Parámetros principales del proceso de soldadura por láser

1) Potencia láser.Existe un umbral de densidad de energía láser en la soldadura por láser, por debajo del cual la profundidad de fusión es poco profunda y, una vez que se alcanza o supera este valor, la profundidad de fusión aumenta sustancialmente.Solo cuando la densidad de potencia del láser en la pieza de trabajo supera el umbral (depende del material), se genera plasma, lo 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 solo experimenta una fusión superficial, 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 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 genera grandes fluctuaciones en la profundidad de 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 fusión está directamente relacionada con la densidad de potencia del haz y es una función de la potencia del haz incidente y del haz. Punto focal.En general, para un cierto diámetro del rayo láser, la profundidad de fusión 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 es un desafío para los láseres de alta potencia, aunque ya se dispone de muchas técnicas de medición indirecta.

El tamaño del punto límite de la 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 una 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 la práctica, dominando el tamaño de la potencia del láser y el tiempo de acción del haz.

3) Valor de absorción del material.La absorción del láser por parte del 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 al 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 en la tasa de absorción del haz, por lo que tiene 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 tasa de absorción a temperatura ambiente es muy alta, mientras que los materiales metálicos a temperatura ambiente en su absorción es muy pobre, hasta que el material una vez fundido o incluso vaporizado, su absorción aumentó considerablemente.El uso del método de recubrimiento superficial o generación superficial de película de óxido para mejorar la absorción del material en el haz es muy efectivo.

4) velocidad de soldadura.La velocidad de soldadura tiene un gran impacto en la profundidad de fusión, aumentar la velocidad hará que la profundidad de fusión sea poco profunda, pero la velocidad es demasiado baja y conducirá a una fusión excesiva del material, la pieza de trabajo se suelda.Por lo tanto, una cierta potencia de láser y un cierto espesor de un material en particular tiene 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 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 usa gas inerte para proteger el baño de fusión, cuando algunos materiales se sueldan independientemente de la oxidación de la superficie, entonces 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 el 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 lo atraviese y que la energía del haz alcance la superficie de la pieza de trabajo sin obstáculos.Es el gas de protección más eficaz que se utiliza en la soldadura por 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 por plasma metálico a alta temperatura, lo que resulta en proteger parte del haz a la pieza de trabajo, reduciendo la potencia efectiva del láser para soldar y también perjudicando la velocidad de soldadura y la profundidad de fusión.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 económico, pero no es adecuado para algunos tipos de soldadura de acero inoxidable, principalmente debido a problemas metalúrgicos, como la absorción, que en ocasiones produce porosidad en la zona de traslape.

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

Una tercera función del gas protector es que es eficaz para dispersar el plasma protector producido por la soldadura láser de alta potencia.El vapor de metal absorbe el rayo láser y se ioniza en una nube de plasma, y ​​el gas protector alrededor del vapor de metal también se ioniza por el calor.Si hay demasiado plasma presente, el rayo láser es consumido por el plasma hasta cierto punto.La presencia de plasma como segunda energía en la superficie de trabajo hace que la profundidad de fusión sea más superficial y la superficie del baño de soldadura más ancha.La tasa de formación de complejos de electrones aumenta al aumentar el número de colisiones de tres cuerpos de electrones-iones 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, mayor será la tasa compuesta;por otro lado, solo la alta energía de ionización del gas de protección, para no aumentar la densidad electrónica debido a la ionización del propio gas.

Como puede verse 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 del gas y también a la diferencia en la difusión del vapor metálico provocada 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 ascendente de la piscina de metal fundido.Por lo tanto, el uso de helio como gas de protección puede maximizar la supresión del plasma, aumentando así la profundidad de fusión y mejorando la velocidad de soldadura;no es fácil causar porosidad debido a su peso ligero y capacidad de escape.Por supuesto, a partir de 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 fusión en la zona de baja velocidad de soldadura es la más obvia.Cuando la velocidad de soldadura aumenta, su influencia se debilitará.

El gas de protección se expulsa a través de la abertura de la boquilla a una determinada presión para llegar a 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 impulsar el gas de protección rociado para cubrir la superficie de soldadura, pero para proteger eficazmente la lente y evitar la contaminación por vapor de metal o daños por salpicaduras de metal en la lente, el tamaño de la boquilla también debe ser limitado.La tasa de flujo también debe controlarse, de lo contrario, el flujo laminar del gas de protección se vuelve turbulento y la atmósfera se involucra en el baño fundido, eventualmente formando porosidad.

Para mejorar el efecto de protección, también está disponible una forma de soplado lateral adicional, es decir, a través de una boquilla de diámetro más pequeño, el gas protector se colocará en un cierto ángulo directamente en el orificio de soldadura fundido profundo.El gas de protección no solo 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 pequeño orificio, aumentando aún más la profundidad de fusión y obteniendo una costura de soldadura más profunda y 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 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 usa generalmente para enfocar la forma en que converge el 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 es la distancia focal, más pequeño 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 profundidad focal pequeña, 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 utiliza la profundidad de enfoque más corta con una distancia focal mayor de 126 mm (5'). Cuando la costura es grande o la costura de soldadura debe aumentarse 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 agujero pequeño de fusión profunda.

Cuando la potencia del láser supera los 2kW, 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 daños ópticos en la lente de enfoque, a menudo elija el método de enfoque de reflexión , generalmente utilizando un espejo de cobre pulido para el reflector.Debido al enfriamiento efectivo, a menudo se recomienda para el enfoque de 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 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 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 a 1/4 de la profundidad deseada de fusión debajo de la superficie de la pieza de trabajo.

8) Posición del rayo láser.Cuando se sueldan diferentes materiales con láser, la posición del rayo láser controla la calidad final de la soldadura, especialmente en el caso de las juntas a tope, que son más sensibles que las juntas traslapadas.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 de trabajo a soldar requiere que el rayo láser se desvíe en un ángulo.Cuando el ángulo de deflexión entre el eje del haz y el plano de unión está dentro de los 100 grados, la absorción de energía láser por parte de la pieza de trabajo no se verá afectada.

9) Punto de inicio y final de soldadura de la potencia del láser aumento gradual, control de disminución gradual.Soldadura por fusión profunda con láser, independientemente de la profundidad de la soldadura, siempre existe el fenómeno de pequeños agujeros.Cuando finaliza el proceso de soldadura y se apaga el interruptor de alimentación, aparecerá un cráter al final de la soldadura.Además, cuando la capa de soldadura láser cubra 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 arranque y parada de la potencia se pueden programar de manera que los tiempos de arranque y parada de la potencia sean ajustables, es decir, la potencia de arranque se incrementa electrónicamente desde cero hasta el valor de potencia establecido en un corto período de tiempo y el 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.