En comparación con los métodos de soldadura tradicionales, la soldadura láser presenta ventajas significativas, como un bajo aporte de calor, una rápida velocidad de soldadura, una zona afectada por el calor pequeña y una distorsión térmica mínima.
En los últimos años, la soldadura láser se ha utilizado ampliamente en industrias de alta tecnología como la automoción, la construcción naval, la energía nuclear y la aeroespacial, y con la disminución del coste de los equipos completos, su aplicación en productos de ferretería cotidianos y otros campos relacionados está aumentando rápidamente.
Sin embargo, la soldadura láser simple también presenta algunas deficiencias y no puede satisfacer plenamente las demandas cada vez más diversas.
En primer lugar, se requiere un estricto espacio libre de montaje para un solo soldadura láser de la unión soldada, normalmente inferior a 0,2 mm; de lo contrario, puede resultar difícil conseguir una buena conexión.
En segundo lugar, la soldadura láser simple es propensa a causar grietas en la soldadura cuando se sueldan materiales con alta sensibilidad a la grietas de soldaduray no puede ajustar la composición de la soldadura para controlar la generación de grietas.
En tercer lugar, al soldar chapas gruesas mediante soldadura láser simple, se requiere un láser de potencia ultraelevada, y su capacidad de fusión depende completamente del límite superior de potencia del láserque no puede garantizar plenamente la calidad de la soldadura.
Con el fin de satisfacer las demandas de desarrollo en diversas industrias, los métodos de soldadura láser también se han mejorado y desarrollado, como el método de soldadura láser de relleno de alambre que se trata en este artículo.
La soldadura láser de relleno de alambre se ha desarrollado sobre la base de la soldadura láser simple y presenta ventajas evidentes con respecto a ésta:
① Reduce significativamente los requisitos de montaje de la pieza, ya que la adición de alambre de soldadura en el proceso de soldadura aumentará en gran medida el metal fundido del baño de soldadura, salvará mayores distancias entre las soldaduras y hará que la soldadura sea más completa.
② La organización y el rendimiento de la zona de soldadura pueden controlarse. La composición del alambre de soldadura es diferente de la del material base de la unión soldada. Después de que el alambre de soldadura se funde en el baño de soldadura, la calidad, la composición y la proporción del baño de soldadura pueden ajustarse para controlar el proceso de solidificación y la formación de microestructuras.
③ La entrada de energía de la línea es pequeña, y la zona afectada por el calor y la deformación térmica son pequeñas, lo que resulta muy beneficioso para soldar piezas con requisitos estrictos de deformación.
④ Puede lograr la soldadura de materiales gruesos con pequeña potencia láser. Mediante la adición de alambre de soldadura en el proceso de soldadura, puede realizar la soldadura de múltiples pasadas, y el metal fundido del baño de soldadura aumentará significativamente. Esto se puede utilizar para manejar la apertura y rotura de la junta de soldadura, reduciendo así el láser real. espesor de soldadura de la soldadura, y lograr la soldadura láser multipasada de relleno de alambre de materiales de chapa gruesa.
En la figura 1 se muestra la soldadura láser de relleno con alambre, que es diferente de la soldadura láser de relleno con alambre. soldadura con alimentación por hilo que se muestra en la figura 2.
Los elementos básicos de los dos métodos de soldadura son los mismos y constan de un rayo láser, un hilo de soldadura y la pieza a soldar.
La adición de gas protector depende de las necesidades reales.
El equipo principal incluye un alimentador de alambre, una máquina de soldadura, una antorcha de alimentación de alambre de relleno, un cabezal de soldadura y un láser de alta potencia.
Aunque los dos métodos de soldadura casi no presentan diferencias en su forma externa, tienen diferencias significativas en su esencia. En el caso de la soldadura por relleno con alambre láser, la alta potencia láser de fibra se utiliza generalmente.
El láser no sólo tiene que fundir el alambre de soldadura, sino también el material base y formar un efecto de pequeño orificio exclusivo del láser en profundidad. soldadura por penetración sobre el material base, formando un baño de soldadura más profundo.
