Princípio de soldagem a laser
A soldagem a laser pode ser realizada por feixes de laser contínuos ou pulsados. O princípio da soldagem a laser pode ser dividido em soldagem por condução de calor e soldagem por penetração profunda a laser. Quando a densidade de potência é inferior a 104~105 W/cm2, trata-se de soldagem por condução de calor. Neste momento, a profundidade de penetração é rasa e a velocidade de soldagem é lenta; quando a densidade de potência é maior que 105 ~ 107 W/cm2, a superfície do metal é afundada em "cavidades" por aquecimento, formando soldagem de penetração profunda, que possui as características de velocidade de soldagem rápida e grande proporção.
O princípio da soldagem a laser por condução de calor é: a radiação do laser aquece a superfície a ser processada e o calor da superfície se difunde para o interior através da condução de calor. Ao controlar a largura do pulso do laser, energia, potência de pico e frequência de repetição e outros parâmetros do laser, a peça de trabalho é derretida para formar uma poça de fusão específica. .
A máquina de solda a laser usada para soldagem de engrenagens e soldagem de chapas finas metalúrgicas envolve principalmente soldagem de penetração profunda a laser. O seguinte enfoca o princípio da soldagem de penetração profunda a laser.
A soldagem por penetração profunda a laser geralmente usa feixes de laser contínuos para completar a conexão de materiais, e seu processo físico metalúrgico é muito semelhante à soldagem por feixe de elétrons, ou seja, o mecanismo de conversão de energia é concluído através da estrutura "buraco da fechadura". Sob irradiação de laser de densidade de potência suficientemente alta, o material evapora e forma pequenos poros. Este pequeno orifício cheio de vapor é como um corpo negro, absorvendo quase toda a energia do feixe incidente, e a temperatura de equilíbrio na cavidade atinge cerca de 2500 0C. O calor é transmitido da parede externa da cavidade de alta temperatura para derreter o metal ao redor da cavidade. O pequeno orifício é preenchido com vapor de alta temperatura gerado pela evaporação contínua do material da parede sob a irradiação do feixe, as paredes do pequeno orifício são cercadas por metal fundido e o metal líquido é cercado por materiais sólidos (enquanto em processos de soldagem mais convencionais e soldagem por condução a laser, a energia primeiro depositada na superfície da peça de trabalho e depois transportada para o interior por transmissão). O fluxo de líquido fora da parede do poro e a tensão superficial da camada da parede mantêm um equilíbrio dinâmico com a pressão de vapor gerada continuamente na cavidade do poro. O feixe entra continuamente no pequeno orifício e o material fora do pequeno orifício flui continuamente. À medida que a viga se move, o pequeno orifício está sempre em um estado estável de fluxo. Ou seja, o pequeno orifício e o metal fundido ao redor da parede do orifício avançam com a velocidade de avanço da viga principal, e o metal fundido preenche a lacuna deixada pelo pequeno orifício e então se condensa, de modo que a solda é formada. Tudo isso do processo acima acontece tão rapidamente que as velocidades de soldagem podem facilmente atingir vários metros por minuto.
02
Os principais parâmetros do processo de soldagem por penetração profunda a laser
1) Potência do laser. Existe um valor limite de densidade de energia do laser na soldagem a laser. Abaixo deste valor, a profundidade de penetração é muito rasa. Uma vez que este valor seja alcançado ou excedido, a profundidade de penetração será grandemente aumentada. O plasma é gerado apenas quando a densidade de potência do laser na peça de trabalho excede um valor limite (dependendo do material), que marca o progresso da soldagem de penetração profunda estável. Se a potência do laser estiver abaixo desse limite, ocorre apenas a fusão da superfície da peça de trabalho, ou seja, a soldagem ocorre com condução de calor estável. Quando a densidade de potência do laser está próxima da condição crítica para a formação de pequenos orifícios, a soldagem por penetração profunda e a soldagem por condução são realizadas alternadamente, o que torna o processo de soldagem instável, resultando em grandes flutuações na profundidade de penetração. Durante a soldagem de penetração profunda a laser, a potência do laser controla a profundidade de penetração e a velocidade de soldagem ao mesmo tempo. A penetração da soldagem está diretamente relacionada à densidade de potência do feixe e é uma função da potência do feixe incidente e do ponto focal do feixe. Em geral, para um feixe de laser de um determinado diâmetro, a profundidade de penetração 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 porque determina a densidade de potência. Mas para lasers de alta potência, sua medição é um problema difícil, embora existam muitas técnicas de medição indireta.
