Soldadura láserse puede lograr utilizando haces láser continuos o pulsados. Los principios desoldadura láserSe puede dividir en soldadura por conducción térmica y soldadura láser de penetración profunda. Cuando la densidad de potencia es inferior a 10⁴~10⁵ W/cm², se trata de soldadura por conducción térmica. En este caso, la profundidad de penetración es superficial y la velocidad de soldadura es lenta; cuando la densidad de potencia es superior a 10⁵~10⁷ W/cm², la superficie del metal se cóncava formando "agujeros" debido al calor, lo que da lugar a una soldadura de penetración profunda, que se caracteriza por una alta velocidad de soldadura y una gran relación de aspecto. El principio de la conducción térmica se basa en esta técnica.soldadura láserEl proceso consiste en que la radiación láser calienta la superficie a procesar, y este calor se difunde hacia el interior mediante conducción térmica. Al controlar parámetros del láser como el ancho del pulso, la energía, la potencia máxima y la frecuencia de repetición, la pieza se funde para formar un baño de fusión específico.
La soldadura láser de penetración profunda generalmente utiliza un haz láser continuo para completar la unión de los materiales. Su proceso físico metalúrgico es muy similar al de 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 irradiación láser con una densidad de potencia suficientemente alta, el material se evapora y se forman pequeños orificios. Este pequeño orificio lleno de vapor es como un cuerpo negro, que absorbe casi toda la energía del haz incidente. La temperatura de equilibrio en el orificio alcanza aproximadamente 2500.°C. El calor se transfiere desde la pared exterior del orificio de alta temperatura, provocando la fusión del metal que lo rodea. El pequeño orificio se llena de vapor a alta temperatura generado por la evaporación continua del material de la pared bajo la irradiación del haz. Las paredes del pequeño orificio están rodeadas de metal fundido, y este metal líquido está rodeado de materiales sólidos (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 al interior). El flujo de líquido fuera de la pared del orificio y la tensión superficial de la capa de la pared están en fase con la presión de vapor generada continuamente en la cavidad del orificio y mantienen un equilibrio dinámico. El haz de luz entra continuamente en el pequeño orificio, y el material fuera de él fluye continuamente. A medida que el haz de luz se mueve, el pequeño orificio se encuentra siempre en un estado de flujo estable.
Es decir, el pequeño orificio y el metal fundido que lo rodea avanzan a la misma velocidad que el haz piloto. El metal fundido llena el espacio que queda tras eliminar el orificio y se condensa, formándose así la soldadura. Todo esto ocurre con tanta rapidez que la velocidad de soldadura puede alcanzar fácilmente varios metros por minuto.
Tras comprender los conceptos básicos de densidad de potencia, soldadura por conductividad térmica y soldadura de penetración profunda, realizaremos un análisis comparativo de la densidad de potencia y las fases metalográficas de diferentes diámetros de núcleo.
Comparación de experimentos de soldadura basados en diámetros de núcleo láser comunes en el mercado:
Densidad de potencia de la posición del punto focal de láseres con diferentes diámetros de núcleo
Desde la perspectiva de la densidad de potencia, con la misma potencia, cuanto menor sea el diámetro del núcleo, mayor será el brillo del láser y más concentrada la energía. Si comparamos el láser con un cuchillo afilado, cuanto menor sea el diámetro del núcleo, más afilado será el láser. La densidad de potencia del láser con un diámetro de núcleo de 14 µm es más de 50 veces superior a la del láser con un diámetro de núcleo de 100 µm, y su capacidad de procesamiento es mayor. Sin embargo, la densidad de potencia calculada aquí es simplemente una densidad promedio. La distribución de energía real se aproxima a una distribución gaussiana, y la energía central será varias veces superior a la densidad de potencia promedio.
Diagrama esquemático de la distribución de energía láser con diferentes diámetros de núcleo.
El color del diagrama de distribución de energía representa dicha distribución. Cuanto más rojo sea el color, mayor será la energía. La energía roja indica la concentración en ciertas zonas. Mediante la distribución de energía láser de haces con diferentes diámetros de núcleo, se observa que el frente del haz láser es difuso y el haz es nítido. Cuanto menor sea el diámetro, mayor será la concentración de energía en un punto, más nítido será el haz y mayor su capacidad de penetración.
Comparación de los efectos de soldadura de láseres con diferentes diámetros de núcleo.
Comparación de láseres con diferentes diámetros de núcleo:
(1) El experimento utiliza una velocidad de 150 mm/s, soldadura de posición focalizada y el material es aluminio serie 1, de 2 mm de espesor;
(2) Cuanto mayor sea el diámetro del núcleo, mayor será el ancho de fusión, mayor será la zona afectada por el calor y menor la densidad de potencia unitaria. Cuando el diámetro del núcleo supera los 200 µm, no es fácil lograr una profundidad de penetración en aleaciones de alta reacción como el aluminio y el cobre, y una soldadura de penetración profunda más alta solo se puede lograr con alta potencia;
(3) Los láseres de núcleo pequeño tienen una alta densidad de potencia y pueden perforar rápidamente agujeros en la superficie de materiales con alta energía y pequeñas zonas afectadas por el calor. Sin embargo, al mismo tiempo, la superficie de la soldadura es rugosa y la probabilidad de colapso del agujero es alta durante la soldadura a baja velocidad, y el agujero se cierra durante el ciclo de soldadura. El ciclo es largo y es propenso a ocurrir defectos como defectos y poros. Es adecuado para el procesamiento de alta velocidad o el procesamiento con una trayectoria oscilante;
(4) Los láseres de gran diámetro de núcleo tienen puntos de luz más grandes y energía más dispersa, lo que los hace más adecuados para la refundición de superficies láser, el revestimiento, el recocido y otros procesos.
Fecha de publicación: 6 de octubre de 2023
