7 Reliable Sources for Laser Welding Technology

Laser welding technology is an efficient and precise welding method that uses a high-energy-density laser beam as a heat source. Laser welding technology is one of the important aspects of the application of laser material processing technology. In the 1970s, it was mainly used for welding thin-walled materials and low-speed welding. The welding process is of thermal conductivity type, that is, the surface of the workpiece is heated by laser radiation, and the surface heat is diffused to the inside through thermal conduction. By controlling the width, energy, peak power, and repetition frequency of the laser pulse With other parameters, the workpiece is melted to form a specific molten pool. Because of its unique advantages, it has been successfully applied to the precision welding of micro and small parts.

La soldadura láser de China se encuentra en el nivel avanzado del mundo. Tiene la tecnología y la capacidad de utilizar un láser para formar componentes complejos de aleación de titanio de más de 12 metros cuadrados y ha invertido en la fabricación de prototipos y productos de múltiples proyectos de investigación científica de aviación nacionales. En octubre de 2013, los expertos en soldadura chinos ganaron el Premio Brooke, el premio académico más alto en el campo de la soldadura, y el nivel de soldadura láser de China ha sido reconocido por el mundo.

Principio técnico

La soldadura por láser se puede realizar mediante un rayo láser continuo o pulsado. El principio de la soldadura por láser se puede dividir en soldadura por conducción de calor y soldadura por láser de penetración profunda. La densidad de potencia es inferior a 10⁴~10⁵ W / cm² para soldadura por conducción de calor. En este momento, la profundidad de penetración es baja y la velocidad de soldadura es lenta; cuando la densidad de potencia es superior a 10⁵~10⁷ W / cm², la superficie de metal se empotra en "agujeros" bajo la acción del calor para formar una soldadura de penetración profunda. Características de velocidad de soldadura rápida y gran relación de aspecto.

El principio de la soldadura por láser de conducción térmica es: la radiación láser calienta la superficie a procesar y el calor de la superficie se difunde hacia el interior a través de la conducción térmica. Al controlar el ancho del pulso del láser, la energía, la potencia máxima y la frecuencia de repetición, y otros parámetros del láser, la pieza de trabajo se funde para formar un baño de fusión específico.

La máquina de soldadura láser utilizada para la soldadura de engranajes y la soldadura de láminas metalúrgicas consiste principalmente en soldadura láser de penetración profunda.

La soldadura láser de penetración profunda generalmente utiliza rayos láser continuos para completar la conexión de materiales. El proceso físico metalúrgico es muy similar a la soldadura por haz de electrones, es decir, el mecanismo de conversión de energía se completa a través de una estructura de "ojo de cerradura". Bajo una irradiación láser de densidad de potencia suficientemente alta, el material se evapora y forma pequeños agujeros. Este agujero lleno de vapor es como un cuerpo negro, absorbiendo casi toda la energía del rayo incidente.

La temperatura de equilibrio en la cavidad alcanza unos 2500 ° C. El calor se transfiere desde la pared exterior de la cavidad de alta temperatura para fundir el metal que rodea la cavidad. El pequeño orificio se llena con vapor de alta temperatura generado por la evaporación continua del material de la pared bajo la irradiación del haz. Las cuatro paredes del pequeño orificio están rodeadas por metal fundido y el metal líquido está rodeado por materiales sólidos (y en la mayoría de los procesos de soldadura convencionales y soldadura por conducción láser, la energía se deposita primero en la superficie de la pieza de trabajo y luego se transporta a el interior por transferencia).

El flujo de líquido fuera de la pared del poro y la tensión superficial de la capa de la pared se mantienen en un equilibrio dinámico con la presión de vapor generada continuamente en la cavidad. El haz de luz entra continuamente en el orificio pequeño y el material que se encuentra fuera del orificio pequeño fluye continuamente. A medida que el rayo se mueve, el pequeño orificio siempre se encuentra en un estado estable de flujo. En otras palabras, el pequeño orificio y el metal fundido que rodea la pared del orificio avanzan con la velocidad de avance del haz de luz principal, y el metal fundido llena el espacio que queda después de que el pequeño orificio se aleja y se condensa, y se forma la soldadura. . Todos los procesos anteriores ocurren tan rápido que la velocidad de soldadura puede alcanzar fácilmente unos pocos metros por minuto.