O tamanho do ponto limitado por difração do foco do feixe pode ser calculado de acordo com a teoria da difração de luz, mas devido à existência de aberração da lente de foco, o tamanho real do ponto é maior que o valor calculado. O método prático mais simples é o método de perfilagem isotérmica, que mede o ponto focal e o diâmetro da perfuração após carbonizar e penetrar uma placa de polipropileno com papel grosso. Este método precisa dominar a potência do laser e o tempo de ação do feixe por meio da prática de medição.
3) Valor de absorção do material. A absorção da luz do laser pelos materiais depende de algumas propriedades importantes dos materiais, como absortividade, refletividade, condutividade térmica, temperatura de fusão, temperatura de evaporação, etc., sendo a mais importante a absortividade.
Os fatores que afetam a taxa de absorção do material ao feixe de laser incluem dois aspectos: o primeiro é a resistividade do material. Depois de medir a taxa de absorção da superfície polida do material, descobriu-se que a taxa de absorção do material é proporcional à raiz quadrada da resistividade e a resistividade varia com a temperatura. Em segundo lugar, o estado da superfície (ou lisura) do material tem uma influência mais importante na taxa de absorção do feixe, que tem um efeito significativo no efeito de soldagem.
O comprimento de onda de saída de um laser de CO2 é geralmente de 10,6 μm. A taxa de absorção de cerâmica, vidro, borracha, plástico e outros não-metais é muito alta à temperatura ambiente, enquanto a taxa de absorção de materiais metálicos é muito baixa à temperatura ambiente, até que o material seja derretido ou mesmo gasoso. Sua absorção aumenta drasticamente. É muito eficaz melhorar a absorção de feixes de luz pelo material usando revestimento de superfície ou formação de filme de óxido de superfície.
4) Velocidade de soldagem. A velocidade de soldagem tem grande influência na profundidade de penetração. Aumentar a velocidade tornará a penetração superficial, mas se a velocidade for muito baixa, o material derreterá demais e a peça de trabalho será soldada. Portanto, existe uma faixa de velocidade de soldagem adequada para um material específico com uma certa potência do laser e uma certa espessura, e a profundidade máxima de penetração pode ser obtida no valor de velocidade correspondente. A Figura 10-2 mostra a relação entre a velocidade de soldagem e a profundidade de penetração do aço 1018.
5) Gás protetor. O gás inerte é freqüentemente usado para proteger a poça de fusão no processo de soldagem a laser. Quando alguns materiais são soldados independentemente da oxidação da superfície, a proteção pode não ser considerada, mas para a maioria das aplicações, hélio, argônio, nitrogênio e outros gases são freqüentemente usados como proteção para tornar a peça de trabalho protegida da oxidação durante a soldagem.
O hélio não é facilmente ionizado (maior energia de ionização), o que permite que o laser passe suavemente, e a energia do feixe atinge a superfície da peça de trabalho sem impedimentos. Este é o gás de proteção mais eficaz usado na soldagem a laser, mas é mais caro.
O gás argônio é mais barato e mais denso, então o efeito de proteção é melhor. No entanto, é suscetível à ionização por plasma de metal em alta temperatura, que impede que parte do feixe atinja a peça de trabalho, reduz a potência efetiva do laser para soldagem e também prejudica a velocidade e a penetração da soldagem. A superfície da solda protegida por argônio é mais lisa do que quando protegida por hélio.
O nitrogênio é o gás de proteção mais barato, mas não é adequado para a soldagem de alguns tipos de aço inoxidável, principalmente devido a problemas metalúrgicos, como a absorção, que às vezes produz porosidade na área de sobreposição.
A segunda função do uso de gás de proteção é proteger a lente de focagem da contaminação por vapor de metal e respingos de gotículas de líquido. Principalmente na soldagem a laser de alta potência, pois a ejeção se torna muito potente, sendo mais necessário proteger a lente neste momento.
