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Desenfoque láser: impacto en la calidad del haz y la soldadura

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1. Prefacio

La tecnología láser es uno de los cuatro grandes avances tecnológicos del siglo XX, junto con los ordenadores, los semiconductores y las tecnologías de energía atómica. A lo largo de los años, se ha adoptado ampliamente en los campos de las comunicaciones ópticas, los tratamientos médicos, las pruebas y el procesamiento de materiales.

En los últimos años, el desarrollo de la tecnología láser en el campo del procesamiento de materiales ha sido especialmente impresionante, con aplicaciones como el marcado, el corte, el taladrado y la soldadura por láser. Entre ellas, soldadura láser se ha hecho especialmente popular, ya que tiene varias ventajas únicas sobre los métodos de soldadura tradicionales, como la soldadura por arco de argón y la soldadura por resistencia.

Los beneficios de soldadura láser incluyen un pequeño rango de influencia térmica, la capacidad de producir soldaduras con grandes relaciones de aspecto, una alta resistencia de la soldadura y una resistencia de la unión que puede alcanzar o superar la resistencia del material base. Además, los haces láser pueden transmitirse fácilmente a través de fibras ópticas de alta energía, lo que permite automatizar la proceso de soldadura.

Soldadura láser suele emplear láseres de CO2, láseres de disco, láseres de Nd: YAG, láseres de fibra y láseres semiconductores. Entre ellos, los láseres de fibra son un desarrollo relativamente nuevo en la tecnología láser, con una alta eficiencia de conversión fotoeléctrica de 30% y un tamaño compacto. Requieren poco mantenimiento, tienen una larga vida útil y se suelen utilizar para soldadura de acero inoxidable y aleaciones de aluminio.

Los láseres de fibra de pulso cuasicontinuo son un nuevo tipo de láser desarrollada por la empresa estadounidense IPG en los últimos años. Ofrecen picos de potencia elevados y anchuras de pulso de hasta milisegundos, lo que las hace muy adecuadas para la soldadura de metales y otros procesamientos de materiales. Aunque se utilizan mucho para la soldadura electrónica de precisión, la investigación sobre el proceso de soldadura en detalle es limitada.

En este estudio, el enfoque, que es un factor crítico en el proceso de soldadura, se utiliza como punto de partida para investigar la diferencia en la calidad del haz láser bajo diferentes condiciones de enfoque y su impacto en el efecto de soldadura.

2. Equipos de soldadura y preparación de ensayos

(1) Equipo de soldadura

Este artículo utiliza un pulso cuasi-continuo de 150W láser de fibra como fuente de luz de soldadura. Las especificaciones técnicas del láser figuran en la Tabla 1.

Tabla 1 Parámetros técnicos del láser

Potencia media /W150
Potencia de pico /W500
Ancho de pulso /ms0.2-20
Frecuencia/ Hz0-2500
Método de refrigeraciónRefrigeración por aire
Calidad del haz BPP/mm*mrad1-2

En procesamiento láser El cabezal se desplaza con respecto a la pieza de trabajo mediante el funcionamiento de la plataforma móvil X/Y/Z para realizar la soldadura de la pista. El cabezal de procesamiento láser y la señal de salida del láser están conectados a través de una tarjeta de control de movimiento, lo que significa que después de posicionarse en un lugar específico, el láser emite luz para soldar.

(2) Materiales de soldadura

En este artículo, Acero inoxidable 304 como material de ensayo, aplicando un método de soldadura solapada. El espesor del material superior es de 0,2 mm, el espesor del material inferior es de 0,5 mm, y las dimensiones del material son 100 mm x 50 mm.

Antes de soldar, se limpia la superficie del material con acetona y alcohol para eliminar cualquier impureza, como manchas de aceite. Se utiliza una fijación de fabricación propia para comprimir las capas superior e inferior del material, reduciendo cualquier hueco entre las dos capas y garantizando la precisión y fiabilidad de los resultados de las pruebas de soldadura.

(3) Confirme la posición de enfoque del láser

Los principales factores que influyen en el resultado de la soldadura láser son la potencia pico del láser, la anchura del pulso, y desenfocar (la distancia entre el foco láser y la superficie de la pieza), siendo el desenfoque un factor especialmente crucial.

