Influência dos parâmetros do processo a laser na soldagem

1.1 Plano de foco

1.1.1 Definição de Foco：A distribuição de energia da seção transversal da viga é mostrada na figura à esquerda, e a seção longitudinal da distribuição de energia da viga também é mostrada na figura à esquerda. O feixe sai do laser e, após passar pela lente de foco colimadora, focará em uma determinada posição, formando uma cintura do feixe. Este ponto tem a característica de que o ponto é o menor e a densidade de energia do feixe é a mais alta, que é o ponto focal.

A distribuição da energia do laser é estritamente simétrica ao longo do plano focal. Através do fenômeno físico da interação do laser com os materiais, pode-se determinar o limite de energia, determinando assim a posição central do ponto de foco.

1.2 A base para julgar as coordenadas dos limites:O limite entre áreas com respingos e sem respingos; O comprimento e o brilho da chama de plasma do limite superior (luz do fogo) e o estado correspondente do limite inferior da chama de plasma (luz do fogo), com o valor mediano obtido; O plano onde o som é mais alto e a reação física é mais intensa.

1.3 Como determinar o plano focal:

1.3.1. O primeiro passo é definir o benchmark

Posicionamento grosseiro:

Se não tiver certeza sobre a localização aproximada da profundidade de foco, você pode primeiro mover o eixo Z para onde o ponto da luz vermelha coaxial é menor, que geralmente fica próximo à profundidade de foco; Encontre o menor ponto guia e procure os limites superior e inferior da energia do ponto focal.

Precauções:

Com a mesma configuração do caminho óptico externo, diferentes potências resultarão em diferentes profundidades de foco. Portanto, ao determinar o ponto focal, a potência deve ser definida o mais baixo possível para facilitar a definição dos limites.

1.3.2 Etapa 2 Método de ponto de pulso - verifique as juntas de solda

Procure as coordenadas do estado crítico de desfocagem positiva e negativa, o ponto médio das duas coordenadas é considerado como as coordenadas de foco.

Método de pontilhamento de pulso - observe as faíscas

Claro, você também pode ouvir o som, pois qual recurso escolher para julgamento depende da situação do laser e do material no local, e o que for mais conveniente para julgamento deve ser escolhido.

Observe também:

1） Certifique-se de não emitir luz continuamente na mesma posição (bater na superfície lisa do material e no ponto de soldagem onde as diferenças características são grandes causará erros de julgamento significativos);

2）O material utilizado para encontrar o ponto focal deve ser plano, sem alterações de altura, e a superfície deve estar limpa;

3) Encontre o ponto focal várias vezes e calcule o valor médio para reduzir o erro.

1.3.3 Determinação do plano focal usando o método da linha oblíqua

Notas sobre corte:

Chapa de aço geral:

1） Para semicondutores, use cerca de 500W ou menos; para fibra óptica, cerca de 300W serão suficientes;

2) A velocidade pode ser definida entre 80-200 mm/s;

3) Quanto maior o ângulo de chanfro da placa de aço, melhor, de preferência em torno de 45-60 graus; o ponto médio está localizado no foco de posicionamento aproximado do ponto guia menor e mais brilhante.

Então comece a marcar a linha. Que efeito a marcação deve alcançar? Teoricamente, esta linha se distribuirá simetricamente em torno do ponