Aprenda a verdade sobre soldagem a laser

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Equipamento de soldagem a laser e parâmetros técnicos

Composição do equipamento de soldagem a laser

O equipamento de soldagem a laser inclui principalmente laser, transmissão de feixe, sistema de foco, fonte de gás (gás de proteção), bico, máquina de solda, bancada de trabalho, painel de operação, fonte de alimentação, sistema de controle, etc. O núcleo do equipamento é um laser 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, a máquina de solda produz ondas de luz da mesma fase e reflete 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 obtendo energia suficiente para iniciar emitindo luz laser.

De acordo com diferentes materiais de trabalho a laser, o equipamento é dividido em equipamento sólido YAG e CO₂ equipamento de gás; de acordo com diferentes métodos de trabalho a laser, é dividido em equipamento de soldagem a laser contínua e equipamento de soldagem a laser pulsado. Não importa o tipo de equipamento, a composição básica é aproximadamente semelhante. A composição do equipamento e o tocha de soldagem é mostrado nas Figuras 1.1 e 1.2.

Laser

O laser é a parte central do equipamento a laser. As características do laser de soldagem são apresentadas na Tabela 3.1. De acordo com o método de resfriamento de ar, o CO₂ o laser a gás é dividido em tipo de fluxo cruzado, tipo de fluxo axial (alta velocidade e baixa velocidade) e tipo de resfriamento por difusão. As características de desempenho de diferentes CO₂ lasers são mostrados na Tabela 3.2.          

Comparado com CO₂ lasers, lasers YAG têm comprimentos de onda de laser mais curtos e podem ser transmitidos através de fibras ópticas, o que simplifica muito o sistema de guia de luz e é adequado para soldagem tridimensional; é benéfico para a absorção de superfícies metálicas e é mais adequado para materiais de alta refletividade (como ligas de alumínio, etc.). Soldagem.

Laser	Comprimento de onda / чm	Modo de trabalho	Frequência de repetição / Hz	Potência de saída ou faixa de energia	O propósito principal
Laser rubi	0.69	Pulso	0-1	1-100J	Soldagem a ponto, perfuração
Laser de neodímio de vidro	1.06	Pulso	0-0.1	1-100J	Soldagem a ponto, perfuração
Laser YAG	1.06	Pulso Contínuo	0-400	1-100J 0-2KW	Soldagem a ponto, perfuração, soldagem, corte, tratamento de superfície
CO fechado2 laser	10.6	Contínuo	–	0-1KW	Soldagem, corte, tratamento de superfície
Laser de fluxo cruzado	10.6	Contínuo	–	0-25KW	Soldagem, tratamento de superfície
Fluxo axial de alta velocidade CO2 laser	10.6	Pulso Contínuo	0-5000	0-6KW	Soldagem, corte

Item	Tipo de fluxo cruzado	Tipo de fluxo axial	Tipo de resfriamento por difusão
Nível de potência de saída	3-45KW	1,5-20KW	0,2-3,5KW
Capacidade de pulso	DC	DC-1kHz	DC-5kHz
Modo de feixe	Acima TEM02	TEM00, TEM01	TEM00, TEM01
Coeficiente de propagação do feixe	≥0,18	≥0,4	≥0,8
Consumo de gás	Pequena	Grande	Muito pequeno
Eficiência de conversão ótica-elétrica	≤15%	≤15%	≤30%
Efeito de soldagem	Boa	Boa	Melhor
Efeito de corte	Pobre	Boa	Melhor
Endurecimento de transformação	Boa	Não é tão ruim	Não é tão ruim
Revestimento de superfície	Boa	Não é tão ruim	Não é tão ruim
Revestimento de superfície	Boa	Não é tão ruim	Não é tão ruim

Em comparação com os lasers de gás e de estado sólido tradicionais, os lasers de fibra desenvolvidos nos últimos anos têm as seguintes características.

• A fibra óptica de vidro tem baixo custo de fabricação, tecnologia madura e a flexibilidade da fibra óptica traz vantagens de miniaturização e intensidade.
• A fibra óptica tem uma relação superfície-volume muito alta, rápida dissipação de calor, baixa perda, alta eficiência de conversão e baixo limiar de laser.
• Não há lente ótica na cavidade ressonante do laser de fibra, que possui características livres de ajuste, manutenção e alta estabilidade.
• Com alta potência e alta eficiência fotoelétrica, a eficiência fotoelétrica abrangente do laser de fibra de 10KW atinge mais de 20%.
• Tamanho pequeno, longa vida, fácil de integrar o sistema, fácil de conseguir a transmissão do laser de longa distância e pode operar normalmente em ambientes hostis de alta temperatura, alta pressão, alta vibração e alto impacto.

É precisamente por causa das vantagens acima mencionadas dos lasers de fibra de alta potência que sua aplicação no campo de processamento de materiais está se expandindo continuamente e tem perspectivas de aplicação extremamente amplas.

Transmissão de feixe e sistema de foco

O sistema de transmissão e foco do feixe também é chamado de sistema óptico externo. É composto por um polarizador circular, um expansor de feixe, um espelho ou fibra ótica, um espelho focalizador, etc., utilizado para transmitir e focalizar o feixe de laser na peça de trabalho, e sua instalação final fornece proteção ou auxílio à tocha de fluxo de ar.

O principal material da lente de foco é o ZnSe, que tem boa transmissão e desempenho de foco e é barato. No entanto, a lente de foco é facilmente contaminada por fumaça e respingos de metal durante o processo de soldagem. Quando a potência do laser é baixa (<2KW), a lente de foco é freqüentemente usada, e a lente de foco reflexiva deve ser usada para soldagem de alta potência (> 2KW). O espelho de foco reflexivo é feito de metal com alta reflexão para o laser. Na soldagem a laser, espelhos parabólicos de cobre com diferentes revestimentos são geralmente usados. Este tipo de espelho de foco é estável e pode ser usado em conjunto com componentes refrigerados a água. Possui pequena deformação térmica e não é fácil de ser poluído. No entanto, o desempenho de foco não é tão bom quanto o do espelho de foco da lente e a posição relativa do laser incidente. Requer alta precisão, difícil de ajustar e é fácil causar astigmatismo no ponto de foco, e o preço é mais alto.

A distância focal da lente de foco tem uma influência importante no efeito de foco e na qualidade da soldagem, geralmente 127-200 mm. Reduzir a distância focal pode obter um pequeno ponto de foco e densidade de potência mais alta, mas se a distância focal for muito pequena, a lente de foco é suscetível a contaminação e danos. Uma vez que a superfície do espelho esteja contaminada, a absorção do laser aumentará significativamente, reduzindo assim a densidade de potência para a peça de trabalho e causando facilmente a quebra da lente.

Fonte de gás (gás de proteção)

O gás de proteção é necessário para isso. Na maioria dos processos, o gás de proteção é distribuído para a área de radiação do laser por meio de um bico especial. Atualmente, a maior parte do CO₂ lasers usam He, N₂, CO₂e gás misturado como meio de trabalho e gás de proteção. A proporção é 60%: 33%: 7%. Ele é caro, então o fluxo axial de alta velocidade CO₂ o laser tem um custo operacional mais alto. Deve considerar seu custo.

Bocal

O bico geralmente é projetado para ser colocado coaxialmente com o feixe de laser. É comumente usado para alimentar o gás de proteção do lado do feixe de laser para o bico. A abertura típica de aumento é de 4-8 mm e a distância do bico à peça de trabalho é de 3-10 mm. Geralmente, a pressão do gás de proteção é mais baixa. A taxa de fluxo de gás é de 8 ~ 30L / min, as Figuras 1.3 e 1.4 mostram a estrutura do bico que é amplamente usada para CO₂ laser e laser YAG.

A fim de proteger os componentes ópticos da soldagem a laser de fumos e respingos de soldagem, vários projetos de bico de jato horizontal podem ser usados. A ideia básica é considerar permitir que o fluxo de ar passe pelo feixe de laser verticalmente, de acordo com diferentes requisitos técnicos, ou para soprar fumos de soldagem, ou usar alta energia cinética para desviar as partículas de metal.

Máquina de solda a laser

o máquina de solda a laser inclui uma bancada de trabalho e um sistema de controle. É usado principalmente para realizar o movimento relativo entre o feixe de laser e a peça de trabalho e concluir a soldagem. É dividido em dois tipos: máquina de solda especial e máquina de solda geral. Os últimos sistemas de controle numérico comumente usados, há máquinas de soldagem bidimensionais e tridimensionais em ângulo reto ou robôs de soldagem articulados, mesas de trabalho acionadas por servomotor podem ser usadas para colocar peças de trabalho para realizar a soldagem. O sistema de controle adota principalmente um sistema de controle numérico.

Fonte de energia

Para garantir a operação estável do laser, são utilizadas fontes de alimentação de controle eletrônico de estado sólido com resposta rápida e alta estabilidade.

Os principais parâmetros técnicos da máquina de solda a laser

A Tabela 3.3 lista os principais parâmetros técnicos de alguns equipamentos domésticos de soldagem a laser. Ao comprar equipamentos, deve-se levar em consideração o tamanho, forma, material e características do equipamento, indicadores técnicos, escopo de aplicação e benefícios econômicos.

Uma máquina de solda a laser de baixa potência pode ser usada para soldar micro peças e peças de precisão, e a máquina com maior potência deve ser usada para um soldador e peças grossas. A soldagem a ponto pode escolher uma máquina de solda a laser de pulso; para obter uma solda contínua, você deve escolher uma máquina contínua ou uma máquina de solda a laser contínua de pulso de alta frequência. Além disso, deve-se prestar atenção se a máquina possui funções como monitoramento e proteção.

