Parâmetros principais do processo de soldagem a laser

1) Potência do laser.Existe um limite de densidade de energia do laser na soldagem a laser, abaixo do qual a profundidade da fusão é rasa e, uma vez que esse valor seja alcançado ou excedido, a profundidade da fusão aumenta substancialmente.Somente quando a densidade de potência do laser na peça de trabalho excede o limite (dependente do material), o plasma é gerado, o que marca a estabilização da soldagem por fusão profunda.Se a potência do laser estiver abaixo desse limite, a peça de trabalho sofrerá apenas a fusão da superfície, ou seja, a soldagem ocorrerá em um tipo de transferência de calor estável.Quando a densidade de potência do laser está próxima da condição crítica de formação de pequenos orifícios, a soldagem por fusão profunda e a soldagem por condução se alternam e se tornam processos de soldagem instáveis, resultando em grandes flutuações na profundidade de fusão.Na soldagem por fusão profunda a laser, a potência do laser controla a profundidade de penetração e a velocidade de soldagem, conforme mostrado na Figura 1. A profundidade de fusão da soldagem está diretamente relacionada à densidade de potência do feixe e é uma função da potência do feixe incidente e do feixe ponto focal.Em geral, para um determinado diâmetro do feixe de laser, a profundidade de fusão aumenta à medida que a potência do feixe aumenta.

2) Ponto focal do feixe.O tamanho do ponto do feixe é uma das variáveis ​​mais importantes na soldagem a laser, pois determina a densidade de potência.No entanto, sua medição é um desafio para lasers de alta potência, embora muitas técnicas de medição indireta já estejam disponíveis.

O tamanho do ponto limite de difração focal do feixe pode ser calculado a partir da teoria da difração de luz, mas o ponto real é maior que o valor calculado devido à presença de aberração da lente de foco.O método de medição real mais simples é o método de perfil isotérmico, que consiste em medir o ponto focal e o diâmetro da perfuração após queimar e penetrar uma placa de polipropileno com papel grosso.Este método deve ser medido pela prática, dominando o tamanho da potência do laser e o tempo de ação do feixe.

3) Valor de absorção do material.A absorção do laser pelo material depende de algumas propriedades importantes do material, como taxa de absorção, refletividade, condutividade térmica, temperatura de fusão, temperatura de evaporação, etc. A mais importante é a taxa de absorção.

Os fatores que afetam a taxa de absorção do material pelo feixe de laser incluem dois aspectos: primeiro, a resistividade do material.Depois de medir a taxa de absorção da superfície polida do material, verifica-se que a taxa de absorção do material é proporcional à raiz quadrada do coeficiente de resistividade, que por sua vez varia com a temperatura;em segundo lugar, o estado da superfície (ou acabamento) do material tem um efeito mais importante na taxa de absorção da viga, tendo assim um efeito significativo no efeito de soldagem.

O comprimento de onda de saída do laser de CO2 é geralmente de 10,6 μm, cerâmica, vidro, borracha, plástico e outros não metais em sua taxa de absorção à temperatura ambiente é muito alta, enquanto os materiais metálicos à temperatura ambiente em sua absorção são muito fracos, até que o material uma vez derretido ou mesmo vaporizado, sua absorção aumentou acentuadamente.O uso de revestimento de superfície ou geração de superfície de método de filme de óxido para melhorar a absorção do material para o feixe é muito eficaz.

4) velocidade de soldagem.A velocidade de soldagem tem um grande impacto na profundidade de fusão, aumentar a velocidade tornará a profundidade de fusão rasa, mas a velocidade é muito baixa e levará ao derretimento excessivo do material, a peça de trabalho soldada.Portanto, uma certa potência do laser e uma certa espessura de um determinado material tem uma faixa adequada de velocidade de soldagem e na qual o valor de velocidade correspondente pode ser obtido quando a profundidade máxima de fusão.A Figura 2 apresenta a relação entre a velocidade de soldagem e a profundidade de fusão do aço 1018.

5) Gás protetor.O processo de soldagem a laser geralmente usa gás inerte para proteger a poça de fusão, quando alguns materiais soldados independentemente da oxidação da superfície, também não consideram proteção, mas para a maioria das aplicações são frequentemente usados ​​hélio, argônio, nitrogênio e outros gases para proteção, de modo que o peça de trabalho da oxidação durante o processo de soldagem.

