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.

A soldagem a laser da China está em um nível avançado do mundo. Ela tem a tecnologia e a capacidade de usar um laser para formar componentes complexos de liga de titânio com mais de 12 metros quadrados e tem investido no protótipo e na fabricação de vários projetos de pesquisa científica da aviação doméstica. Em outubro de 2013, especialistas em soldagem chineses ganharam o Prêmio Brooke, o maior prêmio acadêmico na área de soldagem, e o nível de soldagem a laser da China foi reconhecido mundialmente.

Princípio Técnico

A soldagem a laser pode ser realizada por um feixe de laser contínuo ou pulsado. O princípio da soldagem a laser pode ser dividido em soldagem por condução de calor e soldagem de penetração profunda a laser. A densidade de potência é inferior a 10⁴~10⁵ W / cm² para 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 rebaixada em “orifícios” sob a ação do calor para formar uma soldagem de penetração profunda. Características de alta velocidade de soldagem e grande proporção de aspecto.

O princípio da soldagem a laser por condução térmica é: a radiação do laser aquece a superfície a ser processada e o calor da superfície se difunde para o interior por meio da condução térmica. 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 fundida específica.

A máquina de solda a laser usada para soldagem de engrenagens e soldagem de chapas metalúrgicas envolve principalmente soldagem de penetração profunda a laser.

A soldagem de penetração profunda a laser geralmente usa feixes de laser contínuos para completar a conexão dos materiais. O processo físico metalúrgico é muito semelhante à soldagem por feixe de elétrons, ou seja, o mecanismo de conversão de energia é realizado por meio de uma estrutura em “buraco de fechadura”. Sob irradiação de laser de densidade de potência suficientemente alta, o material evapora e forma pequenos orifícios. Este buraco cheio de vapor é como um corpo negro, absorvendo quase toda a energia do feixe incidente.

A temperatura de equilíbrio na cavidade atinge cerca de 2500 ° C. O calor é transferido 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 quatro paredes do pequeno orifício são cercadas por metal fundido e o metal líquido é cercado por materiais sólidos (e na maioria dos processos de soldagem convencionais e soldagem por condução a laser, a energia é primeiro depositada na superfície da peça e, em seguida, transportada para o interior por transferência).

O fluxo de líquido fora da parede dos poros e a tensão superficial da camada da parede são mantidos em equilíbrio dinâmico com a pressão de vapor gerada continuamente na cavidade. O feixe de luz entra continuamente no pequeno orifício e o material fora do pequeno orifício flui continuamente. Conforme o feixe se move, o pequeno orifício está sempre em um estado de fluxo estável. Em outras palavras, o pequeno orifício e o metal fundido ao redor da parede do orifício avançam com a velocidade de avanço do feixe de luz principal, e o metal fundido preenche a lacuna deixada depois que o pequeno orifício é movido e condensa, e a solda é formada . Todos os processos acima acontecem tão rápido que a velocidade de soldagem pode facilmente atingir alguns metros por minuto.

Trabalhar Equipment

É composto por um oscilador óptico e um meio colocado entre os espelhos em ambas as extremidades da cavidade do oscilador. Quando o meio é excitado para um estado de alta energia, ele começa a gerar ondas de luz na mesma fase e refletir para frente e para trás entre os espelhos em ambas as extremidades, formando um efeito de junção de cordas fotoelétricas, amplificando as ondas de luz e obtendo energia suficiente para começar a emitir luz laser.

O laser também pode ser interpretado como um dispositivo que converte energia bruta, como energia elétrica, energia química, energia térmica, energia de luz ou energia nuclear em um feixe de radiação eletromagnética de certas frequências de luz específicas (luz ultravioleta, luz visível ou infravermelho luz). A forma de conversão é fácil de realizar em alguns meios sólidos, líquidos ou gasosos. Quando esses meios são excitados na forma de átomos ou moléculas, eles produzem feixes de luz-lasers com quase a mesma fase e quase um único comprimento de onda. Devido à mesma fase e comprimento de onda único, o ângulo de diferença é muito pequeno e a distância que pode ser transmitida é muito longa antes de ser altamente concentrada para fornecer funções como soldagem, corte e tratamento térmico.

Welding Method

Os métodos de soldagem para selagem de sensor são soldagem por resistência, soldagem a arco de argônio, soldagem por feixe de elétrons, soldagem de plasma e assim por diante.