Modelo	NJH-30	JKG	DH-WM01	GD-10-1
Nome	Máquina de solda a laser por pulso de vidro de neodímio	Máquina de solda a laser de pulso CNC para vidro neodímio	Máquina de solda a laser YAG com bateria automática	Máquina de solda a laser ruby
Comprimento de onda do laser / чm	1.06	1.06	1.06	0.69
Energia de saída máxima / J	130	97	40	13
Taxa de repetição	1-5Hz	30 vezes / min (na saída nominal）	1-100 Hz (sete marchas)	16 vezes / min
Largura de pulso / ms	0,5 (na saída máxima) 6 (na saída nominal)	2-8	0,3-10 （sete marchas）	6 （máximo）
Tamanho do material de trabalho do laser	–	Φ12 × 350	–	Φ10 × 165
Usos	Soldagem elétrica e perfuração	É usado para soldagem de topo, soldagem sobreposta e soldagem de sobreposição de fios finos, placas finas e a profundidade de penetração da soldagem pode chegar a 1mTabela 3.2 Parâmetros técnicos principais de alguns equipamentos domésticos de soldagem a laser.	Cascos de bateria de soldagem. Bancada de trabalho dupla, o processo de soldagem é totalmente automatizado	Soldagem elétrica e perfuração. Adequado para espessura de placa inferior a 0,4 mm, diâmetro do fio inferior a 0,6 mm

A máquina de solda a laser de pulso de baixa potência é adequada para soldagem por ponto entre fio de metal e fio, fio e placa (ou filme) com um diâmetro inferior a 0,5 mm, especialmente para conexão de soldagem por ponto de filamento de nível de mícron e película metálica. As máquinas de solda a laser contínua, especialmente as contínuas de alta potência, são principalmente CO₂ máquinas de solda a laser, que podem ser usadas para formar soldas contínuas e soldagem de penetração profunda de chapas grossas.

Características e parâmetros do processo de soldagem a laser pulsado

Características do processo de soldagem a laser de pulso

Sobre a soldagem a laser é um tipo de soldagem por fusão, que usa feixes de laser como uma fonte de energia para colidir com as juntas 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. É uma soldagem sem contato. Nenhuma pressão é necessária durante a operação, mas um gás inerte é necessário para evitar a oxidação da poça fundida e, às vezes, o metal de adição também é usado.

A soldagem a laser pulsado é semelhante à soldagem por pontos. Seus pontos de aquecimento são muito pequenos, da ordem dos micrômetros. Cada pulso de laser forma um ponto de soldagem na peça metálica. Usado principalmente para a soldagem de componentes micro, de precisão e componentes microeletrônicos. É realizada por soldagem por pontos ou soldagem de costura por juntas sobrepostas. Lasers comumente usados para soldagem a laser pulsado incluem lasers de rubi, lasers de vidro de neodímio e lasers YAG.

Características do processo de soldagem a laser de pulso

A soldagem a laser de pulso tem quatro parâmetros principais de soldagem: energia de pulso, largura de pulso, densidade de potência e desfoque.

Energia de pulso e largura de pulso

Na soldagem a laser de pulso, a energia do pulso determina a energia de aquecimento e afeta principalmente a quantidade de metal fundido. A largura de pulso determina o tempo de aquecimento da soldagem e afeta a profundidade de penetração e o tamanho da zona afetada pelo calor. A Figura 3. 5 mostra o efeito da largura de pulso na penetração. Quando o pulso é alargado, a profundidade de penetração aumenta gradualmente. Quando a largura de pulso excede um certo valor crítico, a profundidade de penetração diminui. Quando a energia do pulso é constante, há uma largura de pulso ideal para diferentes materiais, e a penetração da soldagem é a maior neste momento. A melhor largura de pulso para soldagem de aço é de 5 a 8 ms.

A energia do pulso depende principalmente das propriedades termofísicas do material, especialmente da condutividade térmica e do ponto de fusão. Metais com boa condutividade térmica e baixo ponto de fusão são fáceis de obter maior profundidade de penetração. Há uma certa relação entre a energia do pulso e a largura do pulso durante a soldagem, e isso varia com a espessura e as propriedades do material.

A potência média P do laser é determinada pela equação (3.1):

P = E / τ (3.1)

Na fórmula, P é a potência do laser, W; E é a energia do pulso do laser, J; τ é a largura de pulso, s.

Para manter uma certa potência, conforme a energia do pulso aumenta, a largura do pulso deve ser aumentada de acordo para obter melhor qualidade de soldagem.

Densidade de potência

Quando a densidade de potência do ponto de laser é pequena, a soldagem é realizada por soldagem por condução térmica, e o diâmetro e a penetração do ponto de soldagem são determinados pela condução de calor. Quando a densidade de potência atinge um determinado valor (10⁶W / cm²), um efeito de furo de alfinete é produzido durante o processo de soldagem, formando uma junta de solda de penetração profunda com uma relação de aspecto maior que 1. Neste momento, embora uma pequena quantidade de metal evapore, ela não afeta a formação da junta de solda. No entanto, quando a densidade de potência é muito alta, o metal evapora violentamente, resultando em muito metal vaporizado, formando um pequeno orifício que não pode ser preenchido com metal líquido e é difícil formar uma junta de solda firme.

