Soldadura Láser de Aluminio: Conceptos básicos

En comparación con la soldadura tradicional, la soldadura láser ofrece varias ventajas, como un aporte de calor reducido y una menor influencia térmica, relaciones de aspecto elevadas y un proceso de soldadura automatizado.

Las aleaciones de aluminio son populares por su ligereza, alta tenacidad, alto coeficiente de rendimiento y facilidad de procesamiento y conformado. Se utilizan ampliamente en la fabricación de productos como contenedores, maquinaria, equipos de energía eléctrica, componentes de la industria química y estructuras aeronáuticas y aeroespaciales.

Sustitución de soldadura de chapa de acero con aleaciones de aluminio puede mejorar significativamente la calidad estructural. El aluminio es un metal más reactivo, con baja energía de ionización y alta conductividad térmica, pero es propenso a formar aleaciones refractarias de Al2O3 en la superficie, lo que puede dar lugar a defectos como zonas no fusionadas, poros, inclusiones y grietas térmicas en la soldadura, reduciendo así las propiedades mecánicas de la unión.

En comparación con la soldadura por arco de argón tungsteno o la soldadura por arco de argón fundido, la soldadura láser proporciona cordones de soldadura estrechos, zonas afectadas por el calor pequeñas, uniones solapadas reducidas, un control preciso del proceso de soldadura y automatización.

En la actualidad, la soldadura láser se utiliza principalmente en la soldadura de componentes electrónicos de paredes finas, piezas estructurales y componentes aeroespaciales. La tendencia futura en la investigación de la soldadura láser implica el desarrollo de láseres de fibra de 10.000 vatios para la soldadura por penetración profunda de placas grandes y gruesas.

Principales láseres de alta potencia en aplicaciones de soldadura láser

Rendimiento/tipoLáser de dióxido de carbonoNdYAG
láser
YbYAG
Láser Dac
Láser de fibra
Longitud de onda / um10.61.061.061-2
Eficiencia de conversión eléctrica/%12-152-6208-10
Densidad de potencia/(MW/cm-2)1010100100
Potencia máxima/kW)5061550
Salida del hazLente ópticaFibra ópticaFibra ópticaFibra óptica
Absortividad del metal/%8202020
Ciclo de mantenimiento/hora100010001ooo20000
Brillo láser (103 W/mm2steradiano) (4 kW/h)7,5(distancia focal:200;
Diámetro de la fibra:0,6 mm)
134,2(distancia focal:200;
Diámetro de la fibra:0,2 mm)
264.4
(distancia focal:160;
Diámetro de la fibra:0,1 mm)

CO2 láser de gas

El medio de trabajo para el CO2 es el CO2 gas, y con una longitud de onda de salida de 10,6 μm, puede clasificarse en flujo transversal y flujo axial en función de la estructura de excitación del láser.

Mientras que el flujo cruzado de CO2 han alcanzado una potencia de salida de 150 kW, la calidad del haz no es adecuada para la soldadura. Por otra parte, los láseres de flujo axial de CO2 tienen una buena calidad de haz y pueden utilizarse para soldar aleaciones de aluminio con alta reflectividad láser.

YAG láser de estado sólido

El medio de trabajo de los sistemas láser incluye el rubí, el vidrio de neodimio y el granate de aluminio y itrio (YAG) dopado con neodimio, con una longitud de onda de salida de 1,06 μm.

En comparación con el CO2 los láseres YAG son absorbidos más fácilmente por el metal y se ven menos afectados por el plasma. Además, los láseres YAG ofrecen las ventajas de la transmisión por fibra óptica, operaciones de soldadura flexibles y fácil acceso a la posición de soldadura.

Actualmente, los láseres YAG son los principales sistemas láser utilizados para la aleación de aluminio soldadura de estructuras.

YLR láser de fibra

El YLR láser de fibra es una tecnología láser más reciente desarrollada después de 2002. Utiliza fibra óptica como material matriz, dopada con diferentes iones de tierras raras, y tiene un rango de longitud de onda de salida de 1,08 μm, que también se transmite a través de fibra óptica.

En láser de fibra cuenta con una revolucionaria estructura de fibra de doble revestimiento, que aumenta la longitud de la bomba y mejora su eficacia, lo que se traduce en una potencia de salida muy superior a la de los láseres de fibra tradicionales.

En comparación con los láseres de YAG, los láseres de fibra YLR se desarrollaron más tarde, pero ofrecen ventajas como un tamaño pequeño, bajos costes de funcionamiento, alta calidad del haz y alto potencia del láser.

Clasificación de las aleaciones de aluminio y soldabilidad

Aluminio y aleaciones de aluminio pueden dividirse en:

  • Serie 1000 (aluminio puro industrial)
  • Serie 2000 (serie Al-Cu)
  • Serie 3000 (serie Al-Mn)
  • Serie 4000 (Al-Si)
  • Serie 5000 (Al-Mg)
  • Serie 6000 (Al-Mg-Si)
  • Serie 7000 (Al-Zn-Mg-Cu)

Las aleaciones de aluminio pueden dividirse en dos categorías en función de sus características de proceso: aleaciones de aluminio deformadas y aluminio fundido aleaciones. Las aleaciones de aluminio deformadas pueden dividirse a su vez en dos subcategorías: aleaciones de aluminio reforzadas no tratadas térmicamente y aleaciones de aluminio reforzadas tratadas térmicamente.

