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Soldadura láser de penetración profunda: Cosas que debe saber

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El proceso de soldadura por láser, principalmente para la soldadura de chapas metálicas, puede dividirse en dos categorías: soldadura por láser continuo de fibra y soldadura por láser pulsado YAG.

Según el principio de la soldadura láser, puede dividirse en soldadura por conducción de calor y soldadura por penetración profunda de láser. Cuando la densidad de potencia es inferior a 104 a 105 W/cm², se considera soldadura por conducción de calor. El resultado es una penetración poco profunda y una velocidad de soldadura más lenta.

Por otra parte, cuando la densidad de potencia es superior a 105 a 107 W/cm², la superficie metálica formarán "agujeros" debido al calentamiento y darán lugar a la soldadura por penetración profunda con láser. Este método se caracteriza por su rápida velocidad de soldadura y su gran relación profundidad/anchura.

El principio de la conducción del calor soldadura láser consiste en calentar la superficie que se va a procesar mediante radiación láser, guiar el calor de la superficie mediante transferencia y difusión interna, y fundir la pieza para formar un baño fundido específico controlando los parámetros del láser, como la anchura del pulso, la energía, la potencia pico y la frecuencia de repetición. Este método es adecuado para soldadura de chapas.

La soldadura por penetración profunda láser se utiliza principalmente para la soldadura de engranajes y metalúrgica soldadura de chapasEl presente artículo se centra en el principio de la soldadura por penetración profunda con láser.

Soldadura de la cubierta superior de la batería de litio de carcasa de aluminio - láser continuo de fibra (célula de vehículo de nueva energía, principalmente aluminio de la serie 3)

Soldadura de la cubierta superior de la batería de litio de carcasa de aluminio - láser continuo de fibra (célula de vehículo de nueva energía, principalmente 3-Serie aluminio)

1. Principio de la soldadura por penetración profunda con láser

La soldadura por penetración profunda con láser suele utilizar un haz láser continuo de fibra óptica para unir materiales. El proceso metalúrgico de este método es similar al de la soldadura por haz de electrones y se realiza mediante una estructura 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 orificios están llenos de vapor a alta temperatura que se genera por la evaporación continua del material de la pared bajo la irradiación del 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 se deposita primero en la superficie de la pieza y luego se transmite al interior por 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 continua del vapor dentro de la cavidad del agujero. El rayo láser entra continuamente en los pequeños orificios y el material del exterior fluye continuamente.

El movimiento del rayo láser mantiene los pequeños orificios y el metal fundido que los rodea en un estado estable de flujo.

Esto significa que los pequeños orificios y el metal fundido avanzarán con la velocidad del haz principal, rellenando el hueco dejado y solidificándose para formar la soldadura.

Todos estos procesos se producen tan rápidamente que la velocidad de soldadura puede alcanzar fácilmente varios metros por minuto.

Soldadura por láser CW de fibra de aluminio de la serie 6 (se trata del suelo del carril de alta velocidad)

Fibra de aluminio serie 6 CW soldadura láser (este es el suelo del tren de alta velocidad)

2. Principales parámetros del proceso de soldadura por penetración profunda con láser

(1) Potencia del láser

Existe un umbral de densidad de energía láser en soldadura láser. Si la densidad de energía láser es inferior a este valor, la penetración es poco profunda. Sin embargo, si alcanza o supera este valor, la penetración mejora considerablemente.

La generación de plasma, que significa el progreso de la soldadura de penetración profunda estable, se produce sólo cuando el densidad de potencia láser en la pieza supera el umbral, que depende del material.

Cuando la densidad de potencia del láser está por debajo del umbral, sólo se produce la fusión superficial de la pieza, lo que da lugar a una soldadura por conducción de calor estable.

Si la densidad de potencia del láser se aproxima a la condición crítica para la formación del ojo de cerradura, el proceso de soldadura se vuelve inestable, alternándose la soldadura por penetración profunda y la soldadura por conducción, lo que provoca importantes fluctuaciones en la profundidad de penetración.

Durante la soldadura por penetración profunda con láser, 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 haz láser de diámetro determinado, la penetración aumenta a medida que aumenta la potencia del haz.

Kettle horse - soldadura láser de impulsos YAG (puede hacer directamente la superficie de la apariencia)

Kettle horse - pulso YAG soldadura láser (puede hacer que la superficie aparezca directamente)

(2) Punto focal del haz

El tamaño del punto del haz es una variable crítica en soldadura láser ya que determina la densidad de potencia. Sin embargo, medir el tamaño del spot de los láseres de alta potencia es una tarea difícil, a pesar de la disponibilidad de diversas tecnologías de medición indirecta.