Durante a soldagem a laser pulsado, a densidade de potência é determinada pela equação (3.2);

P_d= 4E / πd2τ (3,2)

Na fórmula, P_d é a densidade de potência no ponto do laser, W / cm²; E é a energia do pulso do laser, J; d é o diâmetro do ponto, cm; τ é a largura de pulso, s.

A Figura 3.6 mostra a relação entre a energia de pulso e a largura de pulso durante a soldagem a laser de pulso de materiais com diferentes espessuras. A energia de pulso E e a largura de pulso τ têm uma relação linear. Conforme a espessura da soldagem aumenta, a densidade de potência do laser aumenta de acordo.

Desfocar

Desfocar se refere à distância entre a superfície da soldagem e o menor ponto do feixe de laser focalizado durante a soldagem (também chamado de foco). Existem dois métodos de desfocagem: desfocagem positiva e desfocagem negativa. O plano focal acima da peça de trabalho é denominado desfocagem positiva; caso contrário, é denominado desfocagem negativa. Depois que o feixe de laser é focalizado pela lente, há um diâmetro de ponto mínimo. Se a superfície da soldagem coincidir com ela, a quantidade de desfocagem F = 0; se a superfície da soldagem estiver abaixo dela, F> 0, que é uma quantidade de desfocagem positiva; caso contrário, F <0, é a quantidade de desfocagem negativa.

Alterar a quantidade de desfoque pode alterar o tamanho do ponto de aquecimento do laser e a condição de incidência do feixe. Mas muita desfocagem aumentará o diâmetro do local, reduzirá a densidade de potência no local e reduzirá a profundidade de penetração.

Na soldagem a laser de pulso, o metal com baixa refletividade, grande condutividade térmica e pequena espessura é geralmente selecionado como a folha superior; antes que o arame fino e o filme sejam soldados, uma pequena bola com um diâmetro de 2 a 3 vezes o diâmetro do arame pode ser soldada na extremidade do arame. Para aumentar a superfície de contato e facilitar o alinhamento do feixe de laser. A soldagem a laser de pulso também pode ser usada para soldagem de chapa fina. Neste momento, a velocidade de soldagem v = df (1-K), onde d é o diâmetro do ponto de soldagem, f é a frequência de pulso e K é o coeficiente de sobreposição (0,3 ~ 0,9 de acordo com a espessura da placa) .

Os parâmetros do processo de soldagem a laser pulsado de várias soldagens de materiais são mostrados na Tabela 3.4. A Tabela 3.5 mostra os parâmetros do processo e o desempenho conjunto da soldagem a laser de pulso fio a fio.

Material	Espessura (diâmetro) / mm	Energia de pulso / J	Largura de pulso / ms	Categoria laser
Bronze de fósforo folheado a ouro + folha de alumínio	0. 3+0.2	3.5	4.3	Laser de neodímio de vidro
Folha de aço inoxidável	0.15+0.15	1.21	3.7	Laser de neodímio de vidro
Folha de cobre puro	0.05+0.05	2.3	4.0	Laser de neodímio de vidro
Fio de níquel cromo + folha de cobre	0.10+0.15	1.0	3.4	–
Chapa de aço inoxidável + fio Ni-Cr	0.15+0.10	1.4	3.2	Laser de neodímio de vidro
Fio de alumínio de silicone + chapa de aço inoxidável	0.10+0.15	1.4	3.2	Laser de neodímio de vidro

Material	Diâmetro / mm	Formulário Conjunto	Parâmetros do processo	Parâmetros do processo	Desempenho conjunto	Desempenho conjunto
			Potência de saída / J	Largura de pulso / ms	Descarregamento máximo / N	Resistência / Ω
301 de aço inoxidável （1Cr17Ni7）	0.33	Docking	8	3.0	97	0.03
		Sobreposição	8	3.0	103	0.03
		Cruzar	8	3.0	113	0.03
		Em forma de T	8	3.0	106	0.03
	0.79	Docking	10	3.4	145	0.02
		Sobreposição	10	3.4	157	0.02
		Cruzar	10	3.4	181	0.02
		Em forma de T	11	3.6	182	0.02
	0.38+0.79	Docking	10	3.4	106	0.02
		Sobreposição	10	3.4	113	0.03
		Cruzar	10	3.4	116	0.03
		Em forma de T	11	3.6	120	0.01
	0.79+0.40	Em forma de T	11	3.6	89	0.01
Cobre	0.38	Docking	10	3.4	23	0.01
		Sobreposição	10	3.4	23	0.01
		Cruzar	10	3.4	19	0.01
		Em forma de T	11	3.6	14	0.01
Níquel	0.51	Docking	10	3.4	55	0.01
		Sobreposição	7	2.8	35	0.01
		Cruzar	9	3.2	30	0.01
		Em forma de T	11	3.6	57	0.01
Tântalo	0.38	Docking	8	3.0	52	0.01
		Sobreposição	8	3.0	40	0.01
		Cruzar	9	3.2	42	0.01
		Em forma de T	8	3.0	50	0.01
	0.63	Docking	11	3.5	67	0.01
		Sobreposição	11	3.5	58	0.01
		Em forma de T	11	3.5	77	0.01
	0.65+0.38	Em forma de T	11	3.6	51	0.01
Cobre e tântalo	0.38	Docking	10	3.4	17	0.01
		Sobreposição	10	3.4	24	0.01
		Cruzar	10	3.4	18	0.01
		Em forma de T	10	3.4	18	0.01

