Sudarea cu laser este unul dintre aspectele importante ale aplicării tehnologiei de procesare cu laser, dar și cea mai atractivă și promițătoare tehnologie de sudare din secolul XXI. Comparativ cu metodele tradiționale de sudare, sudarea cu laser are multe avantaje, o calitate mai mare a sudării și o eficiență mai rapidă. În prezent, tehnologia de sudare cu laser a fost utilizată pe scară largă în producție, metalurgie a pulberilor, industria automobilelor, industria electronică, biomedicină și alte domenii.
Conform mecanismului de formare a băii de sudură, sudarea cu laser are două mecanisme de bază: sudarea prin conducție termică și sudarea prin penetrare profundă (găuri mici). Căldura generată prin sudarea prin conducție termică este difuzată pe piesa de prelucrat prin transfer de căldură, astfel încât suprafața sudurii se topește, practic fără fenomen de vaporizare, ceea ce este adesea utilizat în sudarea componentelor cu pereți subțiri de viteză redusă. Sudarea prin fuziune profundă vaporizează materialul și formează o cantitate mare de plasmă. Datorită căldurii mari, vor exista găuri în capătul frontal al băii topite. Sudarea prin penetrare profundă poate suda complet piesa de prelucrat, iar energia de intrare este mare, viteza de sudare este rapidă, fiind cel mai utilizat mod de sudare cu laser.
Există mulți parametri de proces care afectează calitatea sudării cu laser, cum ar fi densitatea de putere, forma de undă a impulsului laser, defocalizarea, viteza de sudare și gazul auxiliar de suflare.
1. Densitatea puterii laserului Densitatea puterii este unul dintre cei mai importanți parametri în procesarea cu laser. Cu o densitate de putere mai mare, stratul de suprafață poate fi încălzit până la punctul de fierbere într-un interval de timp de microsecunde, generând o cantitate mare de vaporizare. Prin urmare, densitatea mare de putere este foarte avantajoasă pentru procesarea prin îndepărtarea materialului, cum ar fi perforarea, tăierea și gravarea. Pentru o densitate de putere scăzută, durează câteva milisecunde pentru ca temperatura suprafeței să atingă punctul de fierbere, iar înainte ca stratul de suprafață să se vaporizeze, stratul inferior atinge punctul de topire, ceea ce facilitează formarea unei suduri prin fuziune bune. Prin urmare, în sudarea cu laser prin conducție termică, intervalul densității de putere este de 10⁴-10⁶W/cm².
2. Forma de undă a impulsului laser
Forma de undă a impulsului laser nu este doar un parametru important pentru a distinge între îndepărtarea materialului și topirea acestuia, ci și un parametru cheie pentru a determina volumul și costul echipamentului de procesare. Atunci când fasciculul laser de intensitate mare ajunge la suprafața materialului, suprafața materialului va avea o reflexie și o pierdere de energie laser de 60 ~ 90%, în special aurul, argintul, cuprul, aluminiul, titanul și alte materiale având o reflexie puternică și un transfer rapid de căldură. Reflectanța unui metal variază în timp în timpul unui semnal de impuls laser. Când temperatura suprafeței materialului este ridicată până la punctul de topire, reflectivitatea scade rapid, iar când suprafața este în stare de topire, reflexia se stabilizează la o anumită valoare.
3. Lățimea impulsului Lățimea impulsului este un parametru important al sudării cu laser pulsat. Lățimea impulsului este determinată de adâncimea de penetrare și de zona afectată termic. Cu cât lățimea impulsului este mai mare, cu atât zona afectată termic este mai mare, iar adâncimea de penetrare crește cu jumătate din puterea lățimii impulsului. Cu toate acestea, creșterea lățimii impulsului va reduce puterea de vârf, așa că creșterea lățimii impulsului este în general utilizată pentru sudarea prin conducție termică, rezultând o dimensiune a sudurii lată și superficială, potrivită în special pentru sudarea prin suprapunere a plăcilor subțiri și groase. Cu toate acestea, o putere de vârf mai mică are ca rezultat un aport excesiv de căldură, iar fiecare material are o lățime optimă a impulsului care maximizează penetrarea.