Soldagem por resistência

É usado para soldar peças de metal finas. A peça é fixada entre dois eletrodos e a superfície do eletrodo em contato com uma grande corrente é derretida por uma grande corrente, ou seja, a soldagem é realizada pelo aquecimento resistivo da peça. A peça de trabalho é fácil de deformar. A soldagem por resistência é soldada em ambos os lados da junta, enquanto a soldagem a laser é realizada apenas em um lado. Os eletrodos usados na soldagem por resistência precisam ser mantidos com freqüência para remover óxidos e metais aderidos da peça de trabalho. A soldagem a laser de juntas de sobreposição de metal fino não está em contato com a peça de trabalho, a viga também pode entrar na área que é difícil de ser soldada por soldagem convencional e a velocidade de soldagem é rápida.

Soldagem de arco de argônio: usando eletrodos não consumíveis e gás de proteção, é frequentemente usado para soldar peças finas, mas a velocidade de soldagem é mais lenta e a entrada de calor é muito maior do que a soldagem a laser, que é propensa a deformações.

Máquina de solda a arco de argônio

Soldagem a arco de plasma: semelhante ao arco de argônio, mas sua tocha de soldagem produzirá um arco comprimido para aumentar a temperatura do arco e a densidade de energia. É mais rápido do que a soldagem a arco de argônio e tem uma maior profundidade de penetração, mas é inferior à soldagem a laser.

Soldagem por feixe de elétrons: depende de um feixe de elétrons de alta densidade de energia acelerado para atingir a peça de trabalho e gerar um grande calor em uma pequena área densa na superfície da peça, formando um efeito de "pequeno orifício", implementando assim uma penetração profunda Soldagem. A principal desvantagem da soldagem por feixe de elétrons é que ela requer um ambiente de alto vácuo para evitar o espalhamento de elétrons. O equipamento é complicado. O tamanho e a forma da soldagem são restringidos pela câmara de vácuo. A qualidade da montagem da soldagem é estritamente exigida.

A soldagem por feixe de elétrons sem vácuo também pode ser implementada. A dispersão e o foco deficiente afetarão o efeito. A soldagem por feixe de elétrons também apresenta desvio magnético e problemas de raio-X. Como os elétrons estão carregados, eles serão afetados pela deflexão do campo magnético. Portanto, as peças de soldagem por feixe de elétrons devem ser desmagnetizadas antes da soldagem. Os raios X são particularmente fortes sob alta pressão e os operadores precisam ser protegidos. A soldagem a laser não requer uma câmara de vácuo e tratamento de desmagnetização antes de soldar a peça de trabalho. Pode ser realizado na atmosfera e não há nenhum problema com a proteção de raios X, portanto, pode ser operado on-line na linha de produção e também pode soldar materiais magnéticos.

Soldagem a laser Classificação

Existem dois tipos principais de lasers usados para soldagem, nomeadamente CO₂ lasers e lasers Nd: YAG. Ambos CO₂ laser e laser Nd: YAG é uma luz infravermelha invisível a olho nu. O feixe produzido pelo laser Nd: YAG é principalmente luz infravermelha próxima com um comprimento de onda de 1,06 Lm. O condutor de calor tem uma alta taxa de absorção de luz desse comprimento de onda. Para a maioria dos metais, sua refletividade é 20% ~ 30%. Contanto que um espelho de luz padrão seja usado, o feixe infravermelho próximo pode ser focado em um diâmetro de 0,25 mm. O feixe do CO₂ o laser é uma luz infravermelha com um comprimento de onda de 10,6Lm.

A refletividade da maioria dos metais a esta luz atinge 80% ~ 90%, e um espelho de luz especial é necessário para focar o feixe em um diâmetro de 0,75-0,1 mm. A potência do laser Nd: YAG pode geralmente atingir cerca de 4000 ~ 6000W, e a potência máxima agora atingiu 10 000W. O CO₂ a potência do laser pode atingir facilmente 20000W ou mais.

O CO de alta potência₂ o laser resolve o problema de alta refletividade por meio do efeito de furo de alfinete. Quando a superfície do material irradiado pelo ponto de luz derrete, um orifício é formado. Este orifício cheio de vapor é como um corpo negro, que absorve quase completamente a energia da luz incidente. A temperatura de equilíbrio é de cerca de 25.000 e, e a refletividade cai rapidamente em alguns microssegundos.

Embora o foco de desenvolvimento de CO₂ lasers ainda está focado no desenvolvimento de equipamentos, não se trata de aumentar a potência máxima de saída, mas de como melhorar a qualidade do feixe e o desempenho de foco. Além disso, ao usar soldagem de alta potência com CO₂ laser acima de 10 kW, se o gás de proteção de argônio for usado, um plasma forte é frequentemente induzido e a profundidade de penetração torna-se mais rasa. Portanto, quando CO₂ soldagem a laser de alta potência, gás hélio que não gera plasma é frequentemente usado como gás de proteção.