Processo e parâmetros de soldagem a laser contínua

Diferentes refletividade de metal, ponto de fusão, condutividade térmica e outros parâmetros, a potência de saída necessária para soldagem a laser contínua varia muito, geralmente de vários quilowatts a dezenas de quilowatts. A diferença na potência de saída necessária para a soldagem a laser contínua de vários metais é causada principalmente pela diferença na absortividade. A soldagem a laser contínua adota principalmente CO₂ laser e laser de fibra, e a forma da costura de soldagem é determinada principalmente pela potência do laser e pela velocidade de soldagem. O CO₂ O laser é amplamente utilizado na soldagem a laser contínua devido à sua estrutura simples, grande faixa de potência de saída e alta taxa de conversão de energia.

Formulário de junta e requisitos de montagem

A forma comum de cabeça de soldagem a laser é mostrada na Figura 3.7. A soldagem a laser usa principalmente juntas de topo e sobrepostas, e os requisitos de tolerância dimensional da montagem das juntas de topo e sobrepostas são mostrados na Figura 3.8.

A soldagem a laser tem altos requisitos para a qualidade da montagem de soldagens. Durante a soldagem de topo, se a quantidade de desalinhamento da junta for muito grande, o laser incidente será refletido no canto da placa e o processo de soldagem será instável. Ao soldar chapas finas, se a folga for muito grande, a soldagem será feita após a soldagem. A superfície da emenda não está totalmente formada e, em casos graves, são formadas perfurações. Durante a soldagem sobreposta, a lacuna entre as placas é muito grande e é fácil causar uma fusão deficiente entre as placas superior e inferior. Os requisitos de montagem de vários tipos de juntas soldadas a laser são mostrados na Tabela 3.5, o que permite aumentar a tolerância de montagem das juntas e melhorar o estado indesejável da preparação da junta soldada a laser. A experiência tem mostrado que se a folga exceder 3% da espessura da placa, a solda autofluxante não estará cheia.

Durante a soldagem a laser, a soldagem deve ser fixada para evitar a deformação da soldagem. O desvio do ponto de luz do centro da costura de soldagem perpendicular à direção do movimento de soldagem deve ser menor que o raio do ponto de luz. Para materiais de ferro e aço, a superfície da soldagem precisa ser desengordurada e tratamento desengraxante antes da soldagem; quando os requisitos são mais rígidos, ele precisa ser decapado antes da soldagem e, em seguida, limpo com éter, acetona ou tetracloreto de carbono.

A soldagem de penetração profunda a laser pode realizar a soldagem em todas as posições, a transição gradual de início e término da soldagem, que pode ser realizada ajustando o processo de aumento e atenuação da potência do laser e alterando a velocidade de soldagem. Pode realizar uma transição suave do início ao fim ao soldar a costura circunferencial. O uso de reflexão interna para aumentar a absorção do laser da solda pode melhorar a eficiência e a penetração do processo de soldagem.

Forma conjunta	Lacuna máxima permitida	Desvio lateral superior e inferior máximo permitido
Junta de bunda	0,10δ	0,25δ
Junta angular	0,10δ	0,25δ
Junta T	0,25δ	–
Junta sobreposta	0,25δ	–
Junta de crimpagem	0,10δ	0,25δ

Metal de preenchimento

É adequado para soldagem de autofusão. Geralmente, nenhum material de soldagem é adicionado e a junta é formada pela fusão do próprio material soldado. Mas, às vezes, para reduzir a precisão da montagem, melhorar a formação da solda e melhorar a adaptabilidade da estrutura soldada, também é necessário adicionar metal de adição. Adicionar metal de adição pode alterar a composição química da solda, de modo a atingir o objetivo de controlar a estrutura da solda, melhorar a forma e melhorar as propriedades mecânicas da junta. Em alguns casos, também pode melhorar a capacidade da solda de resistir a rachaduras de cristal

A Figura 3.9 mostra um diagrama esquemático da soldagem com fio de preenchimento a laser. O metal de adição é frequentemente adicionado na forma de arame de solda, que pode ser frio ou quente. Durante a soldagem de penetração profunda, a quantidade de metal de adição não deve ser muito grande para evitar a destruição do efeito de furo de alfinete.