La composición y la proporción de elementos en el baño de mezcla formado por la mezcla completa de los componentes del hilo de soldadura y el metal base son significativamente diferentes de las del hilo de soldadura y el metal base.
Por lo tanto, se puede elegir el alambre de soldadura adecuado en función de los defectos de rendimiento del propio material base y añadirlo al proceso de soldadura con el fin de lograr una mejora dirigida a nivel microcósmico de la resistencia al agrietamiento, la resistencia a la fatiga, la resistencia a la corrosión y la resistencia al desgaste del cordón de soldadura.
Además, la soldadura de relleno con alambre láser se puede apilar con la soldadura de múltiples pasadas porque se puede lograr la soldadura de penetración profunda con efecto de agujero pequeño, lo que permite una fusión suficiente de las dos pasadas de soldadura superior e inferior y puede evitar defectos graves de fusión incompleta, teniendo así la capacidad de soldar juntas gruesas.
Para soldadura láser con alimentación de hilo, se suele utilizar láser semiconductor de alta potencia. Casi toda la energía láser actúa sobre el alambre de soldadura, y sólo una cantidad muy pequeña de láser funde una pequeña cantidad de metal en la superficie del junta soldada. El baño de soldadura está prácticamente formado por el hilo de soldadura fundido.
Por lo tanto, el rendimiento de la soldadura depende principalmente de la composición y la proporción de elementos del alambre de soldadura, así como de la propagación y la combinación del alambre de soldadura fundido en la junta de soldadura. El objetivo principal de la soldadura por láser con alimentación de alambre es lograr una cierta resistencia de conexión y rendimiento de sellado de la junta de soldadura.
Además, la soldadura fuerte por láser con alimentación de hilo no puede apilarse con pasadas múltiples, y sus dos pasadas de soldadura superior e inferior no pueden lograr una fusión suficiente y eficaz. El rendimiento mecánico de la unión es muy deficiente.
Con el desarrollo del llenado de alambre por láser tecnología de soldadura y la mejora del límite superior de la potencia del láser, el campo de aplicación de la soldadura por relleno con alambre láser es cada vez más amplio, principalmente en los siguientes aspectos:
Generalmente, debido a que la aleación de aluminio tiene una alta reflectividad y una alta conductividad térmica al láser, la potencia láser requerida para el láser soldadura de aleaciones de aluminio es relativamente alto, lo que puede provocar una evaporación y combustión graves de elementos de bajo punto de ebullición (como Mg, Zn, etc.) en la aleación de aluminio, así como una baja tensión superficial del baño de soldadura, lo que afecta a las características de solidificación de la soldadura.
Estas razones pueden dar lugar a muchos problemas en la soldadura láser de aleaciones de aluminio, como malas propiedades mecánicas de la unión soldada, mala formación de la soldadura y graves poros y grietas.
Sin embargo, el relleno de alambre con láser soldadura de aluminio aleación puede mejorar significativamente estos problemas:
① La soldadura por relleno de alambre láser puede mejorar la depresión en la superficie de la soldadura y mejorar eficazmente la formación de la soldadura, y el proceso de soldadura tiene una pequeña cantidad de salpicaduras.
② La adición de alambre de soldadura no sólo puede afectar a la orientación cristalina de los cristales columnares en la soldadura, debilitar la interfacial cristalina generada por el crecimiento relativo de los cristales columnares en el centro de la soldadura, mejorar la formación de la soldadura, sino también aumentar la tasa de absorción del láser del material, aumentar la anchura de fusión y reducir ligeramente la microdureza.
Además, si se optimizan los parámetros del proceso, la resistencia a la tracción y el alargamiento de la unión pueden mejorarse significativamente.
③ Los parámetros adecuados del proceso de soldadura pueden obtener una unión soldada sin defectos internos significativos, la microdureza de más de HV60, y sin reblandecimiento significativo en el área HAZ de la unión soldada. La fractura en el ensayo de tracción se produce en la zona del material parental.