O hélio não é facilmente ionizado (a energia de ionização é alta), permitindo que o laser atravesse e a energia do feixe alcance a superfície da peça de trabalho sem impedimentos.É o gás de proteção mais eficaz usado na soldagem a laser, mas é mais caro.

O argônio é mais barato e mais denso, por isso protege melhor.No entanto, é suscetível à ionização por plasma de metal em alta temperatura, o que resulta na blindagem de parte do feixe para a peça, reduzindo a potência efetiva do laser para soldagem e também prejudicando a velocidade de soldagem e a profundidade de fusão.A superfície da peça soldada é mais lisa com proteção de argônio do que com proteção de hélio.

O nitrogênio é o gás de proteção mais barato, mas não é adequado para alguns tipos de soldagem de aço inoxidável, principalmente devido a problemas metalúrgicos, como a absorção, que às vezes produz porosidade na zona do colo.

A segunda função do uso de um gás de proteção é proteger a lente de focagem da contaminação por vapores metálicos e respingos de gotículas líquidas fundidas.Isso é especialmente necessário na soldagem a laser de alta potência, onde o material ejetado se torna muito poderoso.

Uma terceira função do gás de proteção é que ele é eficaz na dispersão da proteção de plasma produzida pela soldagem a laser de alta potência.O vapor de metal absorve o feixe de laser e se ioniza em uma nuvem de plasma, e o gás de proteção ao redor do vapor de metal também é ionizado pelo calor.Se houver muito plasma presente, o feixe de laser é consumido pelo plasma até certo ponto.A presença de plasma como uma segunda energia na superfície de trabalho torna a profundidade de fusão mais rasa e a superfície da poça de fusão mais ampla.A taxa de complexação eletrônica é aumentada pelo aumento do número de colisões elétron-íon e átomo neutro de três corpos para reduzir a densidade eletrônica no plasma.Quanto mais leve o átomo neutro, maior a frequência de colisão, maior a taxa composta;por outro lado, apenas a alta energia de ionização do gás de proteção, para não aumentar a densidade eletrônica devido à ionização do próprio gás.

Como pode ser visto na tabela, o tamanho da nuvem de plasma varia com o gás de proteção usado, sendo o hélio o menor, seguido pelo nitrogênio, e o maior quando é usado o argônio.Quanto maior o tamanho do plasma, menor a profundidade de fusão.A razão dessa diferença deve-se primeiramente ao diferente grau de ionização das moléculas do gás e também à diferença na difusão do vapor metálico causada pelas diferentes densidades dos gases protetores.

O hélio é o menos ionizado e menos denso, e dissipa rapidamente o vapor de metal ascendente da poça de metal fundido.Portanto, o uso de hélio como gás de proteção pode maximizar a supressão do plasma, aumentando assim a profundidade de fusão e melhorando a velocidade de soldagem;não é fácil causar porosidade por causa de seu peso leve e capacidade de escapar.Claro, de nossos resultados reais de soldagem, o efeito da proteção com gás argônio não é ruim.

A nuvem de plasma na profundidade de fusão na zona de baixa velocidade de soldagem é a mais óbvia.Quando a velocidade de soldagem aumenta, sua influência será enfraquecida.

O gás de proteção é ejetado pela abertura do bico a uma certa pressão para atingir a superfície da peça de trabalho.A forma hidrodinâmica do bocal e o tamanho do diâmetro da saída são muito importantes.Ele deve ser grande o suficiente para direcionar o gás de proteção pulverizado para cobrir a superfície de soldagem, mas para proteger efetivamente a lente e evitar a contaminação por vapor de metal ou danos por respingos de metal na lente, o tamanho do bocal também deve ser limitado.A vazão também deve ser controlada, caso contrário o fluxo laminar do gás de proteção torna-se turbulento e a atmosfera se envolve na poça fundida, eventualmente formando porosidade.

