Se propone el método de soldadura de doble haz, principalmente para resolver la adaptabilidad desoldadura láserPara lograr precisión en el ensamblaje, mejorar la estabilidad del proceso de soldadura y la calidad de la soldadura, especialmente para la soldadura de placas delgadas y aleaciones de aluminio. La soldadura láser de doble haz puede utilizar métodos ópticos para separar el mismo láser en dos haces de luz separados para la soldadura. También puede utilizar dos tipos diferentes de láseres para combinar, láser de CO2, láser Nd:YAG y láser semiconductor de alta potencia. Al cambiar la energía del haz, el espaciado del haz e incluso el patrón de distribución de energía de los dos haces, el campo de temperatura de soldadura se puede ajustar de manera conveniente y flexible, cambiando el patrón de existencia de los orificios y el patrón de flujo del metal líquido en el baño de fusión, proporcionando una mejor solución para el proceso de soldadura. El amplio espacio de elección no tiene rival en la soldadura láser de haz único. No solo tiene las ventajas de una gran penetración de soldadura láser, alta velocidad y alta precisión, sino que también tiene una gran adaptabilidad a materiales y uniones que son difíciles de soldar con la soldadura láser convencional.
Principio desoldadura láser de doble haz
La soldadura de doble haz consiste en utilizar dos haces láser simultáneamente durante el proceso de soldadura. La disposición de los haces, el espaciado entre ellos, el ángulo entre los dos haces, la posición de enfoque y la relación de energía de los dos haces son parámetros relevantes en la soldadura láser de doble haz. Normalmente, durante el proceso de soldadura, existen dos formas de disponer los haces dobles. Como se muestra en la figura, una consiste en disponerlos en serie a lo largo de la dirección de soldadura. Esta disposición puede reducir la velocidad de enfriamiento del baño de fusión. Reduce la tendencia a la endurecimiento de la soldadura y la generación de poros. La otra consiste en disponerlos uno al lado del otro o en cruz a ambos lados de la soldadura para mejorar la adaptabilidad al espacio de soldadura.
Principio de soldadura láser de doble haz
La soldadura de doble haz consiste en utilizar dos haces láser simultáneamente durante el proceso de soldadura. La disposición de los haces, el espaciado entre ellos, el ángulo entre los dos haces, la posición de enfoque y la relación de energía de los dos haces son parámetros relevantes en la soldadura láser de doble haz. Normalmente, durante el proceso de soldadura, existen dos formas de disponer los haces dobles. Como se muestra en la figura, una consiste en disponerlos en serie a lo largo de la dirección de soldadura. Esta disposición puede reducir la velocidad de enfriamiento del baño de fusión. Reduce la tendencia a la endurecimiento de la soldadura y la generación de poros. La otra consiste en disponerlos uno al lado del otro o en cruz a ambos lados de la soldadura para mejorar la adaptabilidad al espacio de soldadura.
En un sistema de soldadura láser de doble haz dispuesto en tándem, existen tres mecanismos de soldadura diferentes dependiendo de la distancia entre los haces delantero y trasero, como se muestra en la figura siguiente.
1. En el primer tipo de mecanismo de soldadura, la distancia entre los dos haces de luz es relativamente grande. Un haz de luz tiene una mayor densidad de energía y se enfoca en la superficie de la pieza para producir orificios de penetración en la soldadura; el otro haz de luz tiene una menor densidad de energía y se utiliza únicamente como fuente de calor para el tratamiento térmico previo o posterior a la soldadura. Mediante este mecanismo, se puede controlar la velocidad de enfriamiento del baño de soldadura dentro de un rango determinado, lo que resulta beneficioso para soldar algunos materiales con alta susceptibilidad a la fisuración, como el acero con alto contenido de carbono, el acero aleado, etc., y también puede mejorar la tenacidad de la soldadura.
2. En el segundo tipo de mecanismo de soldadura, la distancia focal entre los dos haces de luz es relativamente pequeña. Estos dos haces producen dos orificios independientes en el baño de soldadura, lo que modifica el flujo del metal líquido y ayuda a prevenir el agarrotamiento. Esto elimina defectos como bordes irregulares y abultamientos en el cordón de soldadura, mejorando así la formación de la soldadura.