El límite del tamaño del punto de difracción del haz de enfoque puede calcularse utilizando la teoría de la difracción de la luz, pero el tamaño real del punto es mayor debido a la presencia de aberraciones de la lente de enfoque.

El método de medición más sencillo es el del perfil de temperatura igual, que consiste en medir el punto focal y el diámetro de perforación tras quemar papel grueso y penetrar en una placa de polipropileno.

Este método requiere dominar la potencia del láser y el tiempo de acción del rayo, lo que puede lograrse con la práctica y la medición.

(3) Valor de absorción del material

La absorción láser de los 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 a la capacidad de absorción de los materiales al rayo láser:

En primer lugar, el coeficiente de resistencia del material. Tras medir la absortividad de la superficie pulida del material, se ha descubierto 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 de la superficie o el acabado del material, que influye considerablemente en la absorbencia del haz y, por tanto, en el efecto de la soldadura.

Los materiales de gran pureza y conductividad general, como el acero inoxidable y el níquel, son los mejores para soldar.

Por otra parte, los materiales de alta conductividad como cobre y aluminio son difíciles de soldar. La soldadura de aluminio de la serie 6 y superior es propensa a grietas y poros.

En soldadura de cobre generalmente depende de los requisitos de la aplicación, y puede realizarse con láser de pulso YAG y láser continuo de fibra.

En la industria joyera, el oro y la plata suelen soldarse por puntos. Sin embargo, existen pocas aplicaciones industriales para la soldadura de estos materiales. Aquí nos centraremos en las aplicaciones industriales.

La longitud de onda de salida del CO2 suele ser de 10,6 μm. A temperatura ambiente, la tasa de absorción de nomateriales metálicoscomo la cerámica, el vidrio, el caucho y los plásticos, es muy alto, mientras que el índice de absorción de los materiales metálicos es bajo.

Sin embargo, una vez que el material se funde o incluso se vaporiza, su absorción aumenta drásticamente.

El método de recubrimiento superficial o formación de una película de óxido en la superficie es muy eficaz para mejorar la absorción de los haces de luz.

(4) Velocidad de soldadura

La velocidad de soldadura influye considerablemente en la profundidad de penetración. Aumentar la velocidad dará lugar a una penetración menos profunda, pero una velocidad demasiado baja provocará una fusión excesiva del material y dará lugar a una penetración excesiva en la pieza.

Por lo tanto, existe una gama adecuada de velocidades de soldadura para un material específico con una potencia láser y un grosor determinados, y la penetración máxima puede alcanzarse con el valor de velocidad correspondiente.

Soldadura de relleno con alambre láser de pulso YGA de acero inoxidable (puede superar el problema de la unión a tope de gran tamaño y el tratamiento superficial de aspecto en la fase posterior).

Acero inoxidable YGA pulso láser de alambre de relleno de soldadura (que puede superar el problema de la gran junta a tope y la apariencia tratamiento superficial en la fase posterior)

(5) Gas de protección

El gas inerte se utiliza a menudo en soldadura láser para proteger el baño de fusión. En algunos casos, la protección puede no ser necesaria si el material puede soldarse sin oxidación superficial.

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 de protección eficaz debido a su alta energía de ionización, que permite que el haz láser pase suavemente y alcance la superficie de la pieza sin impedimentos. Sin embargo, es relativamente caro.

El argón es relativamente barato y tiene una alta densidad, por lo que ofrece una buena protección. Pero es propenso a la ionización por 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 la soldadura protegida con argón es más lisa que 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 a veces puede dar lugar a poros en la zona de la vuelta.

La segunda finalidad del uso de gas de protección es proteger la lente de enfoque de la contaminación por vapor metálico y la pulverización catódica de gotas líquidas, lo que es especialmente importante en los sistemas de alta potencia. soldadura láser donde la eyecta 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 de protección que rodea al vapor metálico también se ioniza debido al calentamiento.

Si hay demasiado plasma, consumirá en cierta medida el haz láser. 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 más amplia.

La tasa de recombinación de electrones puede aumentarse incrementando 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 la tasa de recombinación.

Por otra parte, sólo el gas de blindaje con alta energía de ionización no aumentará la densidad de electrones debido a su propia ionización.