Cada tipo de aleación de aluminio tiene unas propiedades de soldadura únicas. Por ejemplo, el aluminio no tratado térmicamente y las aleaciones de aluminio de las series 1000, 3000 y 5000 tienen buenas propiedades de soldadura. soldabilidad. Las aleaciones de la serie 4000 tienen una baja sensibilidad a las grietas.

Sin embargo, cuando el contenido de magnesio alcanza 2% en las aleaciones de la serie 5000, la aleación es propensa al agrietamiento. Aunque el aumento del contenido de magnesio mejora el rendimiento de la soldadura, disminuye la ductilidad y la resistencia a la corrosión de la aleación.

Por otro lado, las aleaciones de las series 2000, 6000 y 7000 son más susceptibles al agrietamiento en caliente, tienen soldadura deficiente formación de costuras, y experimentan una reducción significativa de la dureza por envejecimiento tras la soldadura.

Por lo tanto, es crucial adoptar las medidas tecnológicas adecuadas para la soldadura de aleaciones de aluminio y seleccionar el método de soldadura y el material de aportación correctos para conseguir una buena uniones soldadas. Antes de soldar, el material debe someterse a tratamiento superficialLa limpieza de la suciedad puede realizarse mediante disolventes orgánicos, inmersión en una solución de NaOH, aclarado de la superficie con agua corriente y tratamiento fotoquímico.

Las soldaduras procesadas también deben someterse a proceso de soldadura experimentos en 24 horas.

Aplicación de la estructura de soldadura láser de la aleación de aluminio

Desde la década de 1990, los avances científicos y tecnológicos y el desarrollo de láseres de alta potencia y brillo han propiciado el crecimiento de la industria del láser. tecnología de soldadura y su creciente madurez en términos de integración, inteligencia, flexibilidad y diversidad. Cada vez se presta más atención a la aplicación de la soldadura láser en estructuras de aleación de aluminio en diversas industrias tanto nacionales como internacionales.

Actualmente, algunos fabricantes de automóviles de China ya han adoptado la tecnología de soldadura láser en algunos de sus nuevos modelos. Como tecnología de soldadura láser para chapas gruesas de aleación de aluminio sigue desarrollándose, se espera que en el futuro se utilice para la estructura de vehículos blindados.

Con el fin de conseguir una fabricación ligera, la aplicación e investigación de la soldadura láser en estructuras sándwich de aleación de aluminio es un foco de investigación actual en la fabricación estructural de barcos y trenes de alta velocidad.

Las aleaciones de aluminio también material metálico para estructuras aeroespaciales, razón por la cual países desarrollados como Japón, Estados Unidos, Gran Bretaña y Alemania ponen un gran énfasis en la investigación de la tecnología de soldadura láser de aleaciones de aluminio.

Con el avance de soldadura láser de fibra la tecnología de soldadura por láser de fibra y la tecnología de soldadura híbrida por arco láser se han convertido en el centro de la tecnología de soldadura de aleaciones de aluminio en el campo de la fabricación aeronáutica en los países avanzados, en particular para la soldadura de chapas gruesas y la soldadura de metales distintos.

Por ejemplo, el proyecto estadounidense NALI investiga la tecnología de soldadura por láser de fibra y soldadura híbrida por arco láser para la estructura de la cámara de combustión de los motores de aviones civiles y JSF.

Características de la soldadura láser de aleaciones de aluminio

En comparación con la soldadura por fusión convencional, la soldadura láser de aleaciones de aluminio ofrece ventajas como el calentamiento concentrado, una gran relación profundidad/anchura de soldadura y una menor deformación de la estructura de soldadura. Sin embargo, también existen algunas limitaciones, entre ellas:

  • El pequeño diámetro del enfoque láser requiere una gran precisión en la soldadura y el ensamblaje de la pieza. Por lo general, la separación de montaje y la desalineación deben ser inferiores a 0,1 mm o 10% del grosor de la placa, lo que supone un reto a la hora de implementar estructuras de soldadura tridimensionales complejas.
  • La alta reflectividad de las aleaciones de aluminio al láser, hasta 90% a temperatura ambiente, significa que la penetración profunda del láser soldadura de aluminio aleaciones requiere una gran potencia.

La investigación sobre la soldadura láser de chapas de aleación de aluminio muestra que:

La soldadura por penetración profunda con láser de aleaciones de aluminio depende tanto de la densidad de potencia del láser como de la energía lineal. Estos dos factores influyen conjuntamente en el comportamiento del baño de fusión durante el proceso de soldadura y se reflejan en las características de la soldadura.

Para optimizar la soldadura de penetración total proceso, la relación de anchura posterior de los parámetros característicos de formación de la soldadura puede utilizarse para evaluar su eficacia.

  • Las aleaciones de aluminio tienen un punto de fusión bajo y una buena fluidez de metal líquido, lo que puede dar lugar a una fuerte vaporización del metal bajo la influencia de láseres de alta potencia. La nube de vapor metálico/plasma fotoinducido que se forma con el efecto ojo de cerradura puede afectar a la absorción del láser energía por la aleación de aluminio durante la soldadura, provocando inestabilidad en el proceso de soldadura por penetración profunda y dando lugar a defectos como porosidad, colapso de la superficie y socavado.
  • La soldadura por láser tiene velocidades de calentamiento y enfriamiento rápidas, lo que da como resultado una mayor dureza de la soldadura en comparación con la soldadura por arco. Sin embargo, la pérdida por quemado de elementos de aleación durante la soldadura láser de aleaciones de aluminio puede afectar a su efecto de refuerzo, lo que provoca una reducción de la resistencia de la unión soldada de aleaciones de aluminio debido al reblandecimiento.

Por lo tanto, el principal reto en la soldadura láser de aleaciones de aluminio es controlar defectos de soldadura y mejorar las propiedades de las uniones soldadas.

Los principales problemas existentes en la soldadura láser de aleaciones de aluminio

La soldadura láser utiliza el láser como fuente de luz de alta densidad que ofrece un calentamiento rápido y una solidificación instantánea, con una relación de aspecto de hasta 12:1. Sin embargo, debido a la alta reflectividad y a la buena térmica conductividad del aluminio aleaciones, así como el efecto de blindaje del plasma, es probable que se produzcan defectos durante el proceso de soldadura.

Los dos defectos más significativos son los poros y las grietas térmicas. El reto en la soldadura láser de aleaciones de aluminio es mejorar eficazmente la absorción de la luz láser por parte del material debido a su fuerte reflexión.

En proceso de soldadura láser para aleaciones de aluminio es más compleja, y es crucial mejorarla y perfeccionarla debido a las características de la propia aleación de aluminio.

Tasa de absorción del láser

Cuanto mayor sea la tasa de absorción del láser por el material, o cuanto menor sea el coeficiente de transferencia de calor y el coeficiente de conductividad de la temperatura, más fácilmente absorberá la superficie del material la energía láser, lo que provocará un rápido aumento de la temperatura de la superficie y la fusión o evaporación del material.

La tabla 1 muestra la reflectividad de varios metales a láseres con diferentes longitudes de onda.

Tabla 1 La reflectividad de los metales a los láseres de diferentes longitudes de onda a temperatura ambiente (%)

λ/μmAgAlCuCrNiAcero
0.7957782566858
1.06978091587563
10.6999898939593

La reflectividad de diferentes metales disminuye a medida que la longitud de onda se acorta, siendo la reflectividad de Ag, Al y Cu a la luz láser de hasta 90% o más. Esto aumenta significativamente la dificultad de procesamiento láser.

A temperatura ambiente, la tasa de absorción de CO2 por las aleaciones de aluminio es muy baja, con 98% de la energía láser reflejada por la superficie de la aleación de aluminio. La reflectividad de los láseres Nd:YAG es también de hasta 80%.

Está claro que las aleaciones de aluminio tienen una alta reflectividad a la luz láser y una baja tasa de absorción, debido a su alta densidad de electrones libres. La fuerte vibración de las ondas electromagnéticas de la luz da lugar a la generación de ondas reflejadas fuertes y ondas transmitidas más débiles. Las ondas reflejadas no son fácilmente absorbidas por la superficie de la aleación de aluminio, lo que da lugar a su alta reflectividad a los láseres a temperatura ambiente.

Inducción y estabilización de "pequeños agujeros"

En el proceso de soldadura lásercuando la densidad de energía del láser es superior a 3,5 * 106W/cm2se generarán iones. Este método de soldadura se realiza mediante soldadura de penetración profunda y se basa en el efecto de "pequeños agujeros". La presencia de "pequeños orificios" aumenta significativamente la tasa de absorción del láser por parte del material y da lugar a un buen efecto de soldadura mediante la fusión de la pieza soldada con una alta densidad de energía.

El principal reto en la soldadura láser de aleaciones de aluminio es inducir y mantener la estabilidad de los agujeros pequeños, lo que se debe tanto a la propiedades del material de las aleaciones de aluminio y las propiedades ópticas del rayo láser. Como se ha mencionado anteriormente, el aluminio refleja 80% de energía a temperatura ambiente y tiene una buena conductividad térmica, lo que requiere un gran umbral de densidad de energía láser para producir "pequeños agujeros."

Una vez que la potencia de entrada supera este valor, la transmisión de la energía láser al material deja de estar limitada por la conducción del calor, y la soldadura se realiza por penetración profunda. La dirección radiación láser provoca una fuerte evaporación del metal base y forma una ranura de evaporación. El rayo láser penetra en el material a través de este surco, lo que se traduce en un fuerte aumento tanto de la profundidad como de la eficacia de la soldadura.

Para materiales altamente reflectantes, como las aleaciones de aluminio y las aleaciones de cobre, se requiere una gran densidad de potencia durante la soldadura. Esto impone ciertos requisitos a la hora de seleccionar los modelos de soldadura y las lentes de colimación y enfoque.

