Principales parámetros del proceso de soldadura láser de penetración profunda

Introducción:

En el artículo anterior, analizamos los principios y las características de la soldadura por láser de penetración profunda. Aquí nos centraremos en los principales parámetros del proceso. Esto le resultará útil para conocer mejor esta técnica de soldadura.

Principales parámetros del proceso de soldadura láser de penetración profunda

1. Potencia del láser

Existe un valor umbral de densidad de energía láser en la soldadura láser. Por debajo de este valor, la profundidad de penetración es muy escasa. Una vez alcanzado o superado este valor, la profundidad de penetración aumentará considerablemente. Sólo cuando la densidad de energía láser en la pieza supere un valor umbral (en función del material) se generará el plasma. Esto marca el progreso de la soldadura de penetración profunda estable.

Si la potencia del láser está por debajo de este umbral, sólo se produce la fusión superficial de la pieza. Se trata de una soldadura por conducción de calor estable. Sin embargo, cuando la densidad de potencia del láser se aproxima a la condición crítica para la formación de pequeños orificios, la soldadura por penetración profunda y la soldadura por conducción se realizan alternativamente. Esto se convierte en un proceso de soldadura inestable, que da lugar a grandes fluctuaciones en la profundidad de penetración.

Durante la soldadura por penetración profunda con láser, la potencia del láser controla la profundidad de penetración y la velocidad de soldadura al mismo tiempo. La penetración de la soldadura está directamente relacionada con la densidad de potencia del haz y es función de la potencia del haz incidente y del punto focal del haz. En general, para un haz láser de un determinado diámetro, la profundidad de penetración aumenta a medida que lo hace la potencia del haz.

2. Punto focal del haz

El tamaño del punto del haz es una de las variables más importantes en la soldadura láser. Porque determina la densidad de potencia. Pero para los láseres de alta potencia, su medición es difícil. Aunque existen muchas técnicas de medición indirecta.

El tamaño del punto de difracción limitada del haz de enfoque puede calcularse de acuerdo con la teoría de difracción de la luz. Pero debido a la existencia de aberración de la lente de enfoque, el tamaño real del punto es mayor que el valor calculado. El método práctico más sencillo es el método de perfil isotérmico. Consiste en medir el punto focal y el diámetro de perforación tras carbonizar y penetrar una placa de polipropileno con papel grueso. Este método necesita dominar la potencia del láser y el tiempo de acción del haz mediante la práctica de la medición.

3. Valor de absorción del material

La absorción de la luz láser por un material depende de algunas propiedades importantes del material. Como la absortividad, la reflectividad, la conductividad térmica, la temperatura de fusión, la temperatura de evaporación, etc.
Lo más importante es la tasa de absorción.

Los factores que afectan a la tasa de absorción del material al rayo láser incluyen dos aspectos:

  • En primer lugar, medir la absorbancia de la superficie pulida del material. Se comprobó que la resistividad del material es proporcional a la raíz cuadrada del coeficiente de resistividad. El coeficiente de resistividad cambia con la temperatura.
  • En segundo lugar, el estado de la superficie (o acabado) del material tiene un efecto más importante en la tasa de absorción del haz. Por lo tanto, tiene un efecto significativo en el efecto de la soldadura.

Los materiales no metálicos, como la cerámica, el vidrio, el caucho y los plásticos, tienen un alto índice de absorción a temperatura ambiente. Sin embargo, los materiales metálicos tienen un índice de absorción bajo a temperatura ambiente. Y una vez que el material se funde o incluso se evapora, aumentará bruscamente. El uso de un revestimiento superficial o una película de óxido superficial mejora eficazmente la absorción del haz de luz del material.

4. Velocidad de soldadura

La velocidad de soldadura tiene una gran influencia en la profundidad de penetración. Aumentar la velocidad hará que la penetración sea menor. Pero si la velocidad es demasiado baja, el material se fundirá en exceso y la pieza quedará soldada. Por lo tanto, existe un rango de velocidad de soldadura adecuado para un material específico con una potencia láser y un grosor determinados. La máxima profundidad de penetración puede obtenerse con el valor de velocidad correspondiente.