O fio de solda para soldagem de fio de enchimento a laser pode ser introduzido pela frente do laser ou por trás do laser, conforme mostrado na Figura 3.10. O método de alimentação pré-arame é freqüentemente usado. A vantagem é que a confiabilidade do arrasto do arame de soldagem é alta e a ranhura de topo tem um efeito de orientação no arame de soldagem. O método de alimentação pós-arame tem ondulações mais finas na superfície da solda e tem uma aparência melhor. A desvantagem é que uma vez que a precisão de alimentação do arame é reduzida, o arame de soldagem pode grudar na solda. A linha de centro do fio de soldagem e a linha de centro da costura de soldagem devem coincidir, e o ângulo com o eixo óptico do laser é geralmente 30 ° ~ 75 °. O fio de soldagem deve ser alimentado com precisão na interseção do eixo óptico e o metal de base, de modo que o laser primeiro aqueça o fio de soldagem e derreta para formar uma gota. Mais tarde, o metal base também é aquecido e derretido para formar uma poça de fusão e pequenos orifícios, e as gotas de arame então entram na poça de fusão. Caso contrário, a energia do laser vai penetrar pela abertura da junta e não pode formar pequenos orifícios, dificultando o processo de soldagem.

O fio de soldagem também absorve e reflete a energia do laser. O grau de absorção e reflexão está relacionado a fatores como potência do laser, método de alimentação de arame, velocidade de alimentação de arame e comprimento focal. Quando o método de alimentação do pré-arame é adotado, a ação combinada da radiação laser e do aquecimento por plasma irá derreter o arame de soldagem, o que requer uma grande quantidade de energia, tornando o processo de soldagem instável. Quando o método de alimentação pós-arame é adotado, o calor da poça fundida também participa do aquecimento do arame de solda, de forma que a energia de aquecimento por radiação laser seja reduzida, e a energia do laser possa ser usada para aquecer o material de base para formar pequenos orifícios.

A velocidade de alimentação do arame é um parâmetro importante do processo de soldagem de enchimento de arame a laser. O aumento da largura da junta e da altura de soldagem durante a soldagem de enchimento de arame a laser é formado principalmente pelo metal depositado no arame de soldagem. A velocidade de alimentação do arame é determinada pela velocidade de soldagem, folga da junta, diâmetro do arame de soldagem e outros fatores. A velocidade de alimentação do arame é muito rápida ou muito lenta, resultando em excesso de metal fundido. Mais ou menos, todos afetam a interação entre o laser, metal de base e fio de solda e a formação de solda.

A soldagem de fio de enchimento a laser é benéfica para a soldagem de materiais frágeis e metais diferentes. Por exemplo, devido à diferença nos elementos de carbono e liga durante a soldagem a laser de aço ou aço e ferro fundido diferentes, estruturas frágeis como martensita ou boca branca são facilmente formadas na solda. A incompatibilidade do coeficiente de expansão linear também levará a uma maior tensão de soldagem. O efeito combinado disso causará rachaduras na soldagem. O fio de enchimento pode ajustar a composição do metal de solda, reduzir o teor de carbono e aumentar o teor de níquel e inibir a formação de estruturas quebradiças. A soldagem de fio de enchimento multicamada a laser também pode usar equipamentos de menor potência para realizar a soldagem de placas de grande espessura e melhorar a adaptabilidade da soldagem a laser em placas grossas.

Parâmetros do processo

Os parâmetros do processo de soldagem a laser contínua incluem potência do laser, velocidade de soldagem, diâmetro do ponto, quantidade de desfocagem, tipo e taxa de fluxo do gás de proteção, etc.

Potência do laser P

A potência do laser refere-se à potência de saída do laser, sem considerar a perda causada pelo guia de luz e sistema de focalização, é um dos parâmetros mais críticos da soldagem contínua a laser. Lasers de baixa potência trabalhando continuamente podem produzir soldas por transferência de calor limitadas em placas finas em baixas velocidades. Para lasers de alta potência, pequenos orifícios podem ser usados para produzir soldas estreitas em placas finas em alta velocidade, ou pequenos orifícios podem ser usados para produzir soldas com profundidade e largura relativamente grandes em velocidades baixas (mas não inferior a 0,6 m / s) em pratos médios e grossos. Na soldagem a laser por transferência de calor, a faixa de potência do laser é 10⁴-10⁶W / cm². A penetração da soldagem a laser está intimamente relacionada à potência de saída. Para um determinado diâmetro de ponto, a penetração da soldagem aumenta com o aumento da potência do laser. A Figura 3.11 mostra a relação entre a potência do laser e a penetração na soldagem a laser contínua de diferentes materiais.