A terceira função do gás de proteção é que ele é muito eficaz em dissipar a blindagem 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 protetor ao redor do vapor de metal também é ionizado devido ao calor. Se houver muito plasma presente, o feixe de laser é um tanto consumido pelo plasma. O plasma existe na superfície de trabalho como uma segunda energia, o que torna a penetração rasa e a superfície da poça de fusão se alarga. A taxa de recombinação de elétrons é aumentada aumentando as colisões de três corpos de elétrons com íons e átomos neutros para reduzir a densidade de elétrons no plasma. Quanto mais leves os átomos neutros, maior a frequência de colisão e maior a taxa de recombinação; por outro lado, apenas o gás protetor com alta energia de ionização não aumentará a densidade eletrônica devido à ionização do próprio gás.
O tamanho da nuvem de plasma varia com o gás de proteção usado, sendo o hélio o menor, o nitrogênio o segundo e o argônio o maior. Quanto maior o tamanho do plasma, menor a penetração. 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 do gás de proteção.
O hélio é o gás menos ionizado e menos denso e rapidamente expulsa os vapores metálicos ascendentes gerados a partir do banho de metal fundido. Portanto, usar hélio como gás de proteção pode suprimir o plasma ao máximo, aumentando assim a profundidade de penetração e aumentando a velocidade de soldagem; devido ao seu peso leve, pode escapar e não é fácil causar poros. Claro, de nosso efeito de soldagem real, o efeito da proteção de argônio não é ruim.
O efeito da nuvem de plasma na penetração é mais evidente na área de baixa velocidade de soldagem. Seu efeito diminui à medida que a velocidade de soldagem aumenta.
O gás de proteção é injetado a uma certa pressão através do bocal para atingir a superfície da peça de trabalho. A forma hidrodinâmica do bocal e o diâmetro da saída são muito importantes. 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 que o vapor de metal contamine ou que respingos de metal danifiquem a lente, o tamanho do bocal também deve ser limitado. A vazão também deve ser controlada, caso contrário o fluxo laminar do gás de proteção ficará turbulento, e a atmosfera estará envolvida na poça fundida, eventualmente formando poros.
Para melhorar o efeito protetor, também pode ser usado um método adicional de sopro lateral, ou seja, através de um bocal de diâmetro menor, o gás protetor é injetado diretamente no pequeno orifício da soldagem de penetração profunda em um determinado ângulo. O gás de proteção não apenas suprime a nuvem de plasma na superfície da peça de trabalho, mas também exerce influência na formação do plasma e pequenos orifícios no orifício, aumenta ainda mais a profundidade de penetração e obtém uma solda com uma relação profundidade-largura ideal . No entanto, este método requer um controle preciso do tamanho e direção do fluxo de ar, caso contrário, é provável que ocorra um fluxo turbulento e destrua a poça de fusão, dificultando a estabilização do processo de soldagem.
6) Distância focal da lente. O método de focagem é geralmente usado para condensar o laser durante a soldagem, e uma lente com distância focal de 63~254mm (2,5"~10") é geralmente usada. O tamanho do ponto de foco 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 em sincronia com a distância focal, portanto, uma distância focal curta pode aumentar 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 penetração não é grande. Devido à influência dos respingos e do modo laser gerado no processo de soldagem, a profundidade focal mais curta usada na soldagem real é principalmente a distância focal de 126 mm (5"). Quando a junta é grande ou a costura de solda precisa ser aumentada aumentando o tamanho do ponto, você pode escolher uma lente com distância focal de 254 mm (10"). Neste caso, para obter o efeito pinhole de penetração profunda, é necessária uma potência de saída do laser (densidade de potência) maior.
Quando a potência do laser excede 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, o método de foco reflexivo é frequentemente usado, e um espelho de cobre polido é geralmente usado como refletor. Muitas vezes, é recomendado para focalizar feixes de laser de alta potência devido ao resfriamento eficaz.
7) Posição do foco. Ao soldar, a posição do foco é crítica para manter a densidade de potência suficiente. Alterações na posição relativa do ponto focal e da superfície da peça de trabalho afetam diretamente a largura e a profundidade da solda. A Figura 2-6 mostra o efeito da posição do foco na profundidade de penetração e na largura da costura do aço 1018.