Trabaja miquipment

Está compuesto por un oscilador óptico y un medio colocado entre los espejos en ambos extremos de la cavidad del oscilador. Cuando el medio se excita a un estado de alta energía, comienza a generar ondas de luz en la misma fase y se refleja hacia adelante y hacia atrás entre los espejos en ambos extremos, formando un efecto de unión de cuerdas fotoeléctricas, amplificando las ondas de luz y obteniendo suficiente energía. para comenzar a emitir luz láser.

El láser también se puede interpretar como un dispositivo que convierte energía bruta, como energía eléctrica, energía química, energía térmica, energía luminosa o energía nuclear en un haz de radiación electromagnética de ciertas frecuencias de luz específicas (luz ultravioleta, luz visible o infrarroja). luz). La forma de conversión es fácil de realizar en algunos medios sólidos, líquidos o gaseosos. Cuando estos medios se excitan en forma de átomos o moléculas, producen rayos de luz: láseres con casi la misma fase y casi una sola longitud de onda. Debido a la misma fase y longitud de onda única, el ángulo de diferencia es muy pequeño y la distancia que se puede transmitir es bastante larga antes de estar altamente concentrada para proporcionar funciones como soldadura, corte y tratamiento térmico.

Welding Method

Los métodos de soldadura con sellado de sensores son la soldadura por resistencia, la soldadura por arco de argón, la soldadura por haz de electrones, la soldadura por plasma, etc.

Soldadura por resistencia

Se utiliza para soldar piezas metálicas delgadas. La pieza de trabajo se sujeta entre dos electrodos y la superficie del electrodo en contacto con una gran corriente se funde con una gran corriente, es decir, la soldadura se realiza mediante el calentamiento por resistencia de la pieza de trabajo. La pieza de trabajo es fácil de deformar. La soldadura por resistencia se suelda en ambos lados de la junta, mientras que la soldadura por láser solo se realiza en un lado. Los electrodos utilizados en la soldadura por resistencia deben mantenerse con frecuencia para eliminar los óxidos y el metal adherido a la pieza de trabajo. La soldadura por láser de juntas de solape de metal delgadas no está en contacto con la pieza de trabajo, el rayo también puede entrar en el área que es difícil de soldar mediante soldadura convencional, y la velocidad de soldadura es rápida.

Soldadura por arco de argón: utilizando electrodos no consumibles y gas protector, a menudo se utiliza para soldar piezas de trabajo delgadas, pero la velocidad de soldadura es más lenta y la entrada de calor es mucho mayor que la soldadura láser, que es propensa a deformarse.

Máquina de soldadura por arco de argón

Soldadura por arco de plasma: similar al arco de argón, pero su soplete de soldadura producirá un arco comprimido para aumentar la temperatura del arco y la densidad de energía. Es más rápido que la soldadura por arco de argón y tiene una mayor profundidad de penetración, pero es inferior a la soldadura por láser.

Soldadura por haz de electrones: se basa en un haz de electrones acelerados de alta densidad de energía para golpear la pieza de trabajo y generar un calor enorme en una pequeña área densa en la superficie de la pieza de trabajo, formando un efecto de "agujero pequeño", implementando así una penetración profunda soldadura. La principal desventaja de la soldadura por haz de electrones es que requiere un entorno de alto vacío para evitar la dispersión de electrones. El equipo es complicado. El tamaño y la forma de la soldadura están restringidos por la cámara de vacío. La calidad de montaje de la pieza soldada es estrictamente necesaria.

También se puede implementar la soldadura por haz de electrones sin vacío. La dispersión y el enfoque deficiente afectarán el efecto. La soldadura por haz de electrones también tiene problemas de compensación magnética y rayos X. Debido a que los electrones están cargados, se verán afectados por la desviación del campo magnético. Por lo tanto, las piezas de trabajo de soldadura por haz de electrones deben desmagnetizarse antes de soldar. Los rayos X son particularmente fuertes bajo alta presión y los operadores deben estar protegidos. La soldadura láser no requiere una cámara de vacío ni un tratamiento de desmagnetización antes de soldar la pieza de trabajo. Se puede realizar en la atmósfera y no hay problema con la protección de rayos X, por lo que se puede operar en línea en la línea de producción y también se pueden soldar materiales magnéticos.

Soldadura por láser Clasificación

Hay dos tipos principales de láseres que se utilizan para soldar, a saber, CO₂ láseres y láseres Nd: YAG. Ambos CO₂ láser y láser Nd: YAG es luz infrarroja invisible a simple vista. El haz producido por el láser Nd: YAG es principalmente luz infrarroja cercana con una longitud de onda de 1.06 Lm. El conductor de calor tiene una alta tasa de absorción de luz de esta longitud de onda. Para la mayoría de los metales, su reflectividad es 20% ~ 30%. Siempre que se utilice un espejo de luz estándar, el haz de infrarrojo cercano se puede enfocar a un diámetro de 0,25 mm. El rayo del CO₂ El láser es luz infrarroja lejana con una longitud de onda de 10,6 lm.

La reflectividad de la mayoría de los metales a esta luz alcanza 80% ~ 90%, y se requiere un espejo de luz especial para enfocar el haz en un diámetro de 0,75-0,1 mm. La potencia del láser Nd: YAG generalmente puede alcanzar alrededor de 4000 ~ 6000 W, y la potencia máxima ahora ha alcanzado los 10000 W. El co₂ La potencia del láser puede alcanzar fácilmente 20000 W o más.

El CO de alta potencia₂ El láser resuelve el problema de la alta reflectividad a través del efecto estenopeico. Cuando la superficie del material irradiado por el punto de luz se derrite, se forma un orificio. Este orificio lleno de vapor es como un cuerpo negro, que absorbe casi por completo la energía de la luz incidente. La temperatura de equilibrio es de unos 25 000 e y la reflectividad cae rápidamente en unos pocos microsegundos.

Aunque el enfoque de desarrollo de CO₂ láseres todavía se centra en el desarrollo de equipos, no se trata de aumentar la potencia de salida máxima, sino de cómo mejorar la calidad del haz y el rendimiento de enfoque. Además, cuando se utiliza soldadura de alta potencia con CO₂ láser por encima de 10 kW, si se utiliza gas protector de argón, a menudo se induce un plasma fuerte y la profundidad de penetración se vuelve menos profunda. Por lo tanto, cuando CO₂ Soldadura láser de alta potencia, el gas helio que no genera plasma se utiliza a menudo como gas protector.

La aplicación de la combinación de láser de diodo para obtener cristales de Nd: YAG de alta potencia es un tema de desarrollo importante, que mejorará en gran medida la calidad de los rayos láser y formará un procesamiento láser más eficaz. Usando una matriz de diodos directos para excitar el láser cuya longitud de onda de salida está en la región del infrarrojo cercano, su potencia promedio ha alcanzado 1 kW y la eficiencia de conversión fotoeléctrica es cercana a 50%. El diodo también tiene una vida útil más larga (10000 h), lo que ayuda a reducir el costo de mantenimiento del equipo láser. Desarrollo de equipos láser de estado sólido bombeados por diodos.

Proceso PAGparámetros

Poder Densidad

La densidad de potencia es uno de los parámetros más críticos en el procesamiento láser. Con una densidad de potencia más alta, la capa superficial se puede calentar hasta el punto de ebullición dentro de un rango de tiempo de microsegundos, lo que da como resultado una gran cantidad de vaporización. Por lo tanto, la alta densidad de potencia es beneficiosa para el procesamiento de eliminación de material, como el punzonado, corte y grabado. Para densidades de potencia más bajas, se necesitan varios milisegundos para que la temperatura de la superficie alcance el punto de ebullición. Antes de que la capa superficial se vaporice, la capa inferior alcanza el punto de fusión, lo que facilita la formación de una buena soldadura por fusión.

