El proceso de soldadura por láser, principalmente para soldadura de chapa, se puede dividir en dos categorías: soldadura por láser de fibra continua y soldadura por láser pulsado YAG.
Basado en el principio de la soldadura láser, se puede dividir en soldadura por conducción de calor y soldadura láser de penetración profunda. Cuando la densidad de potencia es inferior a 104 a 105 W/cm², se considera soldadura por conducción de calor. Esto da como resultado una penetración poco profunda y una velocidad de soldadura más lenta.
Por otro lado, cuando la densidad de potencia es superior a 105 a 107 W/cm², la superficie del metal formará "agujeros" debido al calentamiento y dará lugar a una soldadura láser de penetración profunda. Este método se caracteriza por su rápida velocidad de soldadura y su gran relación profundidad/ancho.
El principio de la soldadura láser por conducción de calor implica calentar la superficie a procesar mediante radiación láser, guiar el calor de la superficie a través de transferencia y difusión internas y fundir la pieza de trabajo para formar un baño fundido específico mediante el control de parámetros del láser, como el pulso. ancho, energía, potencia máxima y frecuencia de repetición. Este método es adecuado para soldar placas delgadas.
La soldadura láser de penetración profunda se utiliza principalmente para la soldadura de engranajes y la soldadura de láminas metalúrgicas, y este artículo se centra en el principio de la soldadura láser de penetración profunda.
Soldadura de tapa superior de batería de litio con carcasa de aluminio – láser de fibra continua (celda de vehículo de nueva energía, principalmente aluminio serie 3)
1. Principio de la soldadura láser de penetración profunda.
La soldadura láser de penetración profunda normalmente utiliza un rayo láser continuo de fibra óptica para unir materiales. El proceso metalúrgico de este método es similar a la soldadura por haz de electrones y se lleva a cabo a través de una estructura en forma de "ojo de cerradura".
Cuando el material se expone a un láser de alta densidad de potencia, se evapora y crea pequeños agujeros. Los pequeños agujeros, llenos de vapor, se comportan como cuerpos negros y absorben casi toda la energía del rayo incidente.
La temperatura dentro de los agujeros alcanza aproximadamente 2500 ℃ y el calor se transfiere desde las paredes exteriores de los agujeros de alta temperatura para fundir el metal circundante.
Los pequeños agujeros están llenos de vapor de alta temperatura generado por la evaporación continua del material de la pared bajo irradiación láser. Las cuatro paredes de los agujeros están rodeadas de metal fundido y el metal líquido está rodeado de materiales sólidos.
En la mayoría de los procesos de soldadura convencionales y en la soldadura por conducción láser, la energía primero se deposita en la superficie de la pieza y luego se transmite hacia adentro a través de la conducción.
El flujo de líquido y la tensión superficial de la pared fuera de las paredes del agujero están en equilibrio dinámico con la presión de vapor continua dentro de la cavidad del agujero. El rayo láser entra continuamente en los pequeños orificios y el material que se encuentra fuera de los orificios sale continuamente.
El movimiento del rayo láser mantiene los pequeños agujeros y el metal fundido alrededor de los agujeros en un estado de flujo estable.
Esto significa que los pequeños agujeros y el metal fundido avanzarán con la velocidad de la viga principal, llenando el espacio dejado y solidificándose para formar la soldadura.
Todos estos procesos ocurren tan rápidamente que la velocidad de soldadura puede alcanzar fácilmente varios metros por minuto.
Soldadura láser CW de fibra de aluminio serie 6 (esta es una banda de rodadura de riel de alta velocidad)
2. Principales parámetros del proceso de soldadura láser de penetración profunda.
(1) potencia del láser
Existe un límite para la densidad de energía del láser en la soldadura láser. Si la densidad de energía del láser está por debajo de este valor, la penetración será superficial. Sin embargo, si alcanza o supera este valor, la penetración mejora considerablemente.
La generación de plasma, es decir, el progreso de una soldadura de penetración profunda estable, sólo se produce cuando la densidad de potencia del láser en la pieza de trabajo supera el límite, que depende del material.
Cuando la densidad de potencia del láser está por debajo del umbral, solo se produce la fusión de la superficie de la pieza de trabajo, lo que da como resultado una soldadura por conducción de calor estable.
Si la densidad de potencia del láser está cerca de la condición crítica para la formación de agujeros de cerradura, el proceso de soldadura se vuelve inestable, con alternancia de soldadura de penetración profunda y soldadura por conducción, lo que resulta en fluctuaciones significativas en la profundidad de penetración.
Durante la soldadura láser de penetración profunda, la potencia del láser controla simultáneamente la profundidad de penetración y la velocidad de soldadura. La profundidad de penetración 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 rayo láser de un diámetro determinado, la penetración aumenta a medida que aumenta la potencia del rayo.
Caballo hervidor: soldadura láser de pulso YAG (puede crear directamente la apariencia de la superficie)
(2) Punto focal del haz
El tamaño del punto del haz es una variable crítica en la soldadura láser, ya que determina la densidad de potencia. Sin embargo, medir el tamaño del punto para láseres de alta potencia es una tarea desafiante a pesar de la disponibilidad de varias tecnologías de medición indirecta.
El límite del tamaño del punto de difracción de enfoque del haz se puede calcular utilizando la teoría de la difracción de la luz, pero el tamaño del punto real es mayor debido a la presencia de aberraciones en la lente de enfoque.
El método de medición más simple es el método del perfil de temperatura igual, que implica medir el punto focal y el diámetro de la perforación después de quemar papel grueso y penetrar una placa de polipropileno.
Este método requiere el dominio de la potencia del láser y el tiempo de acción del haz, lo que se puede lograr mediante práctica y medición.
(3) Valor de absorción del material
La absorción láser de materiales depende de varias propiedades importantes del material, como la absortividad, la reflectividad, la conductividad térmica, la temperatura de fusión, la temperatura de evaporación, etc.
Hay dos factores que afectan la absortividad de los materiales al rayo láser:
Primero, el coeficiente de resistencia del material. Después de medir la absortividad de la superficie pulida del material, se encontró que la absortividad del material es directamente proporcional a la raíz cuadrada del coeficiente de resistencia, que cambia con la temperatura.
En segundo lugar, el estado superficial o acabado del material, que influye significativamente en la absortividad de la viga y por tanto en el efecto de soldadura.
Los materiales con alta pureza y conductividad general, como el acero inoxidable y el níquel, son los mejores para soldar.
Por otro lado, los materiales de alta conductividad como el cobre y el aluminio son difíciles de soldar. La soldadura de aluminio serie 6 y superiores es propensa a agrietarse y formar poros.
La soldadura de cobre generalmente depende de los requisitos de la aplicación y se puede realizar con láser YAG pulsado y láser de fibra continua.
En la industria de la joyería, el oro y la plata suelen soldarse por puntos. Sin embargo, existen pocas aplicaciones industriales para soldar estos materiales. La atención se centra aquí en las aplicaciones industriales.
La longitud de onda de salida de los láseres de CO 2 suele ser de 10,6 μm. A temperatura ambiente, la tasa de absorción de materiales no metálicos como cerámica, vidrio, caucho y plástico es muy alta, mientras que la tasa de absorción de materiales metálicos es baja.
Sin embargo, una vez que el material se funde o incluso se vaporiza, su absorción aumenta drásticamente.
El método de recubrir la superficie o formar una película de óxido sobre la superficie es muy eficaz para mejorar la absorción de los haces de luz.
(4) Velocidad de soldadura
La velocidad de soldadura tiene un impacto significativo en la profundidad de penetración. Aumentar la velocidad dará como resultado una penetración más superficial, pero una velocidad demasiado baja provocará una fusión excesiva del material y una penetración excesiva en la pieza de trabajo.
Por lo tanto, existe un rango adecuado de velocidades de soldadura para un material específico con una potencia y un espesor del láser determinados, y se puede lograr la máxima penetración con el valor de velocidad correspondiente.
Soldadura de relleno con alambre láser de pulso YGA de acero inoxidable (puede superar el problema de las juntas a tope grandes y el tratamiento de la superficie de la apariencia en la etapa posterior)
(5) Gas protector
En la soldadura láser se utiliza a menudo gas inerte para proteger el baño de soldadura. En algunos casos, la protección puede no ser necesaria si el material se puede soldar sin oxidación de la superficie.
Sin embargo, la mayoría de las aplicaciones utilizan helio, argón, nitrógeno u otros gases para proteger la pieza de la oxidación durante la soldadura.
El helio es un gas protector eficaz debido a su alta energía de ionización, que permite que el rayo láser pase suavemente y llegue a la superficie de la pieza sin obstáculos. Sin embargo, es relativamente caro.
El argón es relativamente barato y tiene una alta densidad, lo que proporciona una buena protección. Sin embargo, es propenso a la ionización del plasma metálico a alta temperatura, lo que reduce la potencia efectiva del láser y la velocidad de soldadura, así como la penetración.
La superficie de soldadura protegida con argón es más suave en comparación con la superficie protegida con helio.
El nitrógeno es el gas de protección más barato, pero no es adecuado para algunos tipos de soldadura de acero inoxidable debido a problemas metalúrgicos como la absorción, que en ocasiones puede provocar poros en la zona del cuello.
El segundo propósito del uso de gas protector es proteger la lente de enfoque de la contaminación por vapores metálicos y la pulverización de gotas de líquido, lo cual es especialmente importante en la soldadura láser de alta potencia, donde el material expulsado se vuelve más potente.
La tercera función del gas de protección es dispersar el plasma de protección producido por la soldadura láser de alta potencia. El vapor metálico absorbe el rayo láser, ionizándolo en una nube de plasma, y el gas protector alrededor del vapor metálico también se ioniza debido al calentamiento.
Si hay demasiado plasma, consumirá el rayo láser hasta cierto punto. El plasma en la superficie de trabajo actúa como una segunda fuente de energía, haciendo que la penetración sea menos profunda y la superficie del baño de soldadura sea más amplia.
La tasa de recombinación de electrones se puede aumentar aumentando la colisión de electrones con iones y átomos neutros, reduciendo la densidad de electrones en el plasma.
Cuanto más ligero sea el átomo neutro, mayor será la frecuencia de colisión y mayor la tasa de recombinación.
Por otro lado, sólo el gas protector con alta energía de ionización no aumentará la densidad electrónica debido a su propia ionización.
Peso atómico (molecular) y energía de ionización de gases y metales comunes.
| Material | Él | Aire | norte | Alabama | mg | Fe |
| Peso atómico (molecular) | 4 | 40 | 28 | 27 | 24 | 56 |
| Energía de ionización (eV) | 24:46 | 15,68 | 14.5 | 5.96 | 7.61 | 7,83 |
Como se muestra en la tabla, el tamaño de la nube de plasma depende del tipo de gas protector utilizado. El helio produce la nube de plasma más pequeña, el nitrógeno produce la segunda más pequeña y el argón produce la más grande. Cuanto mayor sea el tamaño del plasma, menor será la profundidad de penetración.
Esta diferencia no sólo se debe a los diferentes niveles de ionización de las moléculas del gas, sino también a la diferencia en la difusión del vapor metálico provocada por las diferentes densidades del gas protector.
El helio tiene la ionización y densidad más bajas y puede eliminar rápidamente el vapor de metal que se eleva del charco de metal fundido.
Como resultado, el uso de helio como gas protector puede inhibir eficazmente el plasma y aumentar la penetración y la velocidad de soldadura. Además, es ligero y apenas provoca poros.
Sin embargo, en la soldadura real, el uso de argón como escudo da buenos resultados. El efecto de la nube de plasma sobre la penetración es más notable a bajas velocidades de soldadura y, a medida que aumenta la velocidad de soldadura, su impacto disminuye.
El gas protector se libera sobre la superficie de la pieza a través de una boquilla a una determinada presión. La forma de la boquilla y el diámetro de salida son críticos, ya que la boquilla debe ser lo suficientemente grande como para cubrir la superficie de soldadura con el gas protector, pero también debe tener un tamaño limitado para proteger eficazmente la lente y evitar la contaminación por vapores metálicos o salpicaduras de metal. de dañar la lente.