Na maioria das aplicações de soldagem a laser, o ponto focal normalmente está localizado a aproximadamente 1/4 da profundidade de penetração desejada 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 do que juntas sobrepostas. Por exemplo, quando uma engrenagem de aço endurecido é soldada a um tambor de aço macio, o controle adequado da posição do feixe de laser ajudará a produzir uma solda com um componente predominantemente de baixo carbono que é relativamente resistente 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) Controle gradual de subida e descida da potência do laser nos pontos inicial e final da soldagem. Durante a soldagem de penetração profunda a laser, sempre existem pequenos orifícios, independentemente da profundidade da solda. Quando o processo de soldagem é encerrado e o interruptor de energia é desligado, um sulco aparecerá no final da solda. Além disso, quando a camada de solda a laser cobre a costura de solda original, ocorrerá absorção excessiva do feixe de laser, resultando em superaquecimento da solda ou geração de poros.
Para evitar que o fenômeno acima aconteça, os pontos de partida e parada da energia podem ser programados para ajustar o tempo de início e fim da energia, ou seja, a energia inicial é aumentada eletronicamente de zero até o valor de energia definido em um curto período de tempo, e a soldagem pode ser ajustada. Tempo e, finalmente, a potência é gradualmente reduzida da potência definida para zero quando a soldagem é finalizada.
03
Características, vantagens e desvantagens da soldagem por penetração profunda a laser
Características da soldagem de penetração profunda a laser
1) Alta relação de aspecto. À medida que o metal fundido se forma ao redor da cavidade cilíndrica do vapor quente e se estende em direção à peça de trabalho, a solda se torna profunda e estreita.
2) Entrada mínima de calor. Como a temperatura no orifício pequeno é muito alta, o processo de fusão ocorre extremamente rápido, a entrada de calor na peça de trabalho é muito baixa e a deformação térmica e a zona afetada pelo calor são pequenas.
3) Alta densidade. Porque os pequenos poros preenchidos com vapor de alta temperatura favorecem a agitação da poça de fusão e o escape de gás, resultando em uma solda de penetração sem poros. A alta taxa de resfriamento após a soldagem pode facilmente tornar a estrutura da solda mais fina.
4) Soldas fortes. Devido à fonte de calor ardente e à absorção suficiente de componentes não metálicos, o teor de impurezas é reduzido e o tamanho das inclusões e sua distribuição na poça de fusão são alterados. O processo de soldagem não requer eletrodos ou fios de adição, e a zona de fusão é menos poluída, de modo que a resistência e a tenacidade da solda são pelo menos iguais ou até superiores às do metal original.
5) Controle preciso. Como o ponto de luz focalizado é pequeno, a costura de solda pode ser posicionada com alta precisão. A saída do laser não tem "inércia", pode ser parada e reiniciada em alta velocidade, e a peça de trabalho complexa pode ser soldada com a tecnologia de movimento de feixe de controle numérico.
6) Processo de soldagem atmosférica sem contato. Como a energia vem do feixe de fótons, não há contato físico com a peça de trabalho, portanto nenhuma força externa é aplicada à peça de trabalho. Além disso, o magnetismo e o ar não têm efeito sobre a luz do laser.
Vantagens da soldagem de penetração profunda a laser
1) Como o laser focalizado tem uma densidade de potência muito maior do que os métodos convencionais, a velocidade de soldagem é rápida, a zona afetada pelo calor e a deformação são pequenas e materiais difíceis de soldar, como o titânio, também podem ser soldados.
2) Porque o feixe é fácil de transmitir e controlar, e não há necessidade de substituir a tocha e o bocal com frequência, e não há necessidade de vácuo para soldagem por feixe de elétrons, o que reduz significativamente o tempo de inatividade auxiliar, portanto, o fator de carga e a eficiência da produção é alta.
3) Devido ao efeito de purificação e alta taxa de resfriamento, a resistência da solda, tenacidade e desempenho abrangente são altos.
4) Devido à baixa entrada média de calor e alta precisão de processamento, os custos de reprocessamento podem ser reduzidos; além disso, o custo operacional da soldagem a laser também é baixo, o que pode reduzir os custos de processamento da peça.
5) Ele pode efetivamente controlar a intensidade do feixe e o posicionamento preciso, e é fácil de realizar a operação automática.
Desvantagens da soldagem de penetração profunda a laser
1) A profundidade de soldagem é limitada.
2) Os requisitos de montagem da peça de trabalho são altos.
3) O investimento único do sistema a laser é relativamente alto