Láser PAGulse Waveform

La forma de onda del pulso láser es un tema importante en la soldadura láser, especialmente para la soldadura de láminas. Cuando un rayo láser de alta intensidad golpea la superficie del material, 60 ~ 98% de la energía láser se reflejará y perderá en la superficie del metal, y la reflectividad cambia con la temperatura de la superficie. Durante un pulso láser, la reflectividad del metal cambia mucho.

Láser PAGulse Width

El ancho de pulso es uno de los parámetros importantes de la soldadura por láser pulsado. No solo es un parámetro importante diferente de la remoción de material y la fusión del material, sino también un parámetro clave que determina el costo y el volumen de los equipos de procesamiento.

El efecto de la cantidad de desenfoque en la calidad de la máquina de soldar

La soldadura láser generalmente requiere una cierta cantidad de desenfoque, porque la densidad de potencia en el centro del punto en el punto focal del láser es demasiado alta y es fácil de evaporar en un agujero. En cada plano alejado del foco láser, la distribución de la densidad de potencia es relativamente uniforme. Hay dos métodos de desenfoque: desenfoque positivo y desenfoque negativo. Si el plano focal está por encima de la pieza de trabajo, es un desenfoque positivo; de lo contrario, es un desenfoque negativo. Según la teoría de la óptica geométrica, cuando la distancia entre el plano de desenfoque positivo y negativo y el plano de soldadura es igual, la densidad de potencia en el plano correspondiente es aproximadamente la misma, pero la forma del baño de fusión obtenido es en realidad diferente. Cuando el desenfoque es negativo, se puede obtener una mayor profundidad de penetración, lo que está relacionado con el proceso de formación del baño de fusión.

Los experimentos han demostrado que el láser que calienta 50 ~ 200 l del material comienza a derretirse, formando metal líquido y vaporizándose parcialmente, formando vapor a alta presión y rociando a una velocidad muy alta, emitiendo una luz blanca deslumbrante. Al mismo tiempo, la alta concentración de vapor hace que el metal líquido se mueva hacia el borde de la piscina fundida, formando una depresión en el centro de la piscina fundida. Cuando el desenfoque es negativo, la densidad de potencia interna del material es mayor que la de la superficie, y es fácil formar una fusión y vaporización más fuertes para que la energía de la luz se pueda transmitir a la parte más profunda del material. Por lo tanto, en aplicaciones prácticas, cuando se requiere que la profundidad de penetración sea grande, se usa el desenfoque negativo; cuando se suelda el material delgado, se debe utilizar el desenfoque positivo.

Soldadura Sorinar

La velocidad de la velocidad de soldadura afectará la entrada de calor por unidad de tiempo. Si la velocidad de soldadura es demasiado lenta, la entrada de calor será demasiado grande y hará que la pieza de trabajo se queme. Si la velocidad de soldadura es demasiado rápida, la entrada de calor será demasiado pequeña y la pieza de trabajo no se soldará.

Características de la soldadura por láser

Pertenece a la soldadura por fusión, que utiliza un rayo láser como fuente de energía para incidir en la unión soldada.

El rayo láser puede ser guiado por un elemento óptico plano (como un espejo), y luego se usa un elemento o lente de enfoque reflectante para proyectar el rayo sobre la soldadura.

La soldadura por láser es una soldadura sin contacto. No se requiere presión durante la operación, pero se requiere gas inerte para evitar la oxidación del baño fundido. Ocasionalmente se usa metal de aportación.

La soldadura láser se puede combinar con la soldadura MIG para formar una soldadura híbrida MIG láser para lograr una soldadura de gran penetración y, al mismo tiempo, la entrada de calor se reduce considerablemente en comparación con la soldadura MIG.