Propiedades mecánicas de las soldaduras

El refuerzo por refinamiento, el refuerzo por solución sólida y el refuerzo por precipitación por envejecimiento son tres formas diferentes de reforzar las aleaciones de aluminio. A pesar de estos mecanismos, la gran cantidad de evaporación de elementos de aleación de bajo punto de fusión, como el Mg y el Zn, durante la soldadura láser provoca el hundimiento de la soldadura y reduce su dureza y resistencia.

Durante el proceso de solidificación rápida, la transformación de la estructura reforzada de grano fino en una estructura en bruto provoca una disminución de la dureza y la resistencia. Además, la presencia de grietas y poros en la soldadura disminuye la resistencia a la tracción.

En conclusión, el reblandecimiento de las juntas es otro reto en la soldadura láser de aleaciones de aluminio.

Estoma

Existen dos tipos principales de poros en el proceso de soldadura láser de aleaciones de aluminio: los poros de gas hidrógeno y los poros de colapso de ojo de cerradura.

(1) Poros de hidrógeno: Las aleaciones de aluminio forman una película de óxido en su superficie a altas temperaturas, que absorbe fácilmente la humedad del ambiente. Cuando se calienta con un láser, el agua se descompone en hidrógeno, y la solubilidad del hidrógeno en el aluminio líquido es unas 20 veces mayor que en el aluminio sólido. Durante la rápida solidificación de la aleación, la solubilidad del hidrógeno disminuye drásticamente al pasar del aluminio líquido al estado sólido. Si el exceso de hidrógeno en el aluminio líquido no asciende y rebosa suavemente, formará poros de hidrógeno. Estos poros suelen tener una forma regular y un tamaño mayor que el de las dendritas, y en la superficie interior pueden verse los patrones de solidificación de las dendritas.

(2) Colapso del ojo de la cerradura: El orificio de soldadura está en equilibrio con su propia gravedad y la presión atmosférica. Una vez que se rompe este equilibrio, el metal líquido del baño de fusión no puede fluir y rellenarse a tiempo, lo que da lugar a agujeros irregulares. Los estudios han descubierto que el contenido de magnesio de la pared interior del agujero es aproximadamente 4 veces superior al de las proximidades de la soldadura. Debido a que la velocidad de enfriamiento de la soldadura láser es demasiado rápida, el problema de los poros de gas hidrógeno es más grave, y hay más agujeros causados por el colapso de pequeños agujeros en la soldadura láser.

Fisuración térmica

La aleación de aluminio es una aleación eutéctica común que es propensa a grietas calientes durante la soldadura, incluidas las grietas de cristalización de la soldadura y las grietas de licuefacción de la ZAC (Zona Afectada por el Calor). Normalmente, las grietas de cristalización aparecen en la zona de soldadura, mientras que las grietas de licuefacción aparecen cerca de la unión. Entre las aleaciones de aluminio, las aleaciones Al-Mg-Si de la serie 6000 son especialmente susceptibles al agrietamiento.

El metal base se somete a un calentamiento y enfriamiento rápidos, lo que puede dar lugar a un proceso instantáneo de solidificación y cristalización. El alto grado de subenfriamiento durante este proceso hace que los granos de cristal crezcan perpendiculares al centro de la soldadura, formando compuestos eutécticos de baja fusión como Al-Si o Mg-Si, Al-Mg2Si y otros. Esto debilita la fuerza de unión del plano cristalino, haciéndolo más propenso a las grietas cristalinas bajo tensión térmica.

En el aluminio soldadura de aleación los elementos de bajo punto de ebullición, como el Mg, el Zn, el Mn y el Si, se evaporan y queman con facilidad. Cuanto más lenta sea la velocidad de soldadura, más grave será la combustión, lo que modifica la composición química del metal de soldadura. Debido a la segregación de componentes en la zona de soldadura, se produce segregación eutéctica y fusión del límite de grano, lo que provoca grietas de licuefacción en el límite de grano bajo tensión, reduciendo el rendimiento de la unión soldada.

Proceso de soldadura láser de aleaciones de aluminio

Para lograr una soldadura láser satisfactoria de las aleaciones de aluminio y abordar los problemas mencionados anteriormente, se suelen adoptar varios enfoques.

Dispositivo de protección contra gases

Uno de los factores más importantes que afectan a la pérdida de elementos de bajo punto de fusión en las aleaciones de aluminio durante la soldadura es la presión del gas expulsado por la boquilla. Para mitigar este problema, se puede reducir el diámetro de la boquilla y aumentar la presión y el caudal del gas. Esto reducirá la pérdida por combustión de elementos como el Mg y el Zn durante el proceso de soldadura, y también aumentará la penetración.

Existen dos métodos de soplado: soplado directo y soplado lateral. Además, es posible soplar simultáneamente hacia arriba y hacia abajo de la pieza soldada. La elección del método de soplado debe determinarse en función de las circunstancias específicas de la soldadura.

Tratamiento de superficies

La aleación de aluminio tiene una fuerte reacción a la energía láser. Preparación adecuada de la superficie de la aleación de aluminio, como la oxidación anódica, pulido electrolítico, chorro de arena, etc., pueden mejorar en gran medida la absorción de energía del haz en la superficie.