En algunos entornos de trabajo difíciles o por razones de coste, a menudo es necesario que una pieza posea simultáneamente múltiples propiedades especiales, como resistencia a la corrosión, alta resistencia específica, resistencia al calor, resistencia al desgaste, alta conductividad, buena disipación del calor, etc.
Sin embargo, la mayoría materiales metálicos no puede poseer varias propiedades especiales destacadas al mismo tiempo.
Además, los metales con propiedades especiales suelen ser escasos y caros, y no pueden utilizarse en grandes cantidades.
Por lo tanto, si se pueden conectar eficazmente varios materiales con propiedades especiales, se pueden satisfacer las demandas de uso.
Las propiedades físicas y químicas de materiales metálicos distintos suelen diferir considerablemente, por lo que es inevitable que se formen compuestos intermetálicos durante el proceso de soldadura.
La influencia de los compuestos intermetálicos en el rendimiento de la unión soldada es significativa, y los compuestos intermetálicos frágiles pueden causar fácilmente grietas en la soldadura.
Por lo tanto, la soldadura directa con un solo láser de uniones de metales distintos es muy difícil, y su estabilidad de proceso es difícil de controlar, y la reproducibilidad del proceso es difícil.
Muchos estudiosos y expertos han constatado que el uso de la soldadura láser de relleno de alambre para soldadura de metales distintos es relativamente eficaz.
Un alambre de aportación adecuadamente seleccionado puede tener un cierto efecto inhibidor sobre la formación de compuestos intermetálicos, lo que puede mejorar en gran medida las propiedades mecánicas de la unión soldada:
① La soldadura de relleno con alambre láser de la unión solapada de Mg/Cu puede obtener una unión de metal disímil de buena forma con cierta resistencia bajo parámetros de proceso adecuados, y su resistencia máxima al cizallamiento puede alcanzar 164,2 MPa, que es 64% de la resistencia del aleación de magnesio material de base.
② La investigación sobre la soldadura de Al/Ti lap joint y butt joint muestra que usando una viga rectangular, el proceso de soldadura es estable, la formación es hermosa, el rango de parámetros del proceso es amplio, el calidad de la soldadura es alta, y su resistencia máxima a la tracción alcanza 94% de la resistencia del material base de aleación de aluminio.
En el caso de las piezas que soportan cargas, si la junta de soldadura se colapsa, se reducirá su espesor efectivo y disminuirán sus propiedades mecánicas.
Si la junta de soldadura tiene un borde de mordida, se producirá una concentración de tensiones en el borde de la junta de soldadura, lo que también reducirá las propiedades mecánicas.
Para piezas con requisitos de apariencia, el colapso o la mordedura del borde de la junta de soldadura producirán graves efectos visuales, lo cual es inaceptable. Para que la junta de soldadura sea completa y lisa, la soldadura de relleno con alambre láser es un método muy bueno.
La adición de alambre de soldadura al baño de soldadura puede aumentar eficazmente el volumen del baño de soldadura, garantizando así una unión de soldadura completa y lisa sin bordes cortantes.
En el caso de piezas con grandes huecos de unión (normalmente ≥0,3 mm), la soldadura láser simple es difícil de conseguir una unión eficaz, y los huecos de unión sólo pueden rellenarse con materiales adicionales.
Por lo tanto, la soldadura de relleno con hilo láser es una solución muy eficaz.
La soldadura láser de relleno con alambre de hendidura estrecha puede utilizarse para conseguir una soldadura eficaz de placas de grosor medio utilizando soldadoras láser de potencia media y pequeña.
Mediante la adición de alambre de soldadura, se puede cambiar la composición y microestructura del metal de soldadura, lo que puede mejorar el rendimiento integral de la unión soldada.
Al mismo tiempo, también puede mejorar la adaptabilidad y la tolerancia a fallos de la soldadura por láser simple a la ranura de separación, y la zona afectada por el calor de la soldadura es estrecha con menores tensiones de unión posteriores a la soldadura.