4, sudarea cu laser cu defocalizare necesită de obicei o anumită cantitate de defocalizare, deoarece densitatea de putere a focalizării laserului în centrul punctului este prea mare, evaporându-se ușor în găuri. Distribuția densității de putere este relativ uniformă în fiecare plan dinspre focalizarea laserului. Există două metode de defocalizare: defocalizarea pozitivă și defocalizarea negativă. Dacă planul focal este situat deasupra piesei de prelucrat, există o defocalizare pozitivă; altfel, există o defocalizare negativă. Conform teoriei opticii geometrice, atunci când distanța dintre planurile de defocalizare pozitiv și negativ și planul de sudare este egală, densitatea de putere pe planul corespunzător este aproximativ aceeași, dar forma reală a băii de sudură obținută este diferită. În cazul defocalizării negative, se poate obține o penetrare mai mare, ceea ce este legat de procesul de formare a băii de sudură topite.
5, viteza de sudare Viteza de sudare determină calitatea suprafeței de sudură, penetrarea, zona afectată termic etc. Viteza de sudare va afecta aportul de căldură pe unitatea de timp. Dacă viteza de sudare este prea mică, aportul de căldură este prea mare, rezultând arderea piesei de prelucrat. Dacă viteza de sudare este prea mare, aportul de căldură este prea mic, rezultând opacitatea sudurii piesei de prelucrat. Reducerea vitezei de sudare este de obicei utilizată pentru a îmbunătăți penetrarea.
6. Suflarea auxiliară a gazului protector Suflarea auxiliară a gazului protector este un proces esențial în sudarea cu laser de mare putere. Pe de o parte, pentru a preveni pulverizarea și poluarea oglinzii de focalizare a materialelor metalice; pe de altă parte, pentru a preveni focalizarea excesivă a plasmei generate în procesul de sudare și a împiedica laserul să ajungă la suprafața materialului. În procesul de sudare cu laser, heliul, argonul, azotul și alte gaze sunt adesea utilizate pentru a proteja baia topită, astfel încât piesa de prelucrat să fie protejată de oxidare în ingineria sudării. Factori precum tipul de gaz protector, dimensiunea fluxului de aer și unghiul de suflare au o influență mare asupra rezultatului sudării. Diferitele metode de suflare au, de asemenea, o anumită influență asupra calității sudării.
Heliul nu se ionizează ușor (are o energie ionizantă ridicată), permițând laserului să treacă lin și energiei fasciculului să ajungă nestingherit la suprafața piesei de prelucrat. Acesta este cel mai eficient gaz protector utilizat în sudarea cu laser, dar prețul este relativ ridicat. Argonul este mai ieftin și mai dens, deci are o protecție mai bună. Cu toate acestea, este ușor ionizat de plasma metalică la temperatură înaltă, protejând astfel o parte a fasciculului de piesa de prelucrat, reducând puterea laser efectivă a sudării, dar și afectând viteza și penetrarea sudării. Suprafețele sudurilor protejate de argon sunt mai netede decât cele protejate de heliu. Azotul este cel mai ieftin ca gaz protector, dar nu este potrivit pentru unele tipuri de sudură a oțelului inoxidabil, în principal din cauza problemelor metalurgice, cum ar fi absorbția, care uneori creează pori în zona de suprapunere.
Ca o nouă tehnologie de sudare, sudarea cu laser are caracteristici precum densitate energetică ridicată, viteză mare, precizie ridicată, penetrare profundă și adaptabilitate puternică. Aplicarea sa este din ce în ce mai extinsă, ceea ce poate nu numai să îmbunătățească eficiența producției, ci și calitatea sudării. Tehnologia de sudare cu laser va juca cu siguranță un rol mai important în domeniul prelucrării materialelor.
Data publicării: 28 martie 2023