Las investigaciones han demostrado que la eliminación de la película de óxido de las aleaciones de aluminio aumenta su tendencia a formar grietas de cristalización. Para evitar dañar el estado de la superficie de la aleación de aluminio y, al mismo tiempo, simplificar el proceso de soldadura láser, se puede aumentar la temperatura de la superficie de la pieza antes de soldarla, lo que mejorará la tasa de absorción del láser por parte del material.

Parámetros láser

La soldadura láser se divide en dos categorías: láser pulsado y láser continuo. Los láseres pulsados con una longitud de onda de 1064 nm tienen un haz muy concentrado, y la energía de punto único del pulso es mayor que la de los láseres continuos. Sin embargo, la energía de los láseres pulsados suele ser limitada, por lo que son más adecuados para soldar materiales de paredes finas.

Soldadura por impulsos

Al realizar una soldadura láser, es importante seleccionar la forma de onda de soldadura adecuada. Las formas de onda de pulso más comunes son la onda cuadrada, la onda de pico y la onda de doble pico. Normalmente, las ondas de pulso duran milisegundos. Durante un pulso láser, la reflectividad del metal cambia drásticamente. Las aleaciones de aluminio tienen una alta reflectividad a la luz, lo que significa que 60-98% de la energía láser que incide en la superficie del material puede perderse debido a la reflexión. Esta reflectividad cambia con la temperatura de la superficie.

La onda aguda y la onda de doble pico son las mejores opciones para soldar aleaciones de aluminio, ya que la fase ascendente de la onda proporciona más energía para fundir la aleación de aluminio. Una vez que se forma un "pequeño orificio" en la pieza, la tasa de absorción del metal líquido al láser aumenta rápidamente durante la soldadura de penetración profunda. En este punto, es importante reducir rápidamente la energía del láser y realizar la soldadura a baja potencia para evitar salpicaduras.

La parte de ralentización de la forma de onda de soldadura tiene una anchura de impulso mayor, lo que reduce eficazmente la formación de poros y grietas. Esta forma de onda hace que la soldadura se funda y solidifique repetidamente, reduciendo la velocidad de solidificación del baño de fusión. La forma de onda puede ajustarse según sea necesario al soldar diferentes tipos de muestras.

Forma de onda de impulsos de soldadura de aleación de aluminio

Figura 1 Forma de onda del impulso de soldadura de una aleación de aluminio

Seleccionar la cantidad adecuada de desenfocar también puede minimizar la formación de poros. El cambio en el desenfoque tiene un impacto significativo en la formación de la superficie de soldadura y la penetración. El desenfoque negativo puede aumentar la penetración, mientras que el desenfoque positivo en la soldadura por pulsos puede hacer que la superficie de soldadura sea más lisa y visualmente más atractiva.

Debido a la alta reflectividad de las aleaciones de aluminio a la energía láser, el cabezal de soldadura suele estar inclinado para evitar que el haz láser se refleje verticalmente y dañe el enfoque láser lente. El diámetro de la unión soldada y la superficie de unión efectiva aumentan a medida que aumenta el ángulo de inclinación del láser. Cuando el ángulo de inclinación del láser es de 40° se alcanzan la mayor unión soldada y la mayor superficie de unión efectiva. Sin embargo, la penetración del punto de soldadura y la penetración efectiva disminuyen con el aumento del ángulo de inclinación del láser, y cuando supera los 60°, la penetración efectiva del punto de soldadura y la penetración efectiva disminuyen con el aumento del ángulo de inclinación del láser. penetración de la soldadura disminuye hasta cero. Inclinar el cabezal de soldadura hacia un ángulo determinado puede aumentar la profundidad de penetración y la anchura de la soldadura.

Además, es importante señalar que cuanto mayor sea la velocidad de soldadura, mayor será el riesgo de fisuración. Esto se debe a que una velocidad de soldadura rápida provoca un gran grado de subenfriamiento, lo que hace que los granos de la zona de soldadura se refinen y que crezca un gran número de "cristales de haz" en la misma dirección, lo que aumenta la probabilidad de que se formen grietas en el plano cristalino entre estos cristales de haz. Si la velocidad de soldadura es demasiado rápida, la profundidad de penetración de la soldadura será relativamente escasa.

Soldadura en modo continuo

La soldadura láser tradicional puede provocar fragilización o grietas. En cambio, la soldadura láser continua no tiene el mismo proceso repentino de enfriamiento y calentamiento que la soldadura láser pulsada, lo que provoca menos grietas durante el proceso de soldadura. Además, la soldadura por láser de fibra de la mayoría de las aleaciones de aluminio mejora la tenacidad después de la soldadura y reduce el riesgo de fragilidad.

La soldadura por láser pulsado es adecuada para soldar aluminio puro industrial, con poco riesgo de grietas tras la soldadura. Sin embargo, algunas industrias pueden requerir un pulido superficial posterior a la soldadura, y la soldadura por láser pulsado puede causar abolladuras y aumentar la cantidad de pulido necesario, lo que conlleva un aumento del tiempo de procesamiento y de los costes de producción. Los láseres continuos pueden resolver estos problemas.