A fim de melhorar o efeito de proteção, também está disponível uma maneira de sopro lateral adicional, ou seja, através de um bico de diâmetro menor, o gás de proteção será direcionado a um determinado ângulo diretamente no orifício de solda fundido profundo.O gás de proteção não apenas suprime a nuvem de plasma na superfície da peça de trabalho, mas também exerce influência sobre o plasma no orifício e a formação do pequeno orifício, aumentando ainda mais a profundidade de fusão e obtendo um cordão de solda mais profundo e mais largo do que é desejável.No entanto, este método requer um controle preciso do tamanho e direção do fluxo de gás, caso contrário, é fácil produzir turbulência e danificar a poça de fusão, resultando em processo de soldagem difícil de estabilizar.

6) Distância focal da lente.A soldagem é geralmente usada para focar a forma como a convergência do laser, a escolha geral de 63 ~ 254 mm (2,5 '~ 10') distância focal da lente.O tamanho do ponto focalizado é proporcional à distância focal, quanto menor a distância focal, menor o ponto.Mas a distância focal também afeta a profundidade focal, ou seja, a profundidade focal aumenta simultaneamente com a distância focal, então a distância focal curta pode melhorar a densidade de potência, mas devido à pequena profundidade focal, a distância entre a lente e a peça de trabalho deve ser mantido com precisão e a profundidade de fusão não é grande.Devido à influência dos respingos gerados durante o processo de soldagem e o modo laser, a soldagem real usando a menor profundidade de foco mais distância focal 126mm (5'). Quando a costura é grande ou a costura de solda precisa ser aumentada por aumentando o tamanho do ponto, uma lente com uma distância focal de 254 mm (10') pode ser selecionada, caso em que uma potência de saída de laser mais alta (densidade de potência) é necessária para obter um efeito de pequeno orifício de derretimento profundo.

Quando a potência do laser exceder 2kW, especialmente para o feixe de laser de CO2 de 10,6μm, devido ao uso de materiais ópticos especiais para formar o sistema óptico, a fim de evitar o risco de danos ópticos à lente de foco, geralmente escolha o método de foco por reflexão , geralmente usando espelho de cobre polido para o refletor.Devido ao resfriamento eficaz, muitas vezes é recomendado para focagem de feixe de laser de alta potência.

7) posição do ponto focal.Soldagem, a fim de manter densidade de potência suficiente, a posição do ponto focal é crítica.Mudanças na posição do ponto focal em relação à superfície da peça de trabalho afetam diretamente a largura e a profundidade da solda.A Figura 3 mostra o efeito da posição do ponto focal na profundidade da fusão e na largura da costura do aço 1018.Na maioria das aplicações de soldagem a laser, o ponto focal é normalmente posicionado aproximadamente 1/4 da profundidade desejada de fusão abaixo da superfície da peça de trabalho.

8) Posição do raio laser.Ao soldar a laser materiais diferentes, a posição do feixe de laser controla a qualidade final da solda, especialmente no caso de juntas de topo que são mais sensíveis a isso do que as juntas sobrepostas.Por exemplo, quando engrenagens de aço endurecido são soldadas a tambores de aço macio, o controle adequado da posição do feixe de laser facilitará a produção de uma solda com um componente predominantemente de baixo carbono, que possui melhor resistência a trincas.Em algumas aplicações, a geometria da peça a ser soldada exige que o feixe de laser seja desviado por um ângulo.Quando o ângulo de deflexão entre o eixo do feixe e o plano da junta estiver dentro de 100 graus, a absorção da energia do laser pela peça de trabalho não será afetada.

9) Ponto inicial e final de soldagem do aumento gradual da potência do laser, controle gradual do declínio.Soldagem por fusão profunda a laser, independentemente da profundidade da solda, sempre existe o fenômeno de pequenos furos.Quando o processo de soldagem é encerrado e o interruptor de energia é desligado, uma cratera aparecerá no final da solda.Além disso, quando a camada de solda a laser cobrir a solda original, haverá absorção excessiva do feixe de laser, resultando em superaquecimento ou porosidade da solda.

Para evitar os fenômenos acima, os pontos de partida e parada de energia podem ser programados para que os tempos de partida e parada de energia sejam ajustáveis, ou seja, a energia de partida é aumentada eletronicamente de zero até o valor de potência definido em um curto período de tempo e o o tempo de soldagem é ajustado e, finalmente, a potência é gradualmente reduzida da potência definida para o valor zero quando a soldagem é finalizada.