Tema especial de la tecnología moderna de soldadura láser: soldadura láser de doble haz

Se ha propuesto el método de soldadura de doble haz, utilizado principalmente para mejorar la adaptabilidad de soldadura por láser para la precisión del ensamblaje, aumentar la estabilidad del proceso de soldadura y mejorar la calidad de la soldadura, especialmente para la soldadura de placas delgadas y aleaciones de aluminio.La soldadura láser de doble haz puede separar el mismo tipo de láser en dos haces separados para soldar utilizando métodos ópticos, o puede utilizar dos tipos diferentes de láseres para combinarlos. Los láseres de CO2, los láseres Nd:YAG y los láseres semiconductores de alta potencia se pueden combinar entre sí.Al cambiar la energía de los haces, la distancia entre los haces 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. Esto cambia el modo de existencia de los orificios y el modo de flujo del metal líquido en el baño de soldadura, proporcionando una elección más amplia de espacio para el proceso de soldadura, que no tiene comparación con la soldadura láser de haz único. No solo posee las ventajas de la fusión profunda. , velocidad rápida y alta precisión de soldadura láser, pero también tiene una gran adaptabilidad a materiales y uniones difíciles de soldar con soldadura láser convencional.

1. Principio de soldadura láser de doble haz

La soldadura de doble haz significa utilizar dos láseres simultáneamente durante el proceso de soldadura. La disposición de los haces, el espaciado de los haces, el ángulo formado por los dos haces, la posición de enfoque y la relación de energía de los dos haces son parámetros de configuración relevantes en la soldadura láser de doble haz. Normalmente, durante el proceso de soldadura, generalmente hay dos formas de organizar las vigas duales. Como se muestra en la figura, hay que disponerlos en serie a lo largo de la dirección de soldadura. Este diseño puede reducir la velocidad de enfriamiento del baño de soldadura y disminuir la tendencia al endurecimiento de la soldadura y la producción de porosidad. La otra es disponer o cruzar las vigas una al lado de la otra a ambos lados de la costura de soldadura para aumentar la adaptabilidad al espacio en la costura de soldadura.

Para un sistema de soldadura láser de doble haz con disposición en serie, Existen tres mecanismos de soldadura diferentes según la separación entre las dos vigas.

1）En el primer tipo de mecanismo de soldadura, el espacio entre las dos vigas es relativamente grande. Un haz tiene una mayor densidad de energía y se enfoca en la superficie de la pieza de trabajo para producir un ojo de cerradura en la soldadura.; mientras que el otro haz tiene una menor densidad energética y solo sirve como fuente de calor para el tratamiento térmico previo o posterior a la soldadura.Este mecanismo de soldadura permite controlar la velocidad de enfriamiento del baño de soldadura dentro de un cierto rango, lo que favorece la soldadura de materiales con alta sensibilidad al agrietamiento, como acero con alto contenido de carbono y acero aleado, y también puede mejorar la tenacidad del cordón de soldadura.

2）En el segundo tipo de mecanismo de soldadura, la distancia entre los puntos focales de los dos haces es relativamente pequeña. Los dos haces producen dos orificios separados en un único baño de soldadura., provocando un cambio en el patrón de flujo del metal fundido. Esto ayuda a prevenir defectos. como socavados y protuberancias del cordón de soldadura, mejorando la formación de la costura de soldadura.

3）En el tercer tipo de mecanismo de soldadura, la distancia entre las dos vigas es muy pequeña y, en este momento, los dos haces producen el mismo ojo de cerradura en el baño de soldadura. En comparación con la soldadura láser de un solo haz, el tamaño de este ojo de cerradura es mayor y es menos probable que se cierre., lo que hace que el proceso de soldadura sea más estable y el gas sea más fácil de descargar. Esto es beneficioso para reducir la porosidad, las salpicaduras y lograr una costura de soldadura continua, uniforme y atractiva.