Como se muestra en la Figura 2, la comparación de la costura de soldadura de la carcasa de la batería tras la soldadura láser por impulsos y la soldadura láser continua demuestra las ventajas de la soldadura láser continua. Las juntas de soldadura por impulsos son desiguales y presentan superficies socavadas y abolladas, con muchas salpicaduras, y una menor resistencia posterior a la soldadura. En cambio, la soldadura láser continua da como resultado una superficie lisa y uniforme. costura de soldadura superficie, libre de defectos y salpicaduras, sin que se encuentren grietas en el cordón de soldadura.

Soldadura por impulsos y en continuo de la aleación Al-Mn

Figura 2 Pulso y soldadura continua de la aleación Al-Mn

Los cráteres de arco son habituales durante soldadura por arco de argóny lo mismo puede ocurrir durante la soldadura láser. Para minimizar la aparición de pequeños cráteres, se puede establecer una fase de subida y bajada lentas en la forma de onda durante la soldadura, y aumentar la velocidad de soldadura según sea necesario.

La soldadura láser en continuo presenta numerosas ventajas a la hora de soldar aleaciones de aluminio. En comparación con la soldadura métodos de soldaduraLa soldadura láser continua es más eficaz y elimina la necesidad de rellenar el alambre. En comparación con la soldadura láser pulsada, la soldadura láser continua elimina defectos como grietas, poros y salpicaduras, y garantiza que la aleación de aluminio tenga buenas propiedades mecánicas después de la soldadura. Además, no habrá abolladuras después de la soldadura y se reduce la cantidad de pulido y esmerilado necesarios, lo que ahorra en costes de producción.

Sin embargo, es importante tener en cuenta que los láseres continuos tienen un tamaño de punto relativamente pequeño, por lo que la precisión de ensamblaje de la pieza debe ser alta.

Introducción de elementos de aleación

La prevención de grietas térmicas es una tecnología crítica para la soldadura láser de aleaciones de aluminio, especialmente para las aleaciones de la serie 6000 que son muy sensibles a las grietas. Si el contenido de ω(Mg2Si) alcanza 1%, es probable que se produzcan grietas en caliente. Para reducir el riesgo de grietas, se pueden añadir elementos de aleación adecuados para ajustar la composición química del baño de fusión, como añadir polvo de Al-Si o Al-Mg-Si.

Además, la alimentación de alambre puede mejorar el efecto de la soldadura y producir un cordón de soldadura uniforme con una dureza mejorada. La introducción de material de relleno aumenta el contenido de Mg y Si en la dendrita en el zona de fusión, lo que conlleva un aumento de la resistencia de la junta debido al efecto de refuerzo de la solución sólida β".

Normalmente, las aleaciones de aluminio 6063 y 6082 se rellenan con alambres de soldadura Al-5Si y Al-7Si, mientras que las placas 6013 y 6056 se sueldan con CO2 y Nd: YAG, respectivamente, y rellenados con alambres de soldadura Al-12Si.

Otros métodos de proceso

Estabilidad y calidad en la soldadura láser de aleaciones de aluminio.

El objetivo actual de la investigación en soldadura láser de aleaciones de aluminio es el uso de un proceso compuesto que combine la alta densidad de energía de los haces láser con el rango de calentamiento más amplio de los arcos, utilizando los puntos fuertes de ambas fuentes de calor y mejorando sus características de alta densidad de energía y arcos estables.

Para materiales con alta reflectividad, como la aleación de aluminio, la soldadura láser híbrida puede precalentar o fundir la superficie del material utilizando la energía del arco, mejorando significativamente la absorción de la energía láser por la aleación de aluminio.

Shida et al. utilizaron con éxito un láser de CO2 de 10 kW junto con arcos TIG y MIG para soldar aluminio aleaciones. La introducción de arcos mejoró el índice de utilización de la energía láser y aumentó el índice de penetración de la soldadura en 5-20%. El resultado fue una superficie de soldadura lisa y bien formada.

La soldadura híbrida por láser amplía el tamaño del baño de fusión y modifica las condiciones de flujo del material en estado fundido mediante el acoplamiento de haces y arcos láser, lo que resulta beneficioso para eliminar los poros.

La eliminación de los orificios de aire en la soldadura de aleaciones de aluminio también puede lograrse mediante la soldadura de doble haz. Para la soldadura de doble haz se utilizó un láser de fibra continua de 6 kW. soldadura a tope de aleación de aluminio 5052, y se estudiaron los efectos de los modos de soldadura de dos haces en paralelo y en serie y de las diferentes velocidades de soldadura sobre la morfología y la estructura del cordón. La investigación descubrió que la soldadura paralela de dos haces producía grandes agujeros en las soldaduras, mientras que la soldadura en serie de aleaciones de aluminio producía una buena formación de la soldadura sin poros.