5. Gas protector

A menudo se utiliza gas inerte para proteger el baño de fusión durante la soldadura láser. Algunos materiales se sueldan independientemente de la oxidación de la superficie, y la protección puede no tenerse en cuenta. Pero para la mayoría de las aplicaciones, el helio, el argón, el nitrógeno y otros gases suelen utilizarse como protección.

  • Helio

El helio no se ioniza fácilmente (mayor energía de ionización). Esto permite que el láser lo atraviese sin problemas y que la energía del haz alcance la superficie de la pieza sin obstáculos. Es el gas de protección más eficaz utilizado en la soldadura láser. Pero es más caro.

  • Gas argón

El gas argón es más barato y más denso, por lo que el efecto de protección es mejor. Sin embargo, es susceptible a la ionización del plasma metálico a alta temperatura. Esto puede impedir que parte del haz incida en la pieza, reducir la potencia efectiva del láser para soldar y perjudicar la velocidad de soldadura y la penetración. La superficie de la soldadura protegida con argón es más lisa que la protegida con helio.

  • Nitrógeno

El nitrógeno es el gas de protección más barato. Sin embargo, no es adecuado para soldar algunos tipos de acero inoxidable, principalmente debido a problemas metalúrgicos, como la absorción. A veces, esto produce porosidad en la zona solapada.

El uso de gas protector es beneficioso, principalmente en los tres aspectos siguientes:

  • Proteger la pieza de la oxidación durante la soldadura.
  • Proteja la lente de enfoque de la contaminación por vapor metálico y la pulverización de gotas de líquido, especialmente en la soldadura láser de alta potencia. Debido a que la eyección se vuelve potente, es necesario proteger la lente ahora.
  • Disipar el escudo de plasma producido por la soldadura láser de alta potencia. El vapor metálico absorbe el rayo láser y se ioniza formando una nube de plasma. El gas protector que rodea al vapor metálico también se ioniza debido al calor. Si hay demasiado plasma, el rayo láser es consumido en cierta medida por el plasma. El plasma existe en la superficie de trabajo como una segunda energía, lo que hace que la penetración sea poco profunda y la superficie del baño de soldadura se ensanche. La tasa de recombinación de electrones se incrementa aumentando las colisiones de tres cuerpos de electrones con iones y átomos neutros para reducir la densidad de electrones en el plasma. Cuanto más ligeros sean los átomos neutros, mayor será la frecuencia de colisión y la tasa de recombinación. Por otra parte, sólo el gas protector con alta energía de ionización no aumentará la densidad de electrones debido a la ionización del propio gas.

6. Distancia focal del objetivo

El método de enfoque suele utilizarse para condensar el láser durante la soldadura, y generalmente se utiliza una lente con una longitud focal de 63~254 mm. El tamaño del punto de enfoque es proporcional a la distancia focal. Cuanto menor sea la distancia focal, menor será el punto. Sin embargo, la distancia focal también afecta a la profundidad focal. Es decir, la profundidad focal aumenta de forma sincronizada con la distancia focal. Por tanto, una distancia focal corta puede aumentar la densidad de potencia. Debido a la pequeña profundidad focal, la distancia entre el objetivo y la pieza de trabajo debe mantenerse con precisión, y la profundidad de penetración no es grande.

Debido a la influencia de las salpicaduras y el modo láser generados en el proceso de soldadura, la profundidad focal más corta utilizada en la soldadura real suele ser la distancia focal de 126mm (5″). Cuando la junta es grande o es necesario aumentar el cordón de soldadura aumentando el tamaño del punto, puede elegir una lente con una longitud focal de 254mm. En este caso, se requiere una mayor potencia de salida del láser (densidad de potencia) para lograr el efecto de agujero de alfiler de penetración profunda.