Durante el proceso de soldadura, los dos rayos láser también se pueden colocar en un cierto ángulo entre sí, y su mecanismo de soldadura es similar al mecanismo de soldadura de doble haz paralelo. Los resultados experimentales han demostrado que, empleando dos rayos láser OO de alta potencia en un ángulo de 30° entre sí y espaciados entre 1 y 2 mm, se puede lograr un ojo de cerradura en forma de embudo. El ojo de la cerradura es más grande y más estable, lo que puede mejorar efectivamente la calidad de la soldadura. En aplicaciones reales, se pueden ajustar diferentes combinaciones de los dos haces según diferentes condiciones de soldadura para lograr diferentes procesos de soldadura.

2.Método de implementación de soldadura láser de doble haz.

La obtención de haces duales se puede lograr combinando dos haces láser diferentes o utilizando un sistema óptico de división de haz para dividir un rayo láser en dos para soldar. Para separar un haz en dos potencias diferentes, láseres paralelos, un espejo divisor de haz o Se pueden utilizar algunos sistemas ópticos especiales. La imagen muestra dos tipos de principios de división del haz utilizando una lente de enfoque como divisor del haz.

Además, se puede utilizar un reflector como espejo divisor del haz, sirviendo el último reflector del camino óptico como divisor del haz. Este tipo de reflector también se conoce como reflector de cresta, su superficie reflectante no es un solo plano sino que está compuesta por dos planos. La línea de intersección de las dos superficies reflectantes se encuentra en el medio del espejo, asemejándose a una cresta, como se muestra en la figura. Se proyecta un haz de luz paralelo sobre el divisor de haz y se refleja en dos haces mediante dos planos en diferentes anglos. Estos haces iluminan diferentes posiciones en la lente de enfoque y, después de enfocar, se obtienen dos haces con una cierta separación en la superficie de la pieza de trabajo. Cambiando el ángulo entre las dos superficies reflectantes y la posición de la cresta, se pueden obtener haces de luz con separación focal y métodos de disposición diferentes.

Cuando se utilizan dos tipos diferentes de rayos láser para formar un haz doble, existen varios métodos de combinación. Para trabajos de soldadura primaria se puede utilizar un láser de CO2 de alta calidad con distribución de energía gaussiana, asistido por un láser semiconductor con distribución de energía rectangular para trabajos de tratamiento térmico. Este método combinado es económico por un lado y, por otro, la potencia de los dos haces se puede ajustar de forma independiente. Para diferentes formas de unión, se puede obtener un campo de temperatura ajustable ajustando la posición de superposición del láser y el láser semiconductor, lo cual es muy adecuado para el control del proceso de soldadura. Además, el láser YAG y el láser de CO2 se pueden combinar en un haz dual para soldar, el láser continuo y el láser pulsado se pueden combinar para soldar, y el haz enfocado y el haz desenfocado también se pueden combinar para soldar.

3. Principio de soldadura láser de doble haz

3.1 Soldadura láser de doble haz de chapa galvanizada

La placa de acero galvanizado es el material más utilizado en la industria automotriz. El punto de fusión del acero es de unos 1500°C, mientras que el punto de ebullición del zinc es de sólo 906°C. Por lo tanto, cuando se utiliza el método de soldadura, generalmente se genera una gran cantidad de vapor de zinc, lo que provoca inestabilidad en el proceso de soldadura y forma agujeros de aire en la costura de soldadura. Para las juntas traslapadas, la volatilización de la capa galvanizada no solo ocurre en la parte superior y superficies inferiores, sino también en la interfaz de la articulación. Durante el proceso de soldadura, el vapor de zinc se pulveriza rápidamente fuera de la superficie del baño fundido en algunas áreas, mientras que en otras áreas es difícil que el vapor de zinc escape de la superficie del baño fundido, lo que resulta en una calidad de soldadura muy inestable.

La soldadura láser de doble haz puede resolver los problemas de calidad de la soldadura causados ​​por el vapor de zinc. Un método consiste en controlar el tiempo de existencia y la velocidad de enfriamiento del baño fundido haciendo coincidir razonablemente la energía de los dos haces, lo que es beneficioso para el escape del vapor de zinc; Otro método consiste en liberar vapor de zinc mediante un tratamiento previo de perforación o ranurado. Como se muestra en la figura siguiente, los láseres de CO2 se utilizan para soldar, y los láseres YAG en la parte frontal del láser de CO2 se utilizan para perforar o cortar ranuras. Los orificios o ranuras preprocesados ​​proporcionan una ruta de escape para el vapor de zinc generado durante la soldadura posterior, evitando que permanezca en el baño fundido y forme defectos.

