Principais parâmetros do processo de soldagem a laser

1) Potência do laser. Existe um limite de densidade de energia do laser na soldagem a laser, abaixo do qual a profundidade do fundido é rasa e, uma vez atingido ou excedido esse valor, a profundidade do fundido aumenta substancialmente. Somente quando a densidade de potência do laser na peça excede o limite (dependente do material), o plasma é gerado, o que marca a estabilização da soldagem por fusão profunda. Se a potência do laser estiver abaixo deste limite, a peça sofre apenas fusão superficial, ou seja, a soldagem prossegue em um tipo de transferência de calor estável. Quando a densidade de potência do laser está próxima da condição crítica de formação de pequenos furos, a soldagem por fusão profunda e a soldagem por condução se alternam e se tornam processos de soldagem instáveis, resultando em grandes flutuações na profundidade do fundido. Na soldagem por fusão profunda a laser, a potência do laser controla tanto a profundidade de penetração quanto a velocidade de soldagem, conforme mostrado na Figura 1. A profundidade de fusão da soldagem 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 determinado diâmetro do feixe de laser, a profundidade do fundido aumenta à medida que a potência do feixe aumenta.

2) Ponto 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. Contudo, sua medição é um desafio para lasers de alta potência, embora muitas técnicas de medição indireta já estejam disponíveis.

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

Os fatores que afetam a taxa de absorção do material pelo feixe de laser incluem dois aspectos: primeiro, a resistividade do material. Após medir a taxa de absorção da superfície polida do material, verifica-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 superficial (ou acabamento) do material tem um efeito mais importante na taxa de absorção da viga, tendo assim um efeito significativo no efeito de soldagem.

O comprimento de onda de saída do laser CO2 é geralmente de 10,6 μm, cerâmica, vidro, borracha, plástico e outros não-metais em sua taxa de absorção à temperatura ambiente é muito alta, enquanto materiais metálicos em temperatura ambiente em sua absorção são muito pobres, até que o material uma vez derretido ou mesmo vaporizado, sua absorção aumentou drasticamente. O uso de revestimento de superfície ou geração de superfície do método de filme de óxido para melhorar a absorção do material pelo feixe é muito eficaz.

4) velocidade de soldagem. A velocidade de soldagem tem um grande impacto na profundidade do derretimento, aumentar a velocidade tornará a profundidade do derretimento rasa, mas a velocidade é muito baixa e levará ao derretimento excessivo do material, a peça de trabalho será soldada. Portanto, uma certa potência do laser e uma certa espessura de um determinado material possuem uma faixa adequada de velocidade de soldagem, e na qual o valor de velocidade correspondente pode ser obtido quando a profundidade máxima de fusão. A Figura 2 mostra a relação entre a velocidade de soldagem e a profundidade de fusão do aço 1018.

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

O hélio não é facilmente ionizado (a energia de ionização é alta), permitindo que o laser passe e que a energia do feixe alcance a superfície da peça de trabalho sem impedimentos. É o gás de proteção 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 por plasma metálico em alta temperatura, o que resulta na blindagem de parte do feixe para a peça, reduzindo a potência efetiva do laser para soldagem e também prejudicando a velocidade de soldagem e a profundidade do fundido. A superfície da peça soldada é mais lisa com proteção de argônio do que com proteção de hélio.

O nitrogênio é o gás de proteção 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 sobreposição.

A segunda função do uso de um gás de proteção é proteger a lente de foco da contaminação por vapor metálico e da pulverização catódica de gotículas líquidas fundidas. Isto é especialmente necessário na soldagem a laser de alta potência, onde o material ejetado se torna muito poderoso.

Uma terceira função do gás de proteção é ser eficaz na dispersão da proteção de plasma produzida pela soldagem a laser de alta potência. O vapor metálico absorve o feixe de laser e ioniza-se em uma nuvem de plasma, e o gás de proteção ao redor do vapor metálico também é ionizado pelo calor. Se houver muito plasma presente, o feixe de laser será consumido pelo plasma até certo ponto. A presença de plasma como uma segunda energia na superfície de trabalho torna a profundidade do fundido mais rasa e a superfície da poça de fusão mais larga. A taxa de complexação de elétrons é aumentada pelo aumento do número de colisões de três corpos entre íons elétrons e átomos neutros para reduzir a densidade eletrônica no plasma. Quanto mais leve for o átomo neutro, maior será a frequência de colisão e maior será a taxa composta; por outro lado, apenas a alta energia de ionização do gás de proteção, para não aumentar a densidade eletrônica devido à ionização do próprio gás.