Cuando la potencia del láser supera los 2kW(especialmente para el rayo láser de CO2 de 10,6μm), debido al uso de materiales ópticos especiales para formar el sistema óptico, se suele utilizar el método de enfoque por reflexión para evitar el riesgo de daños ópticos en la lente de enfoque. Como reflector se utiliza generalmente un espejo de cobre pulido. Suele recomendarse para enfocar haces láser de alta potencia debido a su eficaz refrigeración.

7. Posición de enfoque

La posición del punto focal es fundamental para mantener una densidad de potencia adecuada al soldar. Los cambios en la posición del punto focal con respecto a la superficie de la pieza afectan directamente a la anchura y profundidad de la soldadura.
En la mayoría de las aplicaciones de soldadura láser, el punto focal suele situarse aproximadamente 1/4 de la profundidad de fusión deseada por debajo de la superficie de la pieza.

8. Posición del rayo láser

Cuando se sueldan con láser materiales distintos, la posición del rayo láser controla la calidad final de la soldadura, especialmente en el caso de uniones a tope que de solapas. Por ejemplo, cuando se suelda un engranaje de acero templado a un tambor de acero dulce, un control adecuado de la posición del haz láser ayudará a producir una soldadura con un componente relativamente resistente al agrietamiento y predominantemente bajo en carbono. En algunas aplicaciones, la geometría de la pieza a soldar requiere que el haz láser se desvíe en un ángulo. Cuando el ángulo de desviación entre el eje del haz y el plano de la junta se encuentra dentro de los 100 grados, la absorción de la energía láser por la pieza de trabajo no se verá afectada.

9. Control de subida y bajada gradual de la potencia del láser en los puntos inicial y final de la soldadura.

Durante la soldadura por penetración profunda con láser, siempre existen pequeños orificios, independientemente de la profundidad de la soldadura. Cuando finalice el proceso de soldadura y se apague el interruptor de alimentación, aparecerá un hoyo al final de la soldadura. Además, cuando la capa de soldadura láser cubre el cordón de soldadura original, se producirá una absorción excesiva del haz láser. Esto provoca el sobrecalentamiento de la soldadura o la generación de poros.

Para evitar que se produzcan los fenómenos anteriores, los puntos de arranque y parada de la potencia pueden programarse para ajustar los tiempos de inicio y fin de la potencia. La potencia inicial se incrementa electrónicamente desde cero hasta el valor de potencia establecido en un breve periodo. Y se puede ajustar el tiempo de soldadura. Por último, la potencia se reduce gradualmente desde la potencia fijada hasta cero cuando finaliza la soldadura.

العملية الرئيسية للحام بالليزر ذو الاختراق العميق

مقدمة:

ناقشنا في المقالة السابقة مبادئ وخصائص اللحام بالليزر ذو الاختراق العميق. هنا، سوف نركز على معلمات العملية الرئيسية. هذا مفيد لك لمعرفة المزيد عن تقنية اللحام هذه.

معلمات العملية الرئيسية للحام بالليزر ذو الاختراق العميق

1. قوة الليزر

هناك قيمة عتبة لكثافة طاقة الليزر في اللحام بالليزر. تحت هذه القيمة، يكون عمق الاختراق ضحلًا جدًا. وبمجرد الوصول إلى هذه القيمة أو تجاوزها، سيتم زيادة عمق الاختراق بشكل كبير. فقط عندما تتجاوز كثافة طاقة الليزر على قطعة العمل قيمة العتبة (اعتمادًا على المادة) سيتم توليد البلازما. يمثل هذا تقدمًا في اللحام المستقر العميق.

