aplicações de soldagem a laser, o ponto focal é tipicamente posicionado aproximadamente 1/4 da profundidade desejada do derretimento abaixo da superfície da peça de trabalho.

8) Posição do feixe de laser. Quando a soldagem a laser diferentes materiais, a posição do feixe de laser controla a qualidade final da solda, especialmente no caso de juntas de bunda, que são mais sensíveis a isso do que as juntas de volta. Por exemplo, quando engrenagens de aço endurecidas são soldadas em tambores de aço suave, o controle adequado da posição do feixe de laser facilitará a produção de uma solda com um componente predominantemente baixo de carbono, que tem melhor resistência à trinca. Em algumas aplicações, a geometria da peça a ser soldada exige que o feixe de laser seja desviado por um ângulo. Quando o ângulo de deflexão entre o eixo do feixe e o plano da articulação estiver dentro de 100 graus, a absorção da energia do laser pela peça de trabalho não será afetada.

9) Soldagem de início e ponto final do aumento gradual da potência a laser, controle gradual do declínio. Soldagem de fusão profunda a laser, independentemente da profundidade da solda, sempre existe o fenômeno de pequenos orifícios. Quando o processo de soldagem é encerrado e o interruptor de energia é desligado, uma cratera aparecerá no final da solda. Além disso, quando a camada de soldagem a laser cobre a solda original, haverá absorção excessiva do feixe a laser, resultando em superaquecimento ou porosidade da solda.

Para evitar os fenômenos acima, os pontos de partida e parada de energia podem ser programados para que os tempos de início e parada de energia se tornem ajustáveis, ou seja, a energia inicial é aumentada eletronicamente de zero para o valor definido em um curto período de tempo e a tempo de soldagem é ajustada e, finalmente, a energia é gradualmente reduzida da potência definida para o valor zero quando a soldagem é terminada.