Como pode ser visto na tabela, o tamanho da nuvem de plasma varia de acordo com o gás protetor utilizado, sendo o hélio o menor, seguido pelo nitrogênio, e o maior quando o argônio é utilizado. Quanto maior o tamanho do plasma, menor será a profundidade de fusão. A razão para esta diferença deve-se, em primeiro lugar, ao diferente grau de ionização das moléculas do gás e também à diferença na difusão do vapor metálico causada pelas diferentes densidades dos gases de proteção.

O hélio é o menos ionizado e o menos denso, e dissipa rapidamente o vapor metálico ascendente da poça de metal fundido. Portanto, o uso do hélio como gás de proteção pode maximizar a supressão do plasma, aumentando assim a profundidade do fundido e melhorando a velocidade de soldagem; não é fácil causar porosidade devido ao seu peso leve e capacidade de escapar. É claro que, a partir dos nossos resultados reais de soldagem, o efeito da proteção com gás argônio não é ruim.

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

O gás de proteção é ejetado através da abertura do bico a uma certa pressão para atingir a superfície da peça. A forma hidrodinâmica do bico e o tamanho do diâmetro da saída são muito importantes. Deve ser grande o suficiente para conduzir o gás de proteção pulverizado para cobrir a superfície de soldagem, mas para proteger efetivamente a lente e evitar a contaminação por vapor de metal ou danos por respingos de metal na lente, o tamanho do bico também deve ser limitado. A vazão também deve ser controlada, caso contrário o fluxo laminar do gás de proteção torna-se turbulento e a atmosfera fica envolvida na poça fundida, eventualmente formando porosidade.

Para melhorar o efeito de proteção, também está disponível um modo de sopro lateral adicional, ou seja, através de um bico de diâmetro menor o gás de proteção será lançado em um determinado ângulo diretamente no furo profundo da solda fundida. O gás de proteção não apenas suprime a nuvem de plasma na superfície da peça, mas também exerce influência sobre o plasma no furo e na formação do pequeno furo, aumentando ainda mais a profundidade de fusão e obtendo uma costura de solda mais profunda e larga do que o desejável. No entanto, este método requer controle preciso do tamanho e direção do fluxo de gás, caso contrário, é fácil produzir turbulência e danificar a poça de fusão, resultando em dificuldade de estabilização do processo de soldagem.

6) Distância focal da lente. A soldagem é geralmente usada para focar a forma como a convergência do laser, a escolha geral de 63 ~ 254 mm (2,5 '~ 10') de distância focal da lente. O tamanho do ponto focalizado é proporcional à distância focal; quanto menor a distância focal, menor será o ponto. Mas a distância focal também afeta a profundidade focal, ou seja, a profundidade focal aumenta simultaneamente com a distância focal, de modo que a distância focal curta 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 profundidade de fusão não é grande. Devido à influência dos respingos gerados durante o processo de soldagem e o modo laser, a soldagem real usando a menor profundidade de foco mais distância focal de 126mm (5'). Quando a costura é grande ou a costura de solda precisa ser aumentada aumentando o tamanho do ponto, uma lente com uma distância focal de 254mm (10') pode ser selecionada, caso em que uma maior potência de saída do laser (densidade de potência) é necessária para obter um efeito de pequeno furo de fusão profunda.

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

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

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

9) Ponto inicial e final da soldagem do aumento gradual da potência do laser, controle de declínio gradual. Soldagem por fusão profunda a laser, independentemente da profundidade da solda, sempre existe o fenômeno de pequenos furos. Quando o processo de soldagem for finalizado e a chave liga/desliga for desligada, uma cratera aparecerá no final da soldagem. Além disso, quando a camada de soldagem a laser cobre a solda original, haverá absorção excessiva do feixe de laser, resultando em superaquecimento ou porosidade da solda.

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