Por lo tanto, tiene un gran valor de aplicación en ingeniería, y muchos expertos y estudiosos han llevado a cabo investigaciones relevantes en los últimos años:
① Se utilizó el método de soldadura multipase con alimentación por hilo láser de paso estrecho para soldar buques Q345D de 40 mm de espesor. chapa de aceroy los resultados mostraron que los parámetros adecuados del proceso de soldadura podían obtener una unión bien formada sin defectos como porosidad y falta de fusión.
La tenacidad al impacto en el centro de la unión soldada era buena, y la resistencia a la tracción de la soldadura era superior a la del material base.
② Se utilizó el método de soldadura multipaso con alimentación de hilo láser de paso estrecho para soldar acero de rotor de 50 mm de espesor, y los resultados mostraron que los parámetros adecuados del proceso de soldadura podían obtener una unión soldada bien formada sin defectos como la falta de fusión en la pared lateral.
La tenacidad al impacto de la junta se redujo ligeramente, pero su resistencia a la tracción fue superior a la del material base.
③ Un estudio de la soldadura por relleno con hilo láser de hendidura estrecha de aleación de aluminio 5083 de 20 mm de espesor demostró que con los parámetros adecuados del proceso de soldadura, juntas de soldadura con menos defectos, como porosidad y falta de fusión.
Mejora de Costura de soldadura Formando
Requisitos: Soldadura de acero inoxidable de 1 mm y 3 mm sin poros en el cordón de soldadura y buena conformación.
Equipamiento: Láser de 4000W (diámetro del núcleo de fibra 200μm), alimentador de alambre, cabezal de soldadura.
Parámetros del proceso: Como se muestra en la Tabla 1.
Cuadro 1
| Espesor de la junta (mm) | Potencia láser (W) | Velocidad de soldadura （mm/s） | Velocidad de alimentación de alambre （m/min） | Desenfoque Importe （mm） |
| 1mm+1mm | 2500 | 35 | 1.2 | +5 |
| 3mm+3mm | 1000 | 25 | 1.0 | +5 |
| 1mm+3mm | 3100 | 35 | 1.5 | +5 |
Resultados: Buen conformado sin poros en el cordón de soldadura, como se muestra en la figura 3.
Soldadura láser multipaso de espacios estrechos
Requisitos: Soldadura de 18 mm de espesor Q345 Chapa de acero para la construcción naval con pocos poros en el cordón de soldadura, sin falta de fusión, resistencia a la tracción de la unión superior a la del metal base y buena formación del cordón de soldadura.
Equipamiento: Láser de 6000W (diámetro del núcleo de fibra 400μm), alimentador de alambre, cabezal de soldadura.
Parámetros del proceso: Ranura de soldadura y las dimensiones de la ranura se muestran en la figura 4. Otros parámetros del proceso de soldadura se muestran en la Tabla 2.
Cuadro 2
| Secuencia de soldadura | Potencia láser (W) | Velocidad de soldadura （mm/s） | Velocidad de alimentación de alambre （m/min） | Cantidad de desenfoque （mm） |
| 1 | 6000 | 20 | 4 | +4 |
| 2 | 5000 | 20 | 6 | +10 |
| 3 | 5000 | 20 | 6 | +10 |
| 4 | 5000 | 15 | 6 | +10 |
| 5 | 6000 | 15 | 6 | +10 |
Resultados: Buen conformado sin falta de fusión y poros mínimos en el cordón de soldadura, como se muestra en la figura 5.
Además, tras realizar una prueba de tracción, el cordón de soldadura se fracturó en el metal base, lo que indica que la resistencia a la tracción de la unión era superior a la del metal base.
Mejora del conformado y la calidad del cordón de soldadura
Para la soldadura por láser de alambre de relleno de materiales de uso común para la unión a tope, con el fin de mejorar la formación de la costura de soldadura, se recomienda generalmente que la potencia del láser y el diámetro del núcleo de fibra, y la configuración del cabezal de soldadura deben garantizar un diámetro de punto enfocado entre 0,4 mm a 0,6 mm.