Peso atómico (molecular) y energía de ionización de gases y metales comunes

MaterialÉlArNAlMgFe
Peso atómico (molecular)44028272456
Energía de ionización (eV)24.4615.6814.55.967.617.83

Como se muestra en la tabla, el tamaño de la nube de plasma depende del tipo de gas de protección utilizado. El helio produce la nube de plasma más pequeña, el nitrógeno la segunda más pequeña y el argón la más grande. Cuanto mayor sea el tamaño del plasma, menor será la profundidad de penetración.

Esta diferencia no sólo se debe a los distintos niveles de ionización de las moléculas de gas, sino también a la diferencia en la difusión del vapor metálico causada por las distintas densidades del gas de protección.

El helio tiene la ionización y la densidad más bajas, y puede eliminar rápidamente el vapor metálico ascendente del baño de metal fundido.

Como resultado, el uso de helio como gas de protección puede inhibir eficazmente el plasma y aumentar la penetración y la velocidad de soldadura. Además, es ligero y es poco probable que cause poros.

Sin embargo, en la soldadura real, el uso de argón como pantalla proporciona buenos resultados. El efecto de la nube de plasma en la penetración es más notable a velocidades de soldadura bajas, y a medida que aumenta la velocidad de soldadura, su impacto disminuye.

El gas de protección se libera sobre la superficie de la pieza a través de una boquilla a una presión determinada. 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 de protección, pero también debe tener un tamaño limitado para proteger eficazmente la lente y evitar que la contaminación por vapores metálicos o las salpicaduras de metal dañen la lente.

También debe controlarse el caudal; de lo contrario, el flujo laminar del gas protector se volverá turbulento y el aire se introducirá en el baño de fusión, formando poros.

Para mejorar el efecto protector, también se puede utilizar el soplado lateral, en el que el gas protector se inyecta en el pequeño orificio de la soldadura de penetración profunda con un cierto ángulo a través de una boquilla de pequeño diámetro.

Esto no sólo reduce la nube de plasma en la superficie de la pieza, sino que también afecta al plasma en el orificio y a la formación de pequeños orificios, lo que se traduce en una mayor profundidad de penetración y una soldadura ideal con una elevada relación profundidad-anchura.

Sin embargo, este método requiere un control preciso del tamaño y la dirección del flujo de gas, ya que es fácil que se produzcan turbulencias y daños en el baño de fusión, lo que dificulta la estabilización del proceso de soldadura.

(6) Distancia focal del objetivo

El haz láser suele enfocarse durante la soldadura y normalmente se selecciona una lente con una longitud 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 a 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 el objetivo y la pieza para una penetración adecuada.

En la soldadura real, la profundidad focal más corta utilizada suele ser de 126mm (5″). Cuando se necesita una junta más grande o una mayor soldadura, se puede seleccionar una lente con una longitud focal de 254 mm (10″), pero esto requiere una mayor potencia de salida del láser para obtener el efecto de ojo de cerradura de penetración profunda deseado.

Para potencias de láser superiores a 2 kW, especialmente para láseres de CO2 de 10,6μm, se suele utilizar el método de enfoque por reflexión, con espejos de cobre pulido como espejos, para evitar el riesgo de daños ópticos en la lente de enfoque.

Los espejos de cobre se recomiendan a menudo para grandes potencias enfoque del rayo láser gracias a una refrigeración eficaz.

(7) Posición de enfoque

En la soldadura láser, la posición del foco es crucial para garantizar una densidad de potencia adecuada. La variación de la posición relativa entre el foco y la superficie de la pieza influye significativamente en la profundidad y la anchura de la soldadura.

En la mayoría de aplicaciones de soldadura láserPor lo general, el enfoque se fija aproximadamente a un cuarto de la penetración requerida por debajo de la superficie de la pieza.

(8) Posición del haz láser

La calidad final de la soldadura cuando se sueldan con láser materiales diferentes depende en gran medida de la posición del rayo láser, siendo las uniones a tope más sensibles que las solapadas.

Por ejemplo, al soldar una pieza templada engranaje de acero a un tambor de acero de bajo contenido en carbono, un control adecuado de la posición del haz láser dará como resultado una soldadura compuesta principalmente por componentes de bajo contenido en carbono, que poseen una excelente resistencia a la fisuración.

En determinadas situaciones, la geometría de la pieza a soldar requiere un ángulo de desviación del haz láser. Cuando el ángulo de desviación entre el eje del rayo y el plano de unión es inferior a 100 grados, el absorción del láser energía por la pieza de trabajo no se ve afectada.

(9) Control de aumento y disminución gradual de la potencia del láser en los puntos de inicio y fin de la soldadura

En la soldadura por penetración profunda con láser, aparecen pequeños orificios independientemente de la profundidad de la soldadura. Cuando finaliza el proceso de soldadura y se apaga el interruptor de alimentación, aparecen picaduras al final de la soldadura.