Tecnología de control de defectos en la soldadura láser de aleaciones de aluminio

Bajo la influencia de láseres de alta potencia, los principales defectos en la soldadura por penetración profunda con láser de aleaciones de aluminio son la porosidad, el colapso de la superficie y la socavación. Los defectos de colapso superficial y socavado pueden mejorarse mediante la soldadura láser de relleno con alambre o la soldadura híbrida por arco láser. Sin embargo, controlar los defectos de porosidad es todo un reto.

Las investigaciones han demostrado que existen dos tipos de poros característicos en la soldadura por penetración profunda con láser de aleaciones de aluminio. Un tipo son los poros metalúrgicos, causados por la contaminación del material o la intrusión de aire durante el proceso de soldadura, similar a la soldadura por fusión de arco. El otro tipo es la porosidad de proceso, causada por la fluctuación inestable de pequeños orificios inherente al proceso de soldadura por penetración profunda con láser.

Durante la soldadura por penetración profunda con láser, el pequeño orificio suele ir a la zaga del movimiento del haz debido a la viscosidad del metal líquido, y su diámetro y profundidad fluctúan bajo la influencia del plasma/vapor de metal. A medida que el haz se mueve y fluye el metal del baño fundido, la soldadura de penetración profunda incompleta se cierra debido al flujo del metal del baño fundido, provocando la aparición de burbujas en la punta del pequeño orificio. En la soldadura de penetración profunda completa, las burbujas aparecen en la cintura del pequeño orificio del centro.

Estas burbujas migran y ruedan con el flujo de metal líquido, escapan de la superficie del baño de fusión o son empujadas hacia el interior del pequeño orificio. Cuando las burbujas son solidificadas por el baño de fusión y capturadas por el frente metálico, se convierten en poros de soldadura.

Los poros metalúrgicos pueden controlarse mediante un tratamiento superficial previo a la soldadura y una protección adecuada contra los gases durante el proceso de soldadura. La clave para controlar los poros del proceso es garantizar la estabilidad durante el proceso de soldadura por penetración profunda con láser.

De acuerdo con la investigación sobre la tecnología nacional de soldadura láser, el control de los agujeros de aire en la soldadura por penetración profunda con láser de aleaciones de aluminio requiere la consideración de todos los eslabones, incluyendo antes de la soldadura, el proceso de soldadura y el tratamiento posterior a la soldadura. Esto puede lograrse mediante los siguientes nuevos procesos y tecnologías.

Método de tratamiento previo a la soldadura

El tratamiento superficial previo a la soldadura es un método eficaz para controlar los poros metalúrgicos en la soldadura láser de aleaciones de aluminio. Los métodos habituales de tratamiento de superficies incluyen la limpieza física mecánica y la limpieza química. Recientemente, también ha surgido la limpieza por impacto láser, que mejora aún más la automatización de la soldadura láser.

Control de la optimización de la estabilidad de los parámetros

Los parámetros del proceso de soldadura láser de aleaciones de aluminio suelen incluir la potencia del láser, el desenfoque, la velocidad de soldadura y la composición y el flujo del gas de protección. Estos parámetros no sólo influyen en el efecto protector de la zona de soldadura, sino que también afectan a la estabilidad del proceso de soldadura por penetración profunda con láser, que a su vez afecta a porosidad de la soldadura.

Mediante la soldadura por penetración profunda con láser de chapas de aleación de aluminio, se ha descubierto que la estabilidad de la penetración de pequeños orificios influye en la estabilidad del baño de fusión, lo que repercute en la formación de la soldadura y da lugar a defectos de porosidad. Además, la estabilidad de la soldadura por penetración profunda con láser está relacionada con la adecuación de la densidad de potencia láser y la energía lineal.

Por lo tanto, la determinación de parámetros de proceso razonables para la formación de soldaduras estables es un método eficaz para controlar la porosidad de la soldadura láser de aleaciones de aluminio. Los resultados de la investigación sobre las características de formación de soldaduras estables de penetración total han demostrado que la relación entre la anchura de la parte posterior de la soldadura y la anchura de la superficie de la soldadura (relación de anchura de la parte posterior de la soldadura) se puede utilizar para evaluar la formación de la soldadura y la estabilidad de las chapas de aleación de aluminio.

Al ajustar adecuadamente la densidad de potencia láser y la energía de línea durante la soldadura láser de placas finas, se puede garantizar una determinada relación de anchura de retroceso de la soldadura, controlando eficazmente la porosidad de la soldadura.

Soldadura láser por puntos dobles

La soldadura láser por puntos dobles se refiere a un proceso de soldadura en el que dos haces láser enfocados actúan simultáneamente sobre el mismo baño de soldadura. En la soldadura por penetración profunda con láser, una de las principales causas de la porosidad de la soldadura es el cierre de gas en el pequeño orificio del baño de soldadura.

Al utilizar la soldadura láser de doble punto, la apertura del pequeño orificio aumenta debido a la influencia de dos fuentes de luz, lo que facilita la salida del vapor metálico interno y mejora la estabilidad del pequeño orificio, reduciendo así la porosidad de la soldadura.

Los estudios sobre la soldadura láser de las aleaciones de aluminio A356, AA5083, 2024 y 5A90 han demostrado que la soldadura láser de doble punto puede reducir significativamente la porosidad de la soldadura.