El caudal también debe controlarse; de lo contrario, el flujo laminar del gas protector se volverá turbulento y el aire entrará en el baño fundido, formando poros.
Para mejorar el efecto protector, también se puede utilizar el soplado lateral, donde el gas protector se inyecta en el pequeño orificio de la soldadura de penetración profunda en un cierto ángulo a través de una boquilla de pequeño diámetro.
Esto no solo reduce la nube de plasma en la superficie de la pieza, sino que también afecta el plasma en el orificio y la formación de pequeños orificios, lo que resulta en una mayor profundidad de penetración y una soldadura ideal con una alta relación profundidad-ancho.
Sin embargo, este método requiere un control preciso del tamaño y la dirección del flujo de gas, ya que pueden ocurrir fácilmente turbulencias y daños al baño fundido, lo que dificulta la estabilización del proceso de soldadura.
(6) Distancia focal de la lente
El rayo láser generalmente se enfoca durante la soldadura y generalmente se selecciona una lente con una distancia focal de 63 mm a 254 mm (2,5 ″ a 10 ″). El tamaño del punto de enfoque es directamente proporcional a la distancia focal; una distancia focal más corta da como resultado un punto más pequeño.
Sin embargo, la distancia focal también afecta la profundidad focal, que aumenta con la distancia focal. Esto significa que una distancia focal corta mejora la densidad de potencia, pero requiere un mantenimiento preciso de la distancia entre la lente y la pieza de trabajo para una penetración adecuada.
En la soldadura real, la profundidad focal más pequeña utilizada es generalmente de 126 mm (5″). Cuando se requiere una unión más grande o una mayor soldadura, se puede seleccionar una lente con una distancia focal de 254 mm (10"), pero esto requiere una mayor potencia de salida del láser para lograr el efecto de ojo de cerradura de penetración profunda deseado.
Para potencias de láser superiores a 2 kW, especialmente para láseres de CO2 de 10,6 μm, se suele utilizar el método de enfoque por reflexión, con espejos de cobre pulido como espejos, para evitar el riesgo de daño óptico a la lente de enfoque.
Los espejos de cobre a menudo se recomiendan para enfocar rayos láser de alta potencia debido a su enfriamiento efectivo.
(7) Posición de enfoque
En la soldadura láser, la posición del foco es crucial para asegurar una densidad de potencia adecuada. La variación en la posición relativa entre el foco y la superficie de la pieza afecta significativamente la profundidad y el ancho de la soldadura.
En la mayoría de las aplicaciones de soldadura láser, el enfoque suele establecerse en aproximadamente una cuarta parte de la penetración requerida debajo de la superficie de la pieza de trabajo.
(8) Posición del rayo láser
La calidad final de la soldadura durante la soldadura láser de diferentes materiales está controlada en gran medida por la posición del rayo láser, siendo las juntas a tope más sensibles que las juntas traslapadas.
Por ejemplo, al soldar un engranaje de acero endurecido a un tambor de acero con bajo contenido de carbono, un control adecuado de la posición del rayo láser dará como resultado una soldadura compuesta principalmente de componentes con bajo contenido de carbono, que tienen una excelente resistencia al agrietamiento.
En determinadas situaciones, la geometría de la pieza a soldar requiere un ángulo de desviación del rayo láser. Cuando el ángulo de desviación entre el eje del haz y el plano de unión es inferior a 100 grados, la absorción de energía láser por la pieza permanece sin cambios.
(9) Control del aumento y disminución gradual de la potencia del láser en los puntos inicial y final de la soldadura.
En la soldadura láser de penetración profunda, hay pequeños agujeros independientemente de la profundidad de la soldadura. Cuando se completa el proceso de soldadura y se apaga el interruptor de encendido, aparecerán puntos al final de la soldadura.
Además, si la nueva capa de soldadura láser cubre la soldadura anterior, puede producirse una absorción excesiva del rayo láser, provocando sobrecalentamiento o porosidad en la soldadura.
Para evitar estos problemas, los puntos de inicio y finalización de la energía se pueden programar para permitir tiempos de inicio y finalización ajustables. Esto se logra aumentando electrónicamente la potencia inicial desde cero hasta el valor de potencia establecido rápidamente y ajustando el tiempo de soldadura.