Además, si la nueva capa de soldadura láser cubre la soldadura anterior, puede producirse una absorción excesiva del haz láser, lo que provocaría un sobrecalentamiento o porosidad en la soldadura.

Para evitar estos problemas, los puntos de inicio y fin de potencia pueden programarse para permitir tiempos de inicio y fin ajustables. Esto se consigue aumentando electrónicamente la potencia de arranque desde cero hasta el valor de potencia establecido rápidamente y ajustando el tiempo de soldadura.

Por último, la potencia disminuye gradualmente desde el valor establecido hasta cero al final de la soldadura.

Soldadura por láser continuo de fibra óptica de acero inoxidable (adecuada para la soldadura a tope de chapas pequeñas con un grosor de 0,2-3 mm)

Soldadura por láser continuo de fibra óptica de acero inoxidable (apto para soldadura a tope de placas pequeñas con un espesor de 0,2-3 mm)

3. Características, ventajas y desventajas de la soldadura por penetración profunda con láser

(1) Características de la soldadura por penetración profunda láser

  1. Soldadura de alta relación de aspecto

El proceso de soldadura de alta relación de aspecto se caracteriza por soldaduras profundas y estrechas, que se forman dirigiendo una cavidad cilíndrica de vapor a alta temperatura alrededor de la pieza de trabajo. Esto hace que el metal fundido se forme alrededor de la cavidad y se extienda hasta la pieza de trabajo.

  1. Entrada mínima de calor

El proceso de soldadura requiere un aporte mínimo de calor debido a la elevada temperatura dentro del pequeño orificio. El resultado es un proceso de fusión rápido y una baja entrada de calor en la pieza, lo que provoca una deformación térmica mínima y una pequeña zona afectada por el calor.

  1. Soldaduras de alta densidad

El vapor a alta temperatura dentro del pequeño orificio promueve la agitación del baño de soldadura y el escape de gas, lo que da como resultado una soldadura densa y de penetración sin poros. La rápida velocidad de enfriamiento tras la soldadura ayuda a refinar la estructura de la soldadura.

  1. Soldaduras fuertes

El proceso de soldadura no requiere electrodos ni alambres de relleno, y la fuente de calor es caliente, lo que provoca una reducción del contenido de impurezas y un cambio en el tamaño y la distribución de las inclusiones en el baño de fusión. El resultado es una soldadura fuerte y resistente que es al menos igual o incluso más fuerte que el metal base.

  1. Control preciso

El pequeño punto de enfoque del láser permite una gran precisión en el posicionamiento de la soldadura. La salida del láser no tiene "inercia" y puede detenerse y reiniciarse rápidamente, por lo que resulta ideal para soldar piezas complejas con tecnología de movimiento del haz NC.

  1. Soldadura atmosférica sin contacto

El proceso de soldadura atmosférica sin contacto implica un haz de fotones que suministra energía a la pieza sin ningún contacto físico. Esto significa que no se aplican fuerzas externas a la pieza y que el láser no se ve afectado por el magnetismo o el aire.

(2) Ventajas de la soldadura por penetración profunda láser

  1. Alta velocidad de soldadura y mínima deformación

El láser focalizado utilizado en la soldadura láser tiene una densidad de potencia mucho mayor que los métodos convencionales, lo que permite velocidades de soldadura rápidas y zonas afectadas por el calor y deformaciones mínimas. Esto permite soldar incluso materiales difíciles como titanio.

  1. Eficiente y de bajo mantenimiento

El haz es fácil de transmitir y controlar, lo que permite sustituir con menos frecuencia la pistola y la boquilla de soldadura, y no es necesario bombear al vacío para soldadura por haz de electrones. Esto reduce significativamente el tiempo de inactividad auxiliar y aumenta el factor de carga y la eficiencia de la producción.

  1. Alta resistencia y tenacidad

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.

  1. Rentable

El bajo aporte medio de calor y la gran precisión de mecanizado de la soldadura láser contribuyen a reducir el coste del reprocesado. Además, el bajo coste operativo de la soldadura láser también ayuda a reducir el coste total de procesamiento de la pieza.

  1. Fácil de automatizar

La soldadura láser permite un control eficaz de la intensidad del haz y un posicionamiento preciso, lo que facilita la automatización del proceso de soldadura.

(3) Desventajas de la soldadura por penetración profunda con láser

  • Profundidad de soldadura limitada
  • Requisitos estrictos para el montaje de piezas
  • Importante inversión inicial en el sistema láser

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