3.2 Soldadura láser de doble haz de aleación de aluminio.

Debido a las propiedades únicas de los materiales de aleación de aluminio, la soldadura por láser presenta las siguientes dificultades: la tasa de absorción del láser por las aleaciones de aluminio es baja, con una tasa de reflexión inicial en la superficie del rayo láser de CO2 superior al 90%; durante la soldadura, las costuras de soldadura láser de aleación de aluminio son propensas a sufrir porosidad y grietas; hay pérdida de elementos de aleación durante el proceso de soldadura. Cuando se utiliza soldadura láser simple, es difícil establecer orificios de cerradura y no es fácil mantener la estabilidad. Cuando se utiliza soldadura láser de doble haz, se puede aumentar el tamaño del orificio de cerradura, lo que dificulta el cierre del orificio y facilita el gas. escape. Al mismo tiempo, puede reducir la velocidad de enfriamiento, reduciendo la aparición de poros y grietas de soldadura. Debido a que el proceso de soldadura es más estable y se reduce la cantidad de salpicaduras, la formación de la superficie de la soldadura obtenida mediante soldadura de doble haz de aleaciones de aluminio también es significativamente mejor que la de una sola viga. La siguiente figura muestra la apariencia de uniones a tope de aleaciones de aluminio de 3 mm de espesor soldadas con un solo rayo láser de CO2 y dos rayos láser.

Las investigaciones muestran que al soldar una aleación de aluminio de la serie 2 de 5000 mm de espesor, el proceso es relativamente estable cuando la distancia entre las dos vigas es de 0.6 ~ 1.0 mm. La abertura resultante es más grande, lo que facilita la evaporación y el escape de los elementos de magnesio durante el proceso de soldadura. Si la distancia entre las dos vigas es demasiado pequeña, el proceso será similar a la soldadura de una sola viga y no será fácilmente estable; si la distancia es demasiado grande, afectará la profundidad de penetración de la soldadura, como se muestra en la figura siguiente. Además, la relación de energía de los dos haces también tiene un impacto significativo en la calidad de la soldadura. Cuando se disponen dos haces en serie para soldar a una distancia de 0.9 mm, es beneficioso aumentar adecuadamente la energía del haz anterior, haciendo que la relación de energía de los dos haces sea mayor que 1:1. Esto ayuda a mejorar la calidad de la soldadura, ampliar el área de fusión y aun así lograr soldaduras suaves y estéticamente agradables incluso a velocidades de soldadura más altas.

3.3 Soldadura bihaz de placas de espesor desigual

En la producción industrial, a menudo es necesario soldar dos o más láminas de metal de diferentes espesores y formas para formar una lámina empalmada. Especialmente en la fabricación de automóviles, la aplicación de láminas empalmadas está cada vez más extendida.
Al soldar láminas de diferentes especificaciones, revestimientos superficiales o rendimiento, se puede aumentar la resistencia, reducir el consumo y reducir el peso. En la soldadura de placas de empalme se suele utilizar la soldadura láser de placas de diferentes espesores. Un problema importante es la necesidad de prefabricar las piezas a soldar con bordes de alta precisión y garantizar un ensamblaje de alta precisión. El uso de soldadura de doble haz para placas de espesor desigual puede adaptarse a diferentes espacios, piezas de acoplamiento, espesores relativos y materiales. diferencias de las hojas. Puede soldar láminas con mayores tolerancias de bordes y espacios, mejorando la velocidad y la calidad de la soldadura.