Velocidade de soldagem V

A 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, fazendo com que a peça de trabalho seja soldada de forma incompleta. Sob uma determinada potência do laser, aumente a velocidade de soldagem, a entrada de calor diminuirá e a penetração da solda diminuirá. Reduzir apropriadamente a velocidade de soldagem pode aumentar a profundidade de penetração, mas se a velocidade de soldagem for muito baixa, a profundidade de penetração não aumentará, mas aumentará a largura de penetração. O efeito da velocidade de soldagem na penetração da solda de aço inoxidável é mostrado na Figura 3.12. Pode ser visto que quando a potência do laser e outros parâmetros permanecem inalterados, a penetração da solda diminui à medida que a velocidade de soldagem aumenta.

Usando diferentes potências de soldagem a laser, a relação entre a velocidade de soldagem e a penetração é mostrada na Figura 3.13. À medida que a velocidade de soldagem aumenta, a profundidade de penetração diminui gradualmente. A influência da velocidade de soldagem a laser na penetração do aço carbono e a profundidade de penetração obtida em diferentes velocidades de soldagem são mostradas na Figura 3.14 e Figura 3.15, respectivamente.

A relação entre a profundidade de penetração, potência do laser e velocidade de soldagem pode ser expressa pela equação (3.3):

h = βP^1/2v^-r (3.3)

Na fórmula, h é a profundidade de penetração da soldagem, mm; P é a potência do laser, W; v é a velocidade de soldagem, mm / s: β er são constantes que dependem da fonte do laser, sistema de foco e material de soldagem.

Na soldagem de penetração profunda a laser, a principal força motriz para manter a existência do pequeno orifício é a pressão de recuo do vapor de metal. Depois que a velocidade de soldagem é baixa a um certo nível, a entrada de calor aumenta e mais e mais metal derrete. Quando a pressão de recuo gerada pelo vapor de metal não é suficiente para manter a existência do pequeno orifício, o pequeno orifício não só não se aprofunda mais, mas até mesmo se desmorona, soldando. O processo degenera em soldagem por transferência de calor, então a profundidade de penetração não aumentará . Com o aumento da vaporização do metal, a temperatura da área do pequeno orifício aumenta, a concentração de plasma aumenta e a absorção da luz do laser aumenta. Por estas razões, a profundidade de penetração da soldagem a laser tem um valor máximo ao soldar em baixa velocidade.

Diâmetro do ponto d_o

De acordo com a teoria da difração de luz, o diâmetro mínimo do ponto d do laser focalizado. Pode ser calculado pela fórmula (3.4):

d_o= 2,44fλ (3m + 1) / D (3,4)

Na fórmula, d_o é o diâmetro mínimo do ponto, mm; f é a distância focal da lente, mm; λ é o comprimento de onda do laser, mm; D é o diâmetro do feixe antes da focalização, mm; m é a ordem do modo de vibração do laser.

Para um feixe de um determinado comprimento de onda, quanto menores os valores f / D e m, menor o diâmetro do ponto. Para obter uma penetração profunda, soldar durante a soldagem, é necessária uma alta densidade de potência no ponto do laser. A fim de conduzir o aquecimento de pequenos orifícios, a densidade de potência no foco do laser durante a soldagem deve ser maior que 10⁶W / cm².

Existem duas maneiras de aumentar a densidade de potência: uma é aumentar a potência do laser P, que é proporcional à densidade de potência; a outra é reduzir o diâmetro do ponto, e a densidade de potência é inversamente proporcional ao quadrado do diâmetro do ponto. Portanto, o efeito de reduzir o diâmetro do ponto é mais óbvio do que aumentar a potência. Para reduzir o diâmetro do ponto, você pode usar uma lente de distância focal curta e reduzir a ordem do modo transversal do feixe de laser, e um ponto menor pode ser obtido após o modo de baixo preço ser focalizado.

Desfocar F

A quantidade de desfoque não afeta apenas o tamanho do ponto de laser na superfície da soldagem, mas também afeta a direção incidente do feixe, que tem um impacto maior na penetração da solda, largura da solda e forma da seção transversal da solda. Quando a quantidade de desfocagem F é grande, a profundidade de penetração é muito pequena, o que pertence à soldagem por transferência de calor; quando a quantidade de desfocagem F é reduzida a um determinado valor, a profundidade de penetração aumenta saltos e limites, o que marca a ocorrência de furos.

De acordo com a teoria da óptica geométrica, quando a distância entre os planos de desfocagem positivo e negativo e o plano de soldagem é igual, a densidade de potência nos planos correspondentes é aproximadamente a mesma, mas na verdade a forma da poça de fusão obtida é 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. Pois quando a desfocagem é negativa, a densidade de potência interna do material é maior do que a da superfície, o que é fácil de formar uma fusão e vaporização mais fortes, de modo que o feixe pode ser transmitido para a parte mais profunda do material. Em aplicações práticas, na soldagem de chapas mais espessas, quando a profundidade de penetração é maior, pode-se utilizar o desfoque negativo adequado para obter a penetração máxima; ao soldar materiais finos, o desfoque positivo deve ser usado.