إذا كانت طاقة الليزر أقل من هذا الحد، يحدث ذوبان سطح قطعة العمل فقط. هذا هو لحام التوصيل الحراري المستقر. ومع ذلك، عندما تكون كثافة طاقة الليزر قريبة من الحالة الحرجة لتشكيل ثقوب صغيرة، يتم إجراء اللحام بالاختراق العميق واللحام بالتوصيل بالتناوب. تصبح هذه عملية لحام غير مستقرة، مما يؤدي إلى تقلبات كبيرة في عمق الاختراق.

أثناء اللحام بالاختراق العميق بالليزر، تتحكم طاقة الليزر في عمق الاختراق وسرعة اللحام في نفس الوقت. يرتبط اختراق اللحام ارتباطًا مباشرًا بكثافة طاقة الشعاع وهو دالة على قوة الشعاع الساقط ونقطة بؤرة الشعاع. بشكل عام، بالنسبة لشعاع ليزر بقطر معين، يزداد عمق الاختراق مع زيادة قوة الشعاع.

2. شعاع النقطة المحورية

يعد حجم بقعة الشعاع أحد أهم المتغيرات في اللحام بالليزر. لأنه يحدد كثافة الطاقة. ولكن بالنسبة لأجهزة الليزر عالية الطاقة، فإن قياسها أمر صعب. على الرغم من وجود العديد من تقنيات القياس غير المباشرة.

يمكن حساب حجم البقعة المحدود بالحيود لتركيز الشعاع وفقًا لنظرية حيود الضوء. ولكن نظرًا لوجود انحراف عدسة التركيز، فإن حجم البقعة الفعلي أكبر من القيمة المحسوبة. أبسط طريقة عملية هي طريقة التنميط متساوي الحرارة. وذلك لقياس النقطة البؤرية وقطر الثقب بعد تفحم واختراق لوح البولي بروبيلين بورق سميك. تحتاج هذه الطريقة إلى إتقان قوة الليزر ووقت عمل الشعاع من خلال ممارسة القياس.

3. قيمة امتصاص المواد

يعتمد امتصاص المادة لضوء الليزر على بعض الخصائص المهمة للمادة. مثل الامتصاصية، والانعكاسية، والتوصيل الحراري، ودرجة حرارة الانصهار، ودرجة حرارة التبخر، وما إلى ذلك.
الشيء الأكثر أهمية هو معدل الامتصاص.

العوامل التي تؤثر على معدل امتصاص المادة لشعاع الليزر تشمل جانبين:

أولاً، قم بقياس امتصاصية السطح المصقول للمادة. وقد وجد أن مقاومة المادة تتناسب طرديا مع الجذر التربيعي لمعامل المقاومة. يتغير معامل المقاومة مع درجة الحرارة.
ثانيًا، حالة السطح (أو النهاية) للمادة لها تأثير أكثر أهمية على معدل امتصاص الشعاع. لذلك له تأثير كبير على تأثير اللحام.

تتمتع المواد غير المعدنية مثل السيراميك والزجاج والمطاط والبلاستيك بمعدل امتصاص مرتفع في درجة حرارة الغرفة. ومع ذلك، فإن المواد المعدنية لديها معدل امتصاص ضعيف في درجة حرارة الغرفة. وبمجرد ذوبان المادة أو حتى تبخرها، فإنها ستزداد بشكل حاد. يؤدي استخدام طلاء السطح أو طبقة أكسيد السطح إلى تحسين امتصاص شعاع الضوء للمادة بشكل فعال.

4. سرعة اللحام

سرعة اللحام لها تأثير كبير على عمق الاختراق. زيادة السرعة ستجعل الاختراق أقل عمقا. ولكن إذا كانت السرعة منخفضة جدًا، فسيتم ذوبان المادة بشكل مفرط، وسيتم لحام قطعة العمل من خلالها. لذلك، يوجد نطاق سرعة لحام مناسب لمادة معينة بقوة ليزر وسمك معين. يمكن الحصول على أقصى عمق للاختراق عند قيمة السرعة المقابلة.