Finalmente, la potencia disminuye gradualmente desde el valor configurado hasta cero al final de la soldadura.
Soldadura láser continua de fibra óptica de acero inoxidable (adecuada para soldadura a tope de placas pequeñas con un espesor de 0,2-3 mm)
3. Características, ventajas y desventajas de la soldadura láser de penetración profunda.
(1) Características de la soldadura láser de penetración profunda.
- Soldadura de alta relación de aspecto
El proceso de soldadura de alta relación de aspecto se caracteriza por soldaduras estrechas y profundas, que se forman dirigiendo una cavidad cilíndrica de vapor a alta temperatura alrededor de la pieza de trabajo. Esto da como resultado que se forme metal fundido alrededor de la cavidad y se extienda hacia la pieza de trabajo.
- Entrada mínima de calor
El proceso de soldadura requiere un aporte mínimo de calor debido a la alta temperatura dentro del pequeño orificio. Esto da como resultado un proceso de fusión rápido y un bajo aporte de calor a la pieza de trabajo, lo que lleva a una deformación térmica mínima y a una pequeña zona afectada por el calor.
- Soldaduras de alta densidad
El vapor a alta temperatura dentro del pequeño orificio promueve la agitación del charco de soldadura y el escape de gas, lo que da como resultado una soldadura de penetración densa y sin poros. La rápida velocidad de enfriamiento después de la soldadura ayuda a refinar la estructura de la soldadura.
- Soldaduras fuertes
El proceso de soldadura no requiere electrodos ni alambres de relleno, y la fuente de calor está caliente, lo que lleva a una reducción en el contenido de impurezas y a un cambio en el tamaño y distribución de la inclusión en el baño fundido. Esto da como resultado una soldadura fuerte y tenaz que es al menos igual o incluso más fuerte que el metal base.
- Control preciso
El pequeño punto de enfoque del láser permite una alta precisión en el posicionamiento de la soldadura. La salida del láser no tiene "inercia" y se puede detener y reiniciar rápidamente, lo que la hace ideal para soldar piezas complejas con tecnología de movimiento de haz NC.
- Soldadura en atmósfera sin contacto
El proceso de soldadura en atmósfera sin contacto implica un haz de fotones que entrega energía a la pieza sin ningún contacto físico. Esto significa que no se aplica ninguna fuerza externa a la pieza de trabajo y el láser no se ve afectado por el magnetismo o el aire.
(2) Ventajas de la soldadura láser de penetración profunda
- Alta velocidad de soldadura y mínima deformación.
El láser enfocado utilizado en la soldadura láser tiene una densidad de potencia mucho mayor en comparación con los métodos convencionales, lo que permite velocidades de soldadura rápidas y zonas y deformaciones mínimas afectadas por el calor. Esto permite soldar incluso materiales difíciles como el titanio.
- Eficiente y de bajo mantenimiento
El haz es fácil de transmitir y controlar, lo que lleva a un reemplazo menos frecuente de la pistola y la boquilla de soldadura, y no se requiere bombeo de vacío para la soldadura por haz de electrones. Esto reduce significativamente el tiempo de inactividad auxiliar y aumenta el factor de carga y la eficiencia de producción.
- Alta resistencia y resistencia.
La purificación y la alta velocidad de enfriamiento durante la soldadura láser dan como resultado una alta resistencia, tenacidad y propiedades integrales de la soldadura.
- Costo beneficio
El bajo aporte térmico medio y la alta precisión del mecanizado de la soldadura láser ayudan a reducir el coste del reprocesamiento. Además, el bajo coste operativo de la soldadura láser también ayuda a reducir el coste total de procesamiento de la pieza.
- Fácil de automatizar
La soldadura láser permite un control eficaz de la intensidad del haz y un posicionamiento preciso, facilitando la automatización del proceso de soldadura.
(3) Desventajas de la soldadura láser de penetración profunda
- Profundidad de soldadura limitada
- Requisitos estrictos para el montaje de piezas.
- Importante inversión inicial en sistema láser.
