Introduzione:
Nell'articolo precedente, abbiamo discusso i principi e le caratteristiche della saldatura laser a penetrazione profonda. Qui, ci concentreremo sui principali parametri di processo. Questo è utile per saperne di più su questa tecnica di saldatura.
I principali parametri di processo della saldatura laser a penetrazione profonda
1. Potenza laser
Esiste un valore soglia di densità di energia laser nella saldatura laser. Al di sotto di questo valore, la profondità di penetrazione è molto bassa. Una volta raggiunto o superato questo valore, la profondità di penetrazione aumenterà notevolmente. Solo quando la densità di potenza laser sul pezzo in lavorazione supera un valore soglia (a seconda del materiale) verrà generato il plasma. Ciò segna il progresso della saldatura a penetrazione profonda stabile.
Se la potenza laser è al di sotto di questa soglia, si verifica solo la fusione superficiale del pezzo. Questa è una saldatura a conduzione termica stabile. Tuttavia, quando la densità di potenza laser è vicina alla condizione critica per la formazione di piccoli fori, la saldatura a penetrazione profonda e la saldatura a conduzione vengono eseguite alternativamente. Questo diventa un processo di saldatura instabile, con conseguenti grandi fluttuazioni nella profondità di penetrazione.
Durante la saldatura laser a penetrazione profonda, la potenza del laser controlla contemporaneamente la profondità di penetrazione e la velocità di saldatura. La penetrazione della saldatura è direttamente correlata alla densità di potenza del raggio ed è una funzione della potenza del raggio incidente e del punto focale del raggio. In generale, per un raggio laser di un certo diametro, la profondità di penetrazione aumenta all'aumentare della potenza del raggio.
2. Punto focale del raggio
La dimensione dello spot del raggio è una delle variabili più importanti nella saldatura laser. Perché determina la densità di potenza. Ma per i laser ad alta potenza, la sua misurazione è difficile. Sebbene esistano molte tecniche di misurazione indiretta.
La dimensione del punto limitata dalla diffrazione del fuoco del raggio può essere calcolata secondo la teoria della diffrazione della luce. Ma a causa dell'esistenza dell'aberrazione della lente di messa a fuoco, la dimensione effettiva del punto è maggiore del valore calcolato. Il metodo pratico più semplice è il metodo di profilazione isotermica. Ciò significa misurare il punto focale e il diametro della perforazione dopo aver carbonizzato e penetrato una piastra di polipropilene con carta spessa. Questo metodo deve padroneggiare la potenza del laser e il tempo di azione del raggio attraverso la pratica di misurazione.
3. Valore di assorbimento del materiale
L'assorbimento della luce laser da parte di un materiale dipende da alcune importanti proprietà del materiale. Come l'assorbanza, la riflettività, la conduttività termica, la temperatura di fusione, la temperatura di evaporazione, ecc.
La cosa più importante è la velocità di assorbimento.
I fattori che influenzano la velocità di assorbimento del materiale da parte del raggio laser includono due aspetti:
- Per prima cosa, misura l'assorbanza della superficie lucidata del materiale. Si è scoperto che la resistività del materiale è proporzionale alla radice quadrata del coefficiente di resistività. Il coefficiente di resistività cambia con la temperatura.
- In secondo luogo, la condizione della superficie (o finitura) del materiale ha un effetto più importante sul tasso di assorbimento del raggio. Pertanto ha un effetto significativo sull'effetto di saldatura.
I non metalli come ceramiche, vetro, gomma e plastica hanno un alto tasso di assorbimento a temperatura ambiente. Tuttavia, i materiali metallici hanno un basso tasso di assorbimento a temperatura ambiente. E una volta che il materiale si scioglie o addirittura evapora, aumenterà notevolmente. L'utilizzo di un rivestimento superficiale o di una pellicola di ossido superficiale migliora efficacemente l'assorbimento del fascio di luce del materiale.
4. Velocità di saldatura
La velocità di saldatura ha una grande influenza sulla profondità di penetrazione. Aumentando la velocità la penetrazione sarà più superficiale. Ma se la velocità è troppo bassa, il materiale sarà sovrafuso e il pezzo in lavorazione sarà saldato completamente. Pertanto, esiste un intervallo di velocità di saldatura adatto per un materiale specifico con una certa potenza laser e spessore. La profondità di penetrazione massima può essere ottenuta al valore di velocità corrispondente.
5. Gas di protezione
Il gas inerte viene spesso utilizzato per proteggere la piscina fusa durante la saldatura laser. Alcuni materiali vengono saldati indipendentemente dall'ossidazione superficiale e la protezione potrebbe non essere presa in considerazione. Ma per la maggior parte delle applicazioni, elio, argon, azoto e altri gas vengono spesso utilizzati come protezione.
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Elio
L'elio non è facilmente ionizzabile (energia di ionizzazione più elevata). Ciò consente al laser di passare senza problemi e l'energia del raggio raggiunge la superficie del pezzo senza ostacoli. Questo è il gas di protezione più efficace utilizzato nella saldatura laser. Ma è più costoso.
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gas argon
Il gas argon è più economico e più denso, quindi l'effetto di protezione è migliore. Tuttavia, è suscettibile alla ionizzazione del plasma metallico ad alta temperatura. Ciò può proteggere parte del raggio dall'impatto con il pezzo in lavorazione, ridurre la potenza laser effettiva per la saldatura e danneggiare la velocità e la penetrazione della saldatura. La superficie di saldatura protetta dall'argon è più liscia di quella protetta dall'elio.