3. En el tercer tipo de mecanismo de soldadura, la distancia entre los dos haces de luz es muy pequeña. En este caso, ambos haces producen el mismo orificio en el baño de soldadura. En comparación con la soldadura láser de un solo haz, debido a que el tamaño del orificio es mayor y no se cierra fácilmente, el proceso de soldadura es más estable y el gas se descarga con mayor facilidad, lo que contribuye a reducir la porosidad y las salpicaduras, y a obtener soldaduras continuas, uniformes y estéticas.
Durante el proceso de soldadura, los dos haces láser pueden dirigirse en un ángulo determinado entre sí. El mecanismo de soldadura es similar al de soldadura de doble haz paralelo. Los resultados de las pruebas demuestran que, al utilizar dos haces láser de alta potencia con un ángulo de 30° entre sí y una distancia de 1 a 2 mm, se puede obtener un orificio en forma de embudo. El tamaño del orificio es mayor y más estable, lo que mejora eficazmente la calidad de la soldadura. En aplicaciones prácticas, la combinación de los dos haces de luz puede modificarse según las diferentes condiciones de soldadura para lograr distintos procesos.
6. Método de implementación de la soldadura láser de doble haz
La obtención de haces dobles se logra combinando dos haces láser diferentes, o bien, dividiendo un haz láser en dos para soldadura mediante un sistema de espectrometría óptica. Para dividir un haz de luz en dos haces láser paralelos de distinta potencia, se puede utilizar un espectroscopio o algún sistema óptico especial. La imagen muestra dos diagramas esquemáticos de los principios de división de la luz mediante espejos de enfoque como divisores de haz.
Además, un reflector también puede utilizarse como divisor de haz, y el último reflector en la trayectoria óptica puede funcionar como tal. Este tipo de reflector también se denomina reflector tipo techo. Su superficie reflectante no es plana, sino que consta de dos planos. La línea de intersección de las dos superficies reflectantes se ubica en el centro de la superficie del espejo, de forma similar a una cumbrera, como se muestra en la figura. Un haz de luz paralela incide sobre el espectroscopio, se refleja en los dos planos con ángulos diferentes para formar dos haces de luz, que inciden en distintas posiciones del espejo de enfoque. Tras el enfoque, se obtienen dos haces de luz a una distancia determinada sobre la superficie de la pieza de trabajo. Al modificar el ángulo entre las dos superficies reflectantes y la posición del techo, se pueden obtener haces de luz divididos con diferentes distancias focales y configuraciones.
Cuando se utilizan dos tipos diferentes dehaces láser tPara formar un haz doble, existen muchas combinaciones. Un láser de CO2 de alta calidad con una distribución de energía gaussiana puede utilizarse para el trabajo principal de soldadura, y un láser semiconductor con una distribución de energía rectangular puede utilizarse como apoyo en el trabajo de tratamiento térmico. Por un lado, esta combinación es más económica. Por otro lado, la potencia de los dos haces de luz puede ajustarse de forma independiente. Para diferentes formas de unión, se puede obtener un campo de temperatura ajustable modificando la posición de superposición del láser y el láser semiconductor, lo que resulta muy adecuado para el control del proceso de soldadura. Además, también se pueden combinar un láser YAG y un láser de CO2 en un haz doble para soldadura, un láser continuo y un láser pulsado para soldadura, y un haz enfocado y un haz desenfocado para soldadura.
7. Principio de la soldadura láser de doble haz
3.1 Soldadura láser de doble haz de chapas galvanizadas
La chapa de acero galvanizado es el material más utilizado en la industria automotriz. El punto de fusión del acero ronda los 1500 °C, mientras que el del zinc es de tan solo 906 °C. Por lo tanto, al utilizar el método de soldadura por fusión, se genera una gran cantidad de vapor de zinc, lo que provoca inestabilidad en el proceso de soldadura y la formación de poros. En las uniones solapadas, la volatilización de la capa galvanizada no solo se produce en las superficies superior e inferior, sino también en la superficie de la unión. Durante el proceso de soldadura, el vapor de zinc se expulsa rápidamente de la superficie del baño de fusión en algunas zonas, mientras que en otras resulta difícil que escape. En la superficie del baño de fusión, la calidad de la soldadura es muy inestable.