5. الغاز الواقي

غالبًا ما يستخدم الغاز الخامل لحماية البركة المنصهرة أثناء اللحام بالليزر. يتم لحام بعض المواد بغض النظر عن أكسدة السطح، وقد لا يتم أخذ الحماية بعين الاعتبار. ولكن بالنسبة لمعظم التطبيقات، غالبًا ما يتم استخدام الهيليوم والأرجون والنيتروجين والغازات الأخرى كحماية.

هيليوم

لا يتأين الهيليوم بسهولة (طاقة تأين أعلى). وهذا يسمح لليزر بالمرور بسلاسة، وتصل طاقة الشعاع إلى سطح قطعة العمل دون عائق. هذا هو غاز الحماية الأكثر فعالية المستخدم في اللحام بالليزر. لكنها أكثر تكلفة.

غاز الأرجون

غاز الأرجون أرخص وأكثر كثافة، وبالتالي فإن تأثير الحماية أفضل. ومع ذلك، فهو عرضة لتأين البلازما المعدنية ذات درجة الحرارة العالية. هذا يمكن أن يحمي جزء من الشعاع من الاصطدام بقطعة العمل، ويقلل من قوة الليزر الفعالة للحام، ويضر بسرعة اللحام والاختراق. يكون سطح اللحام المحمي بالأرجون أكثر سلاسة من سطح اللحام المحمي بالهيليوم.

  • نتروجينيعتبر النيتروجين أرخص غاز واقي. ومع ذلك، فهو غير مناسب لحام بعض أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ، ويرجع ذلك أساسًا إلى مشاكل معدنية، مثل الامتصاص. في بعض الأحيان، ينتج عن ذلك مسامية في المنطقة المتداخلة.

    يعد استخدام الغاز الواقي مفيدًا، بشكل رئيسي في الجوانب الثلاثة التالية:

    - حماية قطعة العمل من الأكسدة أثناء اللحام.
    - حماية عدسة التركيز من تلوث البخار المعدني وتناثر قطرات السائل، خاصة في اللحام بالليزر عالي الطاقة. نظرًا لأن القذف يصبح قويًا، فمن الضروري حماية العدسة الآن.
    -تبديد درع البلازما الناتج عن اللحام بالليزر عالي الطاقة. يمتص البخار المعدني شعاع الليزر ويتأين في سحابة البلازما. ويتأين الغاز الواقي المحيط بالبخار المعدني أيضًا بسبب الحرارة. في حالة وجود الكثير من البلازما، يتم استهلاك شعاع الليزر إلى حد ما بواسطة البلازما. توجد البلازما على سطح العمل كطاقة ثانية، مما يجعل الاختراق سطحيًا ويتسع سطح حوض اللحام. يتم زيادة معدل إعادة تركيب الإلكترونات عن طريق زيادة اصطدامات الأجسام الثلاثة للإلكترونات مع الأيونات والذرات المحايدة لتقليل كثافة الإلكترون في البلازما. كلما كانت الذرات المحايدة أخف وزنا، كلما زاد تردد الاصطدام ومعدل إعادة التركيب. من ناحية أخرى، فإن الغاز الواقي ذو طاقة التأين العالية فقط لن يزيد من كثافة الإلكترون بسبب تأين الغاز نفسه.

6. البعد البؤري للعدسة

عادةً ما يتم استخدام طريقة التركيز لتكثيف الليزر أثناء اللحام، ويتم استخدام عدسة ذات طول بؤري يتراوح من 63 إلى 254 مم بشكل عام. يتناسب حجم نقطة التركيز مع البعد البؤري. كلما كان البعد البؤري أقصر، كانت البقعة أصغر. ومع ذلك، يؤثر البعد البؤري أيضًا على العمق البؤري. أي أن العمق البؤري يزداد بشكل متزامن مع البعد البؤري. لذا، فإن البعد البؤري القصير يمكن أن يزيد من كثافة الطاقة. بسبب العمق البؤري الصغير، يجب الحفاظ على المسافة بين العدسة وقطعة العمل بدقة، وعمق الاختراق ليس كبيرًا.