Ventaja y deficiencia

Aventaja

• La cantidad de entrada de calor se puede reducir al mínimo requerido, el rango de cambio metalográfico de la zona afectada por el calor es pequeño y la deformación causada por la conducción de calor también es la más baja;
• Se han verificado y calificado los parámetros del proceso de soldadura de una sola pasada de espesor de placa de 32 mm, lo que puede reducir el tiempo requerido para la soldadura de placa gruesa e incluso ahorrar el uso de metal de aporte;
• No es necesario utilizar electrodos y no hay preocupación por la contaminación o el daño de los electrodos. Y debido a que no es un proceso de soldadura por contacto, se puede minimizar el desgaste y la deformación del equipo;
• El rayo láser es fácil de enfocar, alinear y ser guiado por instrumentos ópticos. Se puede colocar a una distancia adecuada de la pieza de trabajo y se puede volver a guiar entre herramientas u obstáculos alrededor de la pieza de trabajo. Otras reglas de soldadura están sujetas a las limitaciones de espacio mencionadas anteriormente. Incapaz de jugar
• La pieza de trabajo se puede colocar en un espacio cerrado (después de pasar la aspiradora o el entorno de gas interno está bajo control);
• El rayo láser se puede enfocar en un área pequeña y puede soldar piezas pequeñas y poco espaciadas;
• Una amplia gama de materiales que se pueden soldar y varios materiales heterogéneos también se pueden unir entre sí;
• Es fácil automatizar la soldadura de alta velocidad y también se puede controlar por computadora o digital;
• Al soldar materiales delgados o alambres de diámetro delgado, no será tan fácil ser problemático como la soldadura por arco;
• No se ve afectado por el campo magnético (la soldadura por arco y la soldadura por haz de electrones son fáciles) y puede alinear con precisión la soldadura;
• Se pueden soldar dos metales con diferentes propiedades físicas (como diferentes resistencias);
• No se requiere protección contra vacío o rayos X;
• Si se adopta la soldadura de orificio pasante, la relación de profundidad a ancho del cordón de soldadura puede llegar a 10: 1;
• El dispositivo se puede cambiar para transmitir el rayo láser a múltiples estaciones de trabajo.

Shortcoming

• La posición de la soldadura debe ser muy precisa y debe estar dentro del rango de enfoque del rayo láser;
• Cuando la pieza soldada necesita utilizar una plantilla, debe asegurarse de que la posición final de la pieza soldada esté alineada con el punto de soldadura impactado por el rayo láser;
• El espesor máximo de soldadura está restringido y el espesor de penetración de la pieza de trabajo es mucho más de 19 mm, y la soldadura por láser no es adecuada para la línea de producción;
• Para materiales con alta reflectividad y alta conductividad térmica, como el aluminio, el cobre y sus aleaciones, la soldabilidad se cambiará por láser;
• Cuando se realiza soldadura con rayo láser de energía media a alta, es necesario utilizar un controlador de plasma para expulsar el gas ionizado alrededor del baño fundido para asegurar la reaparición del cordón de soldadura;
• La eficiencia de conversión de energía es demasiado baja, generalmente menos de 10%;
• El cordón de soldadura se solidifica rápidamente y puede haber preocupaciones sobre la porosidad y la fragilidad;
• El equipo es caro.

Para eliminar o reducir los defectos de la soldadura por láser y hacer un mejor uso de este excelente método de soldadura, se han propuesto algunos otros procesos de soldadura híbrida por fuente de calor y láser, principalmente por láser y arco, láser y arco de plasma, láser y soldadura compuesta por fuente de calor por inducción, soldadura por rayo láser dual y soldadura por láser multihaz, etc. Además, se han propuesto varias medidas de proceso auxiliares, como la soldadura con alambre de relleno por láser (que se puede subdividir en soldadura con alambre frío y soldadura con alambre caliente), campo magnético externo asistido soldadura láser mejorada, soldadura láser de profundidad de piscina fundida controlada por gas protector y soldadura por fricción y agitación asistida por láser.

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