La soldadura láser de doble haz puede solucionar los problemas de calidad de soldadura causados por el vapor de zinc. Un método consiste en controlar el tiempo de permanencia y la velocidad de enfriamiento del baño de fusión ajustando adecuadamente la energía de ambos haces para facilitar la salida del vapor de zinc; el otro método consiste en liberar el vapor de zinc mediante perforación o ranurado previos. Como se muestra en la Figura 6-31, se utiliza un láser de CO2 para la soldadura. El láser YAG se sitúa delante del láser de CO2 y se utiliza para perforar agujeros o cortar ranuras. Los agujeros o ranuras preprocesados proporcionan una vía de escape para el vapor de zinc generado durante la soldadura posterior, evitando que permanezca en el baño de fusión y forme defectos.
3.2 Soldadura láser de doble haz de aleación de aluminio
Debido a las características de rendimiento especiales de los materiales de aleación de aluminio, existen las siguientes dificultades en el uso de la soldadura láser [39]: la aleación de aluminio tiene una baja tasa de absorción del láser, y la reflectividad inicial de la superficie del haz láser de CO2 supera el 90%; las uniones soldadas con láser de aleación de aluminio son propensas a producir porosidad, grietas; quema de elementos de aleación durante la soldadura, etc. Cuando se utiliza soldadura láser simple, es difícil establecer el orificio de penetración y mantener la estabilidad. La soldadura láser de doble haz puede aumentar el tamaño del orificio de penetración, lo que dificulta su cierre, lo cual es beneficioso para la descarga de gases. También puede reducir la velocidad de enfriamiento y la aparición de poros y grietas de soldadura. Dado que el proceso de soldadura es más estable y la cantidad de salpicaduras se reduce, la forma de la superficie de soldadura obtenida mediante soldadura de doble haz de aleaciones de aluminio también es significativamente mejor que la de la soldadura de haz simple. La Figura 6-32 muestra la apariencia de la unión soldada de una soldadura a tope de aleación de aluminio de 3 mm de espesor utilizando soldadura láser de CO2 de haz simple y de doble haz.
Las investigaciones muestran que al soldar aleación de aluminio serie 5000 de 2 mm de espesor, cuando la distancia entre los dos haces es de 0,6 a 1,0 mm, el proceso de soldadura es relativamente estable y la abertura del orificio formada es mayor, lo que favorece la evaporación y el escape de magnesio durante el proceso de soldadura. Si la distancia entre los dos haces es demasiado pequeña, el proceso de soldadura de un solo haz no será estable. Si la distancia es demasiado grande, la penetración de la soldadura se verá afectada, como se muestra en la Figura 6-33. Además, la relación de energía de los dos haces también tiene un gran impacto en la calidad de la soldadura. Cuando se disponen en serie dos haces con una separación de 0,9 mm para soldar, la energía del haz anterior debe incrementarse adecuadamente para que la relación de energía de los dos haces anterior y posterior sea mayor que 1:1. Esto ayuda a mejorar la calidad de la soldadura, aumentar el área de fusión y obtener una soldadura lisa y uniforme incluso a alta velocidad de soldadura.
3.3 Soldadura de doble haz de placas de espesor desigual
En la producción industrial, a menudo es necesario soldar dos o más placas metálicas de diferentes espesores y formas para formar una placa empalmada. Especialmente en la producción automotriz, la aplicación de piezas soldadas a medida se está generalizando. Al soldar placas con diferentes especificaciones, recubrimientos superficiales o propiedades, se puede aumentar la resistencia, reducir los materiales consumibles y mejorar la calidad. La soldadura láser de placas de diferentes espesores se utiliza habitualmente en la soldadura de paneles. Un problema importante es que las placas a soldar deben estar preformadas con bordes de alta precisión y garantizar un ensamblaje preciso. El uso de la soldadura de doble haz para placas de espesor desigual permite adaptarse a diferentes variaciones en las separaciones, uniones a tope, espesores relativos y materiales de las placas. Permite soldar placas con mayores tolerancias de borde y separación, mejorando la velocidad y la calidad de la soldadura.
Los principales parámetros del proceso de soldadura de placas de espesor desigual de Shuangguangdong se pueden dividir en parámetros de soldadura y parámetros de placa, como se muestra en la figura. Los parámetros de soldadura incluyen la potencia de los dos haces láser, la velocidad de soldadura, la posición del foco, el ángulo del cabezal de soldadura, el ángulo de rotación del haz de la junta a tope de doble haz y el desplazamiento de soldadura, etc. Los parámetros de la placa incluyen el tamaño del material, el rendimiento, las condiciones de recorte, los espacios de la placa, etc. La potencia de los dos haces láser se puede ajustar por separado según los diferentes propósitos de soldadura. La posición del foco generalmente se ubica en la superficie de la placa delgada para lograr un proceso de soldadura estable y eficiente. El ángulo del cabezal de soldadura generalmente se selecciona alrededor de 6. Si el espesor de las dos placas es relativamente grande, se puede usar un ángulo positivo del cabezal de soldadura, es decir, el láser se inclina hacia la placa delgada, como se muestra en la imagen; cuando el espesor de la placa es relativamente pequeño, se puede usar un ángulo negativo del cabezal de soldadura. El desplazamiento de soldadura se define como la distancia entre el foco del láser y el borde de la placa gruesa. Ajustando el desplazamiento de la soldadura, se puede reducir la cantidad de hendidura y obtener una buena sección transversal de la soldadura.
Al soldar placas con grandes huecos, se puede aumentar el diámetro efectivo de calentamiento del haz girando el ángulo del haz doble para obtener buenas capacidades de relleno de huecos. El ancho de la parte superior de la soldadura está determinado por el diámetro efectivo del haz de los dos haces láser, es decir, el ángulo de rotación del haz. Cuanto mayor sea el ángulo de rotación, mayor será el rango de calentamiento del haz doble y mayor será el ancho de la parte superior de la soldadura. Los dos haces láser desempeñan diferentes funciones en el proceso de soldadura. Uno se utiliza principalmente para penetrar la costura, mientras que el otro se utiliza principalmente para fundir el material de la placa gruesa para rellenar el hueco. Como se muestra en la Figura 6-35, bajo un ángulo de rotación positivo del haz (el haz frontal actúa sobre la placa gruesa, el haz posterior actúa sobre la soldadura), el haz frontal incide sobre la placa gruesa para calentar y fundir el material, y el haz láser posterior crea la penetración. El primer rayo láser frontal solo puede fundir parcialmente la placa gruesa, pero contribuye enormemente al proceso de soldadura, ya que no solo funde el lateral de la placa gruesa para un mejor relleno de huecos, sino que también pre-une el material de la junta para que los rayos siguientes puedan soldar más fácilmente a través de las juntas, permitiendo una soldadura más rápida. En la soldadura de doble haz con un ángulo de rotación negativo (el rayo frontal actúa sobre la soldadura y el rayo posterior actúa sobre la placa gruesa), los dos rayos tienen exactamente el efecto opuesto. El primer rayo funde la junta y el segundo rayo funde la placa gruesa para rellenar el hueco. En este caso, el rayo frontal debe soldar a través de la placa fría, y la velocidad de soldadura es más lenta que con un ángulo de rotación positivo. Además, debido al efecto de precalentamiento del rayo anterior, el segundo rayo fundirá más material de la placa gruesa con la misma potencia. En este caso, la potencia del segundo rayo láser debe reducirse adecuadamente. En comparación, usar un ángulo de rotación positivo puede aumentar adecuadamente la velocidad de soldadura, y usar un ángulo de rotación negativo puede lograr un mejor relleno de huecos. La figura 6-36 muestra la influencia de diferentes ángulos de rotación del haz en la sección transversal de la soldadura.
3.4 Soldadura láser de doble haz de grandes placas gruesas. Gracias a la mejora en la potencia y la calidad del haz láser, la soldadura láser de grandes placas gruesas se ha convertido en una realidad. Sin embargo, debido al elevado coste de los láseres de alta potencia y a que la soldadura de grandes placas gruesas generalmente requiere material de aporte, existen ciertas limitaciones en la producción real. El uso de la tecnología de soldadura láser de doble haz permite no solo aumentar la potencia del láser, sino también incrementar el diámetro efectivo de calentamiento del haz, mejorar la capacidad de fusión del material de aporte, estabilizar el orificio láser, mejorar la estabilidad de la soldadura y optimizar su calidad.
Fecha de publicación: 29 de abril de 2024