A aplicação da combinação de laser de diodo para criar cristais Nd: YAG de alta potência é um importante tópico de desenvolvimento, que melhorará muito a qualidade dos feixes de laser e formará um processamento de laser mais eficaz. Usando uma matriz de diodos diretos para excitar o laser cujo comprimento de onda de saída está na região do infravermelho próximo, sua potência média atingiu 1 kW e a eficiência de conversão fotoelétrica está próxima a 50%. O diodo também tem uma vida útil mais longa (10.000 h), o que ajuda a reduzir o custo de manutenção do equipamento a laser. Desenvolvimento de equipamentos de laser de estado sólido com bomba de diodo.

Processo Parâmetros

Poder Densidade

A densidade de potência é um dos parâmetros mais críticos no processamento do laser. Com uma densidade de potência mais alta, a camada superficial pode ser aquecida até o ponto de ebulição em uma faixa de tempo de microssegundos, resultando em uma grande quantidade de vaporização. Portanto, a alta densidade de potência é benéfica para o processamento de remoção de material, como puncionamento, corte e gravação. Para densidades de energia mais baixas, leva vários milissegundos para a temperatura da superfície atingir o ponto de ebulição. Antes que a camada superficial vaporize, a camada inferior atinge o ponto de fusão, o que facilita a formação de uma boa solda por fusão.

Laser Pulse Cforma de ave

A forma de onda do pulso de laser é uma questão importante na soldagem a laser, especialmente para a soldagem de chapas. Quando um feixe de laser de alta intensidade atinge a superfície do material, 60 ~ 98% da energia do laser será refletida e perdida na superfície do metal, e a refletividade muda com a temperatura da superfície. Durante um pulso de laser, a refletividade do metal muda muito.

Laser Pulse Cidth

A largura do pulso é um dos parâmetros importantes da soldagem a laser pulsado. Não é apenas um parâmetro importante diferente da remoção e fusão do material, mas também um parâmetro chave que determina o custo e o volume do equipamento de processamento.

O efeito da quantidade de desfocagem na qualidade da máquina de soldagem

A soldagem a laser geralmente requer uma certa quantidade de desfocagem, porque a densidade de potência no centro do ponto no ponto focal do laser é muito alta e é fácil evaporar em um orifício. Em cada plano afastado do foco do laser, a distribuição da densidade de potência é relativamente uniforme. Existem dois métodos de desfocagem: desfocagem positiva e desfocagem negativa. Se o plano focal estiver acima da peça de trabalho, é uma desfocagem positiva; caso contrário, é uma desfocagem negativa. De acordo com a teoria da óptica geométrica, quando a distância entre o plano de desfocagem positivo e negativo e o plano de soldagem é igual, a densidade de potência no plano correspondente é aproximadamente a mesma, mas a forma da poça fundida obtida é na verdade diferente. Quando a desfocagem é negativa, pode-se obter uma maior profundidade de penetração, que está relacionada ao processo de formação da poça de fusão.

Experimentos mostraram que o aquecimento a laser de 50 ~ 200us do material começa a derreter, formando metal líquido e vaporizando parcialmente, formando vapor de alta pressão e pulverizando em uma velocidade muito alta, emitindo uma luz branca deslumbrante. Ao mesmo tempo, a alta concentração de vapor faz com que o metal líquido se mova para a borda da poça de fusão, formando uma depressão no centro da poça de fusão. Quando a desfocagem é negativa, a densidade de potência interna do material é maior do que a da superfície, e é fácil formar uma fusão e vaporização mais fortes para que a energia da luz possa ser transmitida para a parte mais profunda do material. Portanto, em aplicações práticas, quando a profundidade de penetração deve ser grande, o desfoque negativo é usado; quando o material fino é soldado, o desfoque positivo deve ser usado.

Soldagem Surinar

A velocidade da velocidade de soldagem afetará a entrada de calor por unidade de tempo. Se a velocidade de soldagem for muito lenta, a entrada de calor será muito grande, fazendo com que a peça de trabalho queime. Se a velocidade de soldagem for muito rápida, a entrada de calor será muito pequena e a peça de trabalho não será soldada.

Características de soldagem a laser

Pertence à soldagem por fusão, que usa um feixe de laser como fonte de energia para colidir com a junta de soldagem.

O feixe de laser pode ser guiado por um elemento óptico plano (como um espelho) e, em seguida, um elemento de foco reflexivo ou lente é usado para projetar o feixe na solda.

A soldagem a laser é uma soldagem sem contato. Nenhuma pressão é necessária durante a operação, mas o gás inerte é necessário para evitar a oxidação da poça de fusão. Metal de adição é usado ocasionalmente.

A soldagem a laser pode ser combinada com a soldagem MIG para formar a soldagem híbrida MIG a laser para obter uma soldagem de grande penetração e, ao mesmo tempo, a entrada de calor é muito reduzida em comparação com a soldagem MIG.

Vantagem e desvantagem

UMAvantagem

• A quantidade de entrada de calor pode ser reduzida ao mínimo necessário, a faixa de variação metalográfica da zona afetada pelo calor é pequena e a deformação causada pela condução de calor também é a mais baixa;
• Os parâmetros do processo de soldagem de soldagem de passagem única com espessura de placa de 32 mm foram verificados e qualificados, o que pode reduzir o tempo necessário para a soldagem de placa espessa e até mesmo economizar o uso de metal de adição;
• Não há necessidade de usar eletrodos e não há preocupação com contaminação ou danos ao eletrodo. E por não ser um processo de soldagem por contato, o desgaste e a deformação do equipamento podem ser minimizados;
• O feixe de laser é fácil de focar, alinhar e ser guiado por instrumentos ópticos. Ele pode ser colocado a uma distância apropriada da peça de trabalho e pode ser guiado novamente entre ferramentas ou obstáculos ao redor da peça de trabalho. Outras regras de soldagem estão sujeitas às limitações de espaço mencionadas acima. Incapaz de jogar
• A peça de trabalho pode ser colocada em um espaço fechado (após aspirar ou o ambiente interno de gás está sob controle);
• O feixe de laser pode ser focado em uma pequena área e pode soldar peças pequenas e próximas;
• Uma ampla gama de materiais que podem ser soldados e vários materiais heterogêneos também podem ser unidos uns aos outros;
• É fácil automatizar a soldagem em alta velocidade e também pode ser controlada digitalmente ou por computador;
• Ao soldar materiais finos ou fios de diâmetro fino, não será tão fácil ser problemático quanto a soldagem a arco;
• Não é afetado pelo campo magnético (a soldagem a arco e a soldagem por feixe de elétrons são fáceis) e pode alinhar a soldagem com precisão;
• Dois metais com propriedades físicas diferentes (como resistências diferentes) podem ser soldados;
• Não é necessária proteção contra vácuo ou raio-X;
• Se for adotada a soldagem através do furo, a relação profundidade-largura do cordão de solda pode chegar a 10: 1;
• O dispositivo pode ser alternado para transmitir o feixe de laser para várias estações de trabalho.

Sencorajamento

• A posição da soldagem deve ser muito precisa e deve estar dentro da faixa de foco do feixe de laser;
• Quando a soldagem precisar usar um gabarito, deve-se garantir que a posição final da soldagem esteja alinhada com o ponto de soldagem impactado pelo feixe de laser;
• A espessura soldável máxima é restrita e a espessura de penetração da peça de trabalho é muito maior do que 19 mm, e a soldagem a laser não é adequada para a linha de produção;
• Para materiais com alta refletividade e alta condutividade térmica, como alumínio, cobre e suas ligas, a soldabilidade será alterada por laser;
• Ao realizar a soldagem por feixe de laser de média a alta energia, um controlador de plasma precisa ser usado para expulsar o gás ionizado ao redor da poça derretida para garantir o reaparecimento do cordão de solda;
• A eficiência de conversão de energia é muito baixa, geralmente menor que 10%;
• O cordão de solda se solidifica rapidamente e pode haver preocupações com a porosidade e fragilização;
• O equipamento é caro.

Para eliminar ou reduzir os defeitos da soldagem a laser e fazer melhor uso deste excelente método de soldagem, algumas outras fontes de calor e processos de soldagem híbrida a laser têm sido propostos, principalmente a laser e arco, laser e arco de plasma, laser e soldagem de compósito de fonte de calor de indução, soldagem por feixe de laser duplo e soldagem a laser de feixe múltiplo, etc. Além disso, várias medidas auxiliares de processo foram propostas, tais como soldagem de fio de enchimento a laser (que pode ser subdividida em soldagem de fio frio e soldagem de fio quente), campo magnético externo assistido soldagem a laser aprimorada, soldagem a laser de profundidade de poça fundida controlada por gás de proteção e soldagem por fricção com agitação assistida por laser.

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