El desenfoque se define como positivo cuando el foco está por encima de la superficie de la pieza, y negativo cuando está por debajo de la superficie.

El método más fiable para determinar la posición del enfoque láser es el método de calibración láser del triángulo de acero inoxidable. Este método consiste en utilizar un láser de baja energía (50 W) para hacer un punto en el acero inoxidable, con la chispa más fuerte indicando la ubicación del foco láser. A continuación, se coloca un bloque triangular de acero inoxidable cerca del foco láser y se utiliza un rayo láser para trazar una línea en el bloque, separada aproximadamente 2 mm de 0,5 mm. La anchura más estrecha de la línea se mide con un microscopio, y esta medida representa el foco láser.

3. Efecto del desenfoque en la calidad del haz

La calidad del haz láser se comprueba con un analizador de haz, una sonda láser y un atenuador láser. La sonda láser se coloca primero en el foco láser para la prueba y, a continuación, el cabezal de procesamiento láser se eleva 1 mm cada vez, con el desenfoque ajustado a 0 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm y 4 mm.

Los resultados de la prueba, que muestran la distribución de las vigas, se presentan en la figura 1.

Cambios en la calidad del haz con el desenfoque

Figura 1 Cambios en la calidad del haz con el desenfoque

Cuando el desenfoque se fija en 0 mm, la energía láser se concentra principalmente en el centro del punto. A medida que aumenta el desenfoque, la distribución de la energía láser en el punto es cada vez más uniforme. Con un desenfoque de 3 mm, la distribución de la energía láser en el punto es la más equilibrada. Sin embargo, cuando el desenfoque aumenta a 4 mm, la distribución de la energía láser se vuelve desigual.

4. Tl efecto del desenfoque en el efecto de soldadura

(1) La cantidad de desenfoque afecta a las juntas de soldadura

La pieza se coloca en el foco del láser y se ajustan la potencia pico y la anchura de pulso del láser. A continuación, se hace un punto en la muestra de acero inoxidable aumentando gradualmente la potencia y la anchura del pulso hasta que se vean trazos claros en la parte posterior del material subyacente. En este caso, la potencia pico del láser fue de 500 W y la anchura del pulso de 3 ms.

Con la potencia pico, la anchura de pulso y otros parámetros inalterados, se ajustó la cantidad de desenfoque 1 mm cada vez y se registró el aspecto de la unión soldada. Estos resultados pueden verse en la figura 2.

El aspecto de las juntas de soldadura cambia con la cantidad de desenfoque

Figura 2 El aspecto de las juntas de soldadura cambia con la cantidad de desenfoque

Los resultados mostraron que cuando el desenfoque se fijó entre 0 mm y 1 mm, la junta de soldadura era la más pequeña y tenía salpicaduras de soldadura. Esto se debe probablemente a que, en este rango de desenfoque, la energía láser se concentró principalmente en el centro del punto, lo que dio lugar a una alta densidad de potencia del láser en el centro de la unión soldada, provocando salpicaduras.

A medida que aumentaba el desenfoque, las juntas de soldadura se volvían más uniformes y libres de salpicaduras, probablemente debido a la distribución más uniforme del haz láser. Sin embargo, cuando el desenfoque era superior a 4 mm, las redondez de la unión soldada se volvió inconsistente y el tamaño de la unión soldada se redujo en cierta medida, posiblemente debido a la distribución desigual de la energía láser en el punto.

Los resultados también mostraron que a medida que el desenfoque aumentaba de 0 mm a 3 mm, el tamaño de la unión soldada aumentaba gradualmente, con un diámetro de la unión soldada que crecía de 0,4 mm a 0,5 mm. Esto se debe a que, a medida que aumentaba el desenfoque, el punto láser en la superficie del material se hacía más grande, dando lugar a juntas de soldadura más grandes.

Sin embargo, cuando se aumentó el desenfoque a 4 mm, el tamaño de las juntas de soldadura disminuyó en cambio. Esto puede deberse al cambio en la distribución del rayo láser, con poca energía en el borde del punto donde el láser estaba en contacto con el material, lo que resultaba en un punto más grande en la superficie pero una junta de soldadura más pequeña.

En la figura 3 se muestra la relación entre el diámetro de la junta de soldadura y la cantidad de desenfoque.