A Figura 3.16 mostra o efeito da quantidade de desfocagem na profundidade de penetração, largura de penetração da solda e área da seção transversal da solda. Pode-se observar que após a quantidade de desfocagem ser reduzida a um determinado valor, a profundidade de penetração muda abruptamente, ou seja, o furo de penetração é estabelecido. Condições necessárias. Na soldagem de penetração profunda a laser, a posição focal quando a profundidade de penetração é a maior está abaixo da superfície da soldagem, e a formação da solda é a melhor neste momento.

Gás de proteção

O uso de gás de proteção na soldagem a laser tem duas funções: uma é proteger o metal de solda de gases nocivos, prevenir a contaminação por oxigênio e melhorar o desempenho da junta; a outra é afetar o plasma durante o processo de soldagem e inibir a formação de nuvens de plasma. Durante a soldagem de penetração profunda, o feixe de laser de alta potência faz com que o metal seja aquecido e vaporizado, formando uma nuvem de vapor metálico acima da poça fundida, que se dissocia sob a ação do campo eletromagnético para formar plasma, que atua como uma barreira para o feixe de laser e afeta o feixe de laser a ser soldado. absorver.

Para eliminar o plasma, bicos de alta velocidade são normalmente usados para borrifar gás inerte na área de soldagem para forçar o desvio do plasma e, ao mesmo tempo, proteger o metal fundido da atmosfera. O gás de proteção é principalmente Ar ou He. Possui excelente proteção e efeito de supressão de plasma, além de grande penetração durante a soldagem. Se uma pequena quantidade de Ar ou O₂ é adicionado a He, a penetração pode ser aumentada ainda mais. A Figura 3.17 mostra a influência do gás de proteção na penetração da soldagem a laser

A vazão do gás também influencia a profundidade de penetração. A profundidade de penetração aumenta com o aumento da taxa de fluxo do gás. No entanto, a taxa de fluxo de gás excessiva fará com que a superfície da poça derretida afunde e até mesmo queime em casos graves. A profundidade de penetração da solda obtida sob diferentes vazões de gás é mostrada na Figura 3.18. Pode ser visto que depois que a taxa de fluxo de gás é maior que 17,5L / min, a profundidade de penetração da solda não aumenta mais. A distância entre o bico de sopro e a soldagem é diferente, e a profundidade de penetração também é diferente. A Figura 3.19 mostra a relação entre a distância do bico à soldagem e a penetração da solda.

Nota: A porcentagem na figura é a porcentagem ajustada para a distância entre a posição normal do bico e a peça de trabalho.

A relação entre os parâmetros do processo de soldagem a laser (como potência do laser, velocidade de soldagem, etc.) e penetração, largura de solda e propriedades do material de soldagem tem uma grande quantidade de dados empíricos e estabeleceu uma equação de regressão para a relação entre eles:

P / vh = q + b / r (3,5)

Na fórmula, P é a potência do laser, KW; v é a velocidade de soldagem, mm / s: h é a penetração de soldagem, mm; a e b são parâmetros; r é o coeficiente de regressão

Os valores dos parâmetros a, be coeficiente de regressão r na fórmula (3.5) são dados na Tabela 3.7.

Material	Tipo de laser	a / k] * mm-2	b / k] * mm-1	Coeficiente de regressão r
Aço inoxidável SUS304 (OCr18Ni9)	CO2	0.0194	0.356	0.82
Aço suave	CO2 YAG	0.016 0.009	0.219 0.309	0.81 0.92
Liga de alumínio	CO2 YAG	0.0219 0.0065	0.381 0.526	0.73 0.99

Os parâmetros do processo de CO contínuo₂ A soldagem a laser é mostrada na Tabela 3.8.

Material	Espessura / mm	Velocidade de soldagem / cm * s-1	Largura da emenda / mm	Proporção da tela	Potência / kw
Aço inoxidável 321 (1Cr18Ni9Ti）	0.13	3.81	0.45	Penetração total	5
	0.25	1.48	0.71	Penetração total	5
	0.42	0.47	0.76	Penetração parcial	5
17-7 aço inoxidável （0Cr17Ni7Al）	0.13	4.65	0.45	Penetração total	5
302 de aço inoxidável （1Cr18Ni9）	0.13	2.12	0.5	Penetração total	5
	0.20	1.27	0.50	Penetração total	5
	0.25	0.42	1.00	Penetração total	5
	6.35	2.14	0.70	7	3.5
	8.9	1.27	1.00	3	8
	12.7	0.42	1.00	5	20
	20.3	21.1	1.00	5	20
	6.35	8.47	–	6.5	16
Inconel 600	0.10	6.35	0.25	Penetração total	5
	0.25	1.69	0.45	Penetração total	5
Liga de níquel 20	0.13	1.48	0.45		5
Monel 400	0.25	0.60	0.60		5
Titânio puro industrial	0.13	5.90	0.38		5
	0.25	2.12	0.55		5
Aço suave	1.19	0.32	–	0.63	0.65