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Azoto
L'azoto è il gas di protezione più economico. Tuttavia, non è adatto per la saldatura di alcuni tipi di acciaio inossidabile, principalmente a causa di problemi metallurgici, come l'assorbimento. A volte, questo produce porosità nell'area di sovrapposizione.
L'uso del gas protettivo è vantaggioso principalmente nei tre aspetti seguenti:
- Proteggere il pezzo dall'ossidazione durante la saldatura.
- Proteggere la lente di messa a fuoco dalla contaminazione da vapori metallici e dallo sputtering di goccioline liquide, specialmente nella saldatura laser ad alta potenza. Poiché l'espulsione diventa potente, è necessario proteggere la lente ora.
- Dissipare lo scudo al plasma prodotto dalla saldatura laser ad alta potenza. Il vapore metallico assorbe il raggio laser e si ionizza in una nuvola di plasma. Anche il gas protettivo attorno al vapore metallico viene ionizzato a causa del calore. Se è presente troppo plasma, il raggio laser viene in qualche modo consumato dal plasma. Il plasma esiste sulla superficie di lavoro come una seconda energia, il che rende la penetrazione superficiale e la superficie del bagno di saldatura si allarga. Il tasso di ricombinazione degli elettroni aumenta aumentando le collisioni a tre corpi degli elettroni con ioni e atomi neutri per ridurre la densità degli elettroni nel plasma. Più leggeri sono gli atomi neutri, più alta è la frequenza di collisione e il tasso di ricombinazione. D'altra parte, solo il gas protettivo con elevata energia di ionizzazione non aumenterà la densità degli elettroni a causa della ionizzazione del gas stesso.
6. Lunghezza focale dell'obiettivo
Il metodo di messa a fuoco è solitamente utilizzato per condensare il laser durante la saldatura e generalmente viene utilizzata una lente con una lunghezza focale di 63~254mm. La dimensione del punto di messa a fuoco è proporzionale alla lunghezza focale. Più corta è la lunghezza focale, più piccolo è il punto. Tuttavia, la lunghezza focale influisce anche sulla profondità focale. Vale a dire, la profondità focale aumenta in modo sincrono con la lunghezza focale. Quindi, una lunghezza focale corta può aumentare la densità di potenza. A causa della piccola profondità focale, la distanza tra la lente e il pezzo in lavorazione deve essere mantenuta con precisione e la profondità di penetrazione non è grande.
A causa dell'influenza degli spruzzi e della modalità laser generata nel processo di saldatura, la profondità focale più corta utilizzata nella saldatura effettiva è per lo più la lunghezza focale di 126 mm (5"). Quando il giunto è grande o la saldatura deve essere aumentata aumentando la dimensione del punto, è possibile scegliere una lente con una lunghezza focale di 254 mm. In questo caso, è richiesta una potenza di uscita laser maggiore (densità di potenza) per ottenere l'effetto stenopeico a penetrazione profonda.
Quando la potenza del laser supera i 2 kW (in particolare per il raggio laser CO2 da 10,6 μm), a causa dell'uso di materiali ottici speciali per formare il sistema ottico, il metodo di messa a fuoco riflettente viene spesso utilizzato per evitare il rischio di danni ottici alla lente di messa a fuoco. Uno specchio di rame lucidato viene generalmente utilizzato come riflettore. È spesso consigliato per la messa a fuoco di raggi laser ad alta potenza grazie al raffreddamento efficace.
7. Posizione di messa a fuoco
La posizione del punto focale è fondamentale per mantenere un'adeguata densità di potenza durante la saldatura. Le modifiche nella posizione del punto focale rispetto alla superficie del pezzo in lavorazione influiscono direttamente sulla larghezza e sulla profondità della saldatura.
Nella maggior parte delle applicazioni di saldatura laser, il punto focale si trova solitamente a circa 1/4 della profondità di fusione desiderata sotto la superficie del pezzo.
8. Posizione del raggio laser
Quando si saldano al laser materiali dissimili, la posizione del raggio laser controlla la qualità finale della saldatura, specialmente nel caso di giunti di testa rispetto ai giunti a sovrapposizione. Ad esempio, quando un ingranaggio in acciaio temprato viene saldato a un tamburo in acciaio dolce, un controllo appropriato della posizione del raggio laser aiuterà a produrre una saldatura con un componente relativamente resistente alle crepe e prevalentemente a basso tenore di carbonio. In alcune applicazioni, la geometria del pezzo da saldare richiede che il raggio laser venga deviato di un angolo. Quando l'angolo di deviazione tra l'asse del raggio e il piano del giunto è entro 100 gradi, l'assorbimento dell'energia laser da parte del pezzo non verrà influenzato.
9. Controllo graduale dell'aumento e della diminuzione della potenza laser nei punti di inizio e fine della saldatura
Durante la saldatura laser a penetrazione profonda, si formano sempre piccoli fori indipendentemente dalla profondità della saldatura. Quando il processo di saldatura è terminato e l'interruttore di alimentazione è spento, apparirà una cavità alla fine della saldatura. Inoltre, quando lo strato di saldatura laser copre la saldatura originale, si verificherà un assorbimento eccessivo del raggio laser. Ciò provoca il surriscaldamento della saldatura o la generazione di pori.
Per evitare che si verifichino i fenomeni di cui sopra, i punti di avvio e arresto della potenza possono essere programmati per regolare i tempi di inizio e fine della potenza. La potenza iniziale viene aumentata elettronicamente da zero al valore di potenza impostato in un breve periodo. E il tempo di saldatura può essere regolato. Infine, la potenza viene gradualmente ridotta dalla potenza impostata a zero quando la saldatura è terminata.