Soldadura híbrida por arco láser

La soldadura híbrida láser-arco es un método de soldadura en el que tanto el láser como el arco influyen en el mismo baño de fusión. Normalmente, el láser es la principal fuente de calor, y la interacción entre el láser y el arco mejora la penetración y la velocidad de soldadura de la soldadura láser, al tiempo que reduce la precisión del ensamblaje de la soldadura.

El uso de alambre de relleno ayuda a controlar la microestructura y las propiedades de las juntas soldadas, y el efecto auxiliar del arco mejora la estabilidad de los orificios de soldadura láser, contribuyendo a reducir la porosidad de la soldadura.

En el proceso de soldadura híbrida por arco láser, el arco afecta a la nube de vapor metálico/plasma generada por el proceso láser, favoreciendo la absorción de la energía láser y la estabilidad de los pequeños orificios.

Los estudios sobre la soldadura híbrida por arco láser de aleaciones de aluminio han confirmado su eficacia para reducir la porosidad de la soldadura.

Soldadura por láser de fibra

El efecto de ojo de cerradura en la soldadura por penetración profunda con láser se produce debido a la fuerte vaporización del metal bajo la influencia del láser. La fuerza de vaporización del metal está estrechamente relacionada con la densidad de potencia del láser y la calidad del haz, lo que afecta tanto a la penetración de la soldadura láser como a la estabilidad de los orificios.

Seiji et al. estudiaron el acero inoxidable SUS304 láser de fibra de alta potencia y demostraron que:

Durante la soldadura a alta velocidad, el baño de fusión se alarga, las salpicaduras se controlan, las fluctuaciones del orificio pequeño son estables y no hay burbujas en la punta del orificio pequeño. Cuando se utiliza un láser de fibra para la soldadura de alta velocidad soldadura de titanio y aleaciones de aluminio, también se puede producir una soldadura sin poros.

Investigación sobre gas protector tecnología de control para la soldadura por láser de fibra de aleaciones de titanio por Allen et al. s¿Qué te parece?

Al controlar la posición del gas de protección de soldaduraDe este modo, es posible evitar la implicación de gas, disminuir el tiempo de cierre del pequeño orificio, estabilizar el pequeño orificio de soldadura y alterar el comportamiento de solidificación del baño de fusión, reduciendo así la porosidad de la soldadura.

Soldadura por láser pulsado

En comparación con la soldadura láser continua, el modo de pulso de la salida láser puede mejorar el flujo periódico y constante del baño de fusión, lo que ayuda a la liberación de burbujas y reduce la porosidad de la soldadura.

T.Y. Kuo y S.L. Jeng investigaron el impacto del modo de salida de potencia de soldadura láser YAG sobre la porosidad y las características de las soldaduras realizadas con SUS 304L acero inoxidable y superaleación Inconel 690.

Los resultados indican que para la soldadura por láser de pulsos de onda cuadrada, a medida que la potencia de base aumenta hasta 1700W, la porosidad de la soldadura disminuye con el aumento de la amplitud del pulso ΔP. Concretamente, la porosidad del acero inoxidable disminuye de 2,1% a 0,5%, y la de la superaleación disminuye de 7,1% a 0,5%.

Tecnología de tratamiento de compuestos posterior a la soldadura

En aplicaciones prácticas de ingeniería, a pesar del estricto tratamiento de la superficie antes de la soldadura y de un proceso de soldadura estable, la porosidad sigue siendo un problema común en la soldadura láser de aleaciones de aluminio.

Por lo tanto, los métodos de tratamiento post-soldadura para eliminar la porosidad son cruciales.

Actualmente, el principal método utilizado es la soldadura modificada.

Uno de estos métodos para eliminar la porosidad interna y por contracción en el aluminio fundiciones de aleación es la tecnología de prensado isostático en caliente.

Al combinar esto con el tratamiento térmico de tensión después de la soldadura láser de aleación de aluminio, se forma un proceso compuesto de prensado isostático en caliente y tratamiento térmico de componentes de soldadura láser de aleación de aluminio. Esto no solo elimina la porosidad de la soldadura, sino que también mejora el rendimiento de la unión.

Conclusión

La aplicación de la soldadura láser de alta potencia en aleaciones de aluminio sigue planteando muchos retos debido a sus características únicas.

Uno de los principales retos es controlar los defectos de porosidad de la soldadura y mejorar calidad de soldadura.

Para mejorar la estabilidad del proceso de soldadura y controlar la porosidad en la soldadura láser de aleaciones de aluminio, es esencial un enfoque global que tenga en cuenta todos los aspectos, desde la presoldadura hasta el proceso de soldadura y el tratamiento postsoldadura.

Para hacer frente a este reto, se han desarrollado varias tecnologías y procesos nuevos, como la limpieza por láser antes de la soldadura, la optimización de los parámetros del proceso de soldadura mediante el control de la relación de anchura de retroceso, la soldadura por láser de doble haz, la soldadura híbrida láser-arco, la soldadura por láser de pulsos y láser de fibra óptica soldadura.

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Shane
Autor

Shane

Fundador de MachineMFG

Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.

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