Relación entre el diámetro de la junta de soldadura y el desenfoque

Figura 3 Relación entre el diámetro de la junta de soldadura y el desenfoque

(2) El efecto de la cantidad de desenfoque en la penetración de la unión soldada

Se utilizó una cortadora para cortar a lo largo del borde de la unión soldada por láser. Después de someterla a un esmerilado basto, un esmerilado fino y un pulido, se observó el centro de la unión soldada durante el pulido. Por último, después de someterla a un tratamiento de corrosión con una solución de ácido nítrico y alcohol, se comprobó el cambio en la penetración de la junta de soldadura bajo diferentes condiciones de desenfoque.

Los resultados mostraron que cuando el desenfoque se fijaba entre 0 mm y 1 mm, la unión soldada tenía la penetración más profunda y llegaba hasta el material subyacente. Cuando el desenfoque se fijaba entre 2 mm y 3 mm, la junta de soldadura penetraba más profundamente en el material subyacente. penetración de la soldadura se hizo menos profunda y sólo penetró 1/2 del grosor del material subyacente. Sin embargo, cuando el desenfoque se fijó en 4 mm, el penetración de la soldadura se redujo significativamente y sólo penetró 1/3 del espesor del material subyacente, como se muestra en la figura 4.

Cambio de la penetración de la junta de soldadura con el desenfoque

Figura 4 Cambio de la penetración de la junta de soldadura con el desenfoque

(3) El efecto de la cantidad de desenfoque en la resistencia de la soldadura

Se utilizó una máquina de tracción para probar la resistencia de una sola unión soldada fijando el material inferior y tirando del material superior hacia arriba. Para garantizar la precisión de los datos del ensayo de tracción, se ensayaron 3 muestras para cada conjunto de parámetros y se tomó el valor medio.

La cantidad de desenfoque se fijó en 0 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm y 4 mm, correspondientes a uniones soldadas con resistencias de 7 N, 8 N, 11 N, 15 N y 6 N, respectivamente.

Como tendencia general, la resistencia a la tracción de las juntas de soldadura aumentó a medida que aumentaba el desenfoque. Esto se debió a que, al aumentar el desenfoque, también aumentó el tamaño de las juntas de soldadura, en particular la anchura del contacto entre el material superior y el inferior, lo que provocó un aumento de la resistencia a la tracción. Sin embargo, cuando el desenfoque aumentó a 4 mm, la resistencia a la tracción disminuyó, probablemente debido al empeoramiento de la calidad del haz y al mayor tamaño del punto, lo que provocó una disminución de la densidad de potencia del láser y, por tanto, de la profundidad de penetración y la resistencia de la unión soldada.

Según los datos experimentales, la resistencia a la tracción de una sola unión soldada alcanzó su valor máximo de 15 N cuando el desenfoque se fijó en 3 mm.

5. Conclusión

En este artículo se investigó la distribución del haz láser en diferentes condiciones de desenfoque y se descubrió que, a medida que aumentaba el desenfoque, la distribución de la energía láser en el punto se hacía más uniforme, pero cuando el desenfoque superaba los 4 mm, la distribución de la energía se volvía irregular.

Mediante pruebas del proceso de soldadura solapada de acero inoxidable, el estudio concluyó que, bajo otros factores constantes, el ajuste de la cantidad de desenfoque afectaba a la apariencia, el tamaño, la penetración y la resistencia a la tracción de la unión soldada, así como a los requisitos generales de apariencia y resistencia.

Las conclusiones fueron:

  • A medida que aumentaba el desenfoque, mejoraba la calidad de las uniones soldadas y aumentaba gradualmente la resistencia a la tracción de las mismas.
  • Cuando el desenfoque se fijó en 3 mm, las uniones soldadas eran consistentes y presentaban la mayor resistencia a la tracción.
  • Sin embargo, al aumentar aún más el desenfoque, la resistencia y la calidad de las uniones soldadas volvieron a disminuir.

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1 comentario en “Laser Defocus: Impact on Beam Quality and Welding”

  1. András Horváth

    Me gusta mucho este estudio sobre el desenfoque. Me falta el parámetro básico longitud focal del láser utilizado. Sólo para ver, lo que significa el desenfoque óptimo de 3 mm en comparación con la longitud focal.

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