La soldadura làser és un dels aspectes importants de l'aplicació de la tecnologia de processament làser, però també la tecnologia de soldadura més atractiva i prometedora del segle XXI. En comparació amb els mètodes de soldadura tradicionals, la soldadura làser té molts avantatges, una major qualitat de soldadura i una eficiència més ràpida. Actualment, la tecnologia de soldadura làser s'ha utilitzat àmpliament en la fabricació, la metal·lúrgia en pols, la indústria de l'automòbil, la indústria electrònica, la biomedicina i altres camps.
Segons el mecanisme de formació del bany de soldadura, la soldadura per làser té dos mecanismes bàsics de soldadura: la soldadura per conducció de calor i la soldadura per penetració profunda (forats petits). La calor generada per la soldadura per conducció de calor es difon a la peça de treball a través de la transferència de calor, de manera que la superfície de la soldadura es fon, bàsicament sense fenomen de vaporització, que s'utilitza sovint en la soldadura de components de paret prima de baixa velocitat. La soldadura per fusió profunda vaporitza el material i forma una gran quantitat de plasma. A causa de la gran calor, hi haurà forats a la part frontal del bany fos. La soldadura per penetració profunda pot soldar la peça de treball a fons, i l'energia d'entrada és gran, la velocitat de soldadura és ràpida, és el mode de soldadura làser més utilitzat.
Hi ha molts paràmetres de procés que afecten la qualitat de la soldadura làser, com ara la densitat de potència, la forma d'ona del pols làser, el desenfoque, la velocitat de soldadura i el gas auxiliar de bufat.
1. Densitat de potència del làser La densitat de potència és un dels paràmetres més crítics en el processament làser. Amb una densitat de potència més alta, la capa superficial es pot escalfar fins al punt d'ebullició en un interval de temps de microsegons, generant una gran quantitat de vaporització. Per tant, l'alta densitat de potència és molt avantatjosa per al processament d'eliminació de material, com ara el punxonat, el tall i el gravat. Per a una baixa densitat de potència, la temperatura superficial triga uns mil·lisegons a assolir el punt d'ebullició, i abans que la capa superficial s'evapori, la capa inferior arriba al punt de fusió, cosa que facilita la formació d'una bona soldadura per fusió. Per tant, en la soldadura làser per conducció de calor, l'interval de densitat de potència és de 104-106 W/cm2.
2. Forma d'ona del pols làser
La forma d'ona del pols làser no només és un paràmetre important per distingir l'eliminació de material de la fusió de material, sinó també un paràmetre clau per determinar el volum i el cost de l'equip de processament. Quan el feix làser d'alta intensitat arriba a la superfície del material, la superfície del material tindrà una reflexió i pèrdua d'energia làser del 60 al 90%, especialment l'or, la plata, el coure, l'alumini, el titani i altres materials amb una forta reflexió i una transferència de calor ràpida. La reflectància d'un metall varia amb el temps durant un senyal de pols làser. Quan la temperatura de la superfície del material s'eleva fins al punt de fusió, la reflectivitat disminueix ràpidament, i quan la superfície està en estat de fusió, la reflexió s'estabilitza a un cert valor.
3. Amplada del pols L'amplada del pols és un paràmetre important de la soldadura làser pulsada. L'amplada del pols es determina per la profunditat de penetració i la zona afectada per la calor. Com més llarga sigui l'amplada del pols, més gran serà la zona afectada per la calor, i la profunditat de penetració augmentarà amb la meitat de la potència de l'amplada del pols. Tanmateix, l'augment de l'amplada del pols reduirà la potència màxima, de manera que l'augment de l'amplada del pols s'utilitza generalment per a la soldadura per conducció de calor, donant lloc a una mida de soldadura ampla i poc profunda, especialment adequada per a la soldadura per solapament de plaques primes i gruixudes. Tanmateix, una potència màxima més baixa provoca un excés d'entrada de calor, i cada material té una amplada de pols òptima que maximitza la penetració.
4, la soldadura làser amb desenfoque sol requerir una certa quantitat de desenfoque, ja que la densitat de potència del focus làser al centre del punt és massa alta, cosa que facilita l'evaporació en forats. La distribució de la densitat de potència és relativament uniforme en cada pla allunyat del focus làser. Hi ha dos mètodes de desenfoque: desenfoque positiu i desenfoque negatiu. Si el pla focal es troba per sobre de la peça, hi ha un desenfoque positiu; en cas contrari, hi ha un desenfoque negatiu. Segons la teoria de l'òptica geomètrica, quan la distància entre els plans de desenfoque positiu i negatiu i el pla de soldadura és igual, la densitat de potència al pla corresponent és aproximadament la mateixa, però la forma real del bany de soldadura obtinguda és diferent. En el cas del desenfoque negatiu, es pot obtenir una major penetració, cosa que està relacionada amb el procés de formació del bany de soldadura fos.
5, velocitat de soldadura La velocitat de soldadura determina la qualitat de la superfície de soldadura, la penetració, la zona afectada per la calor, etc. La velocitat de soldadura afectarà l'entrada de calor per unitat de temps. Si la velocitat de soldadura és massa lenta, l'entrada de calor és massa gran, cosa que provocarà que la peça es cremi. Si la velocitat de soldadura és massa ràpida, l'entrada de calor és massa petita, cosa que provocarà que la peça es soldi opaca. Reduir la velocitat de soldadura s'utilitza normalment per millorar la penetració.
6, gas protector auxiliar de bufat El gas protector auxiliar de bufat és un procés essencial en la soldadura làser d'alta potència. D'una banda, per evitar que els materials metàl·lics es pulveritzin i contaminin el mirall d'enfocament; d'altra banda, per evitar que el plasma generat en el procés de soldadura s'enfoqui massa i impedeixi que el làser arribi a la superfície del material. En el procés de soldadura làser, sovint s'utilitzen heli, argó, nitrogen i altres gasos per protegir el bany fos, de manera que la peça estigui protegida de l'oxidació en l'enginyeria de soldadura. Factors com el tipus de gas protector, la mida del flux d'aire i l'angle de bufat tenen una gran influència en el resultat de la soldadura. Els diferents mètodes de bufat també tenen una certa influència en la qualitat de la soldadura.
L'heli no s'ionitza fàcilment (té una energia ionitzant elevada), cosa que permet que el làser passi suaument i que l'energia del feix arribi a la superfície de la peça sense obstacles. Aquest és el gas protector més eficaç que s'utilitza en la soldadura làser, però el preu és relativament car. L'argó és més barat i més dens, per la qual cosa té una millor protecció. Tanmateix, s'ionitza fàcilment pel plasma metàl·lic d'alta temperatura, cosa que protegeix part del feix de la peça, cosa que redueix la potència làser efectiva de la soldadura, però també perjudica la velocitat i la penetració de la soldadura. Les superfícies de les soldadures protegides per argó són més llises que les protegides per heli. El nitrogen és el gas protector més barat, però no és adequat per a alguns tipus de soldadura d'acer inoxidable, principalment a causa de problemes metal·lúrgics, com ara l'absorció, que de vegades crea porus a la zona de solapament.
Com a nova tecnologia de soldadura, la soldadura làser té les característiques d'alta densitat d'energia, alta velocitat, alta precisió, penetració profunda i forta adaptabilitat. La seva aplicació és cada cop més extensa, cosa que no només pot millorar l'eficiència de la producció, sinó també la qualitat de la soldadura. La tecnologia de soldadura làser sens dubte tindrà un paper més important en el camp del processament de materials.
Data de publicació: 28 de març de 2023