Además, debe seleccionarse el grado de hilo adecuado, y otros parámetros de soldadura se muestran en la Tabla 3 y la Tabla 4.
Cuadro 3: Acero al carbono y Materiales de acero inoxidable
| Secuencia de soldadura | Potencia láser (W) | Velocidad de soldadura （mm/s） | Velocidad de alimentación de alambre （m/min） | Cantidad de desenfoque （mm） |
| 1 mm | 1500~3000 | 25~40 | 1.0~2.0 | +3~+8 |
| 2 mm | 2000~3500 | 25~35 | 1.0~2.0 | +3~+8 |
| 3 mm | 3500~5000 | 20~35 | 1.5~2.5 | +3~+8 |
| 4 mm | 4000~5500 | 20~35 | 2.0~3.0 | +3~+8 |
| 5 mm | 5000~6500 | 20~35 | 3.0~4.0 | +3~+8 |
| 6 mm | 6500~8000 | 20~35 | 4.0~5.0 | +3~+8 |
| >6mm | No se recomienda utilizar la soldadura por hilo de aportación láser de un solo paso porque el requisito de potencia es demasiado alto y la deformación es significativa. | |||
Tabla 4: Materiales de aleación de aluminio
| Espesor de la junta (mm) | Potencia láser (W) | Velocidad de soldadura （mm/s） | Velocidad de alimentación de alambre （m/min） | Cantidad de desenfoque （mm） |
| 1 mm | 2000~3000 | 30~50 | 2.0~3.0 | 0~+3 |
| 2 mm | 2000~4000 | 25~45 | 2.0~3.5 | 0~+3 |
| 3 mm | 3000~5000 | 20~40 | 2.5~4.0 | 0~+3 |
| 4 mm | 4000~6000 | 20~40 | 3.0~4.5 | 0~+3 |
| 5 mm | 5000~7000 | 20~40 | 3.5~5.0 | 0~+3 |
| 6 mm | 6000~8000 | 20~40 | 4.0~6.0 | 0~+3 |
| >6mm | No se recomienda utilizar la soldadura por hilo de aportación láser de un solo paso porque el requisito de potencia es demasiado alto y la deformación es significativa. | |||
Soldadura láser multipaso de espacios estrechos
Para el chapa gruesa En la soldadura multipaso con relleno láser de paso estrecho, generalmente se recomienda que el diámetro del punto enfocado esté entre 0,6 mm y 1,0 mm, y debe seleccionarse el grado de alambre adecuado.
Además, las dimensiones de la ranura de la junta deben diseñarse razonablemente, y el tamaño de la ranura no puede ser demasiado grande, ya que de lo contrario provocaría fácilmente una falta de fusión en el interior del cordón de soldadura. Las dimensiones recomendadas de las ranuras se muestran en la Tabla 5.
El número de pasadas de soldadura debe determinarse en función del espesor máximo de la junta. La primera pasada debe soldarse utilizando la capacidad máxima de soldadura del equipo, y cada pasada posterior debe tener una profundidad de generalmente 3 mm a 5 mm.
En cuanto a los parámetros del proceso de soldadura utilizados para cada pasada de soldadura, deben determinarse en función de la profundidad de soldadura requerida y de la anchura actual de la pasada de soldadura.
La cantidad de desenfoque debe aumentar moderadamente a medida que aumenta la anchura de la pasada de soldadura para evitar la falta de fusión en los flancos.
Tabla 5: Forma de la ranura y dimensiones recomendadas
| Material Grosor （mm） | Forma de la ranura | Altura del borde romo （mm） | Anchura del fondo de la ranura （mm） | Ángulo de ranura de doble cara (°) |
| 10 | U | 4~6 | 2~3 | 5°~10° |
| 14 | U | 4~8 | 2~2.5 | 9°~5° |
| 18 | U | 4~10 | 1.5~2 | 8°~9° |
| 20 | U | 4~10 | 1.5~2 | 5°~7° |
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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