Los principales parámetros del proceso de soldadura de doble haz para placas de espesor desigual 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 láseres, la velocidad de soldadura, la posición del punto focal, el ángulo del cabezal de soldadura, el ángulo de rotación del haz doble en la junta a tope y la desviación de la soldadura. Los parámetros de la placa incluyen dimensiones del material, rendimiento, recorte de bordes y espacio entre la placa. La potencia de los dos láseres se puede ajustar por separado según los diferentes propósitos de soldadura.
Generalmente, se puede lograr un proceso de soldadura estable y eficiente cuando el punto focal está en la superficie de la lámina delgada. El ángulo del cabezal de soldadura suele elegirse en torno a 6 grados. Si el espesor de las dos placas es bastante grande, se puede adoptar un ángulo positivo del cabezal de soldadura, es decir, el láser se inclina hacia la placa delgada como se muestra en la figura. Cuando el espesor de la placa es relativamente pequeño, se puede utilizar un ángulo negativo del cabezal de soldadura. La desviación de soldadura se define como la distancia entre el punto focal del láser y el borde de la placa gruesa. Al ajustar la desviación de la soldadura, se puede reducir la concavidad de la soldadura para lograr una buena sección transversal de soldadura.

Al soldar placas con espacios grandes, se puede aumentar el diámetro efectivo de calentamiento del haz para lograr una buena capacidad de llenado de espacios girando el ángulo del haz doble. La anchura de la parte superior de la costura de soldadura está determinada por el diámetro efectivo del haz de los dos láseres, es decir, por el ángulo de rotación del haz. Cuanto mayor sea el ángulo de rotación, más amplio será el rango de calentamiento del doble haz y mayor será el ancho superior de la costura de soldadura. Los dos láseres desempeñan funciones diferentes durante el proceso de soldadura; uno se usa principalmente para penetrar la junta y el otro se usa principalmente para fundir material de placa gruesa para llenar el espacio. Como se muestra en la figura siguiente, bajo un ángulo de rotación de la viga positiva (la viga frontal actúa sobre la placa gruesa, la viga trasera actúa sobre la costura), la viga frontal incide sobre la placa gruesa, calentando y derritiendo el material, y lo siguiente El rayo láser produce penetración. El primer rayo láser en la parte frontal solo puede derretir parcialmente la placa gruesa, pero hace una contribución significativa al proceso de soldadura porque no solo funde el lado de la placa gruesa para un mejor llenado de espacios, sino también pre- conecta el material de la junta, facilitando que el siguiente haz penetre en la junta, mejorando así la velocidad de soldadura. En la soldadura de doble haz con un ángulo de rotación negativo (el haz delantero actúa sobre la costura de soldadura, el haz trasero actúa sobre el grueso placa), las funciones de las dos vigas son justo opuestas. La viga delantera penetra la junta y la viga trasera funde la placa gruesa para llenar el espacio.

En este caso, el haz frontal tiene que atravesar la placa fría y la velocidad de soldadura es menor que con un ángulo de rotación del haz positivo. Y, debido al efecto de precalentamiento del rayo frontal, el rayo siguiente derretirá más material de placa gruesa a la misma potencia. En este caso, la potencia del segundo rayo láser debe reducirse adecuadamente. En comparación, adoptar un ángulo de rotación del haz positivo puede aumentar adecuadamente la velocidad de soldadura, mientras que adoptar un ángulo de rotación del haz negativo puede lograr un mejor llenado de espacios. La siguiente imagen muestra los efectos de diferentes ángulos de rotación del haz en la sección transversal de la costura de soldadura.

3.4 Soldadura láser de doble haz de placas gruesas

Con la mejora de los niveles de potencia del láser y la calidad del haz, se ha convertido en una realidad el uso de soldadura láser para placas gruesas. Sin embargo, debido al alto costo de los láseres de alta potencia y a la necesidad general de relleno de metal en la soldadura de placas gruesas, existen ciertas limitaciones en la producción real. El uso de la tecnología de soldadura láser de doble haz no solo mejora la potencia del láser sino que también aumenta El diámetro efectivo de calentamiento del haz mejora la capacidad de fundir el alambre de relleno y estabiliza el ojo de la cerradura del láser, mejorando la estabilidad de la soldadura y mejorando así la calidad de la misma.