نظرًا لتأثير الترشيش ووضع الليزر المتولد في عملية اللحام، فإن أقصر عمق بؤري مستخدم في اللحام الفعلي هو في الغالب البعد البؤري البالغ 126 مم (5 بوصات). عندما تكون الوصلة كبيرة أو تحتاج إلى زيادة خط اللحام عن طريق زيادة حجم البقعة، يمكنك اختيار عدسة ذات طول بؤري يبلغ 254 مم. في هذه الحالة، يلزم وجود طاقة خرج ليزر أعلى (كثافة الطاقة) لتحقيق تأثير ثقب الاختراق العميق.

عندما تتجاوز طاقة الليزر 2 كيلو واط (خاصة لشعاع ليزر ثاني أكسيد الكربون 10.6μm)، بسبب استخدام مواد بصرية خاصة لتشكيل النظام البصري، غالبًا ما يتم استخدام طريقة التركيز العاكس لتجنب خطر الضرر البصري لعدسة التركيز. تُستخدم المرآة النحاسية المصقولة بشكل عام كعاكس. يوصى غالبًا بتركيز أشعة الليزر عالية الطاقة بسبب التبريد الفعال.

7. موضع التركيز

يعد موضع النقطة المحورية أمرًا بالغ الأهمية للحفاظ على كثافة الطاقة الكافية عند اللحام. تؤثر التغييرات في موضع النقطة المحورية بالنسبة لسطح قطعة العمل بشكل مباشر على عرض اللحام وعمقه.
في معظم تطبيقات اللحام بالليزر، تقع النقطة البؤرية عادةً على بعد حوالي 1/4 من عمق الدمج المطلوب أسفل سطح قطعة العمل.

8. موضع شعاع الليزر

عند لحام مواد مختلفة بالليزر، يتحكم موضع شعاع الليزر في الجودة النهائية للحام، خاصة في حالة الوصلات التناكبية مقارنة بالمفاصل اللفة. على سبيل المثال، عندما يتم لحام ترس فولاذي مقوى بأسطوانة فولاذية خفيفة، فإن التحكم المناسب في موضع شعاع الليزر سيساعد في إنتاج لحام بمكون مقاوم للتشقق نسبيًا ومنخفض الكربون في الغالب. في بعض التطبيقات، تتطلب هندسة قطعة العمل المراد لحامها أن ينحرف شعاع الليزر بزاوية. عندما تكون زاوية الانحراف بين محور الشعاع ومستوى المفصل ضمن 100 درجة، فإن امتصاص طاقة الليزر بواسطة قطعة العمل لن يتأثر.

9. التحكم في الارتفاع والانخفاض التدريجي لقوة الليزر عند نقطتي بداية ونهاية اللحام

أثناء اللحام باختراق عميق بالليزر، توجد دائمًا ثقوب صغيرة بغض النظر عن عمق اللحام. عند انتهاء عملية اللحام، وإيقاف تشغيل مفتاح الطاقة، ستظهر حفرة في نهاية اللحام. بالإضافة إلى ذلك، عندما تغطي طبقة اللحام بالليزر خط اللحام الأصلي، سيحدث امتصاص مفرط لشعاع الليزر. وهذا يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة اللحام أو تكوين المسام.

لمنع حدوث الظواهر المذكورة أعلاه، يمكن برمجة نقاط بدء وتوقف الطاقة لضبط أوقات بدء وانتهاء الطاقة. يتم زيادة الطاقة الأولية إلكترونيًا من الصفر إلى قيمة الطاقة المحددة خلال فترة قصيرة. ويمكن تعديل وقت اللحام. وأخيرًا، يتم تقليل الطاقة تدريجيًا من الطاقة المحددة إلى الصفر عند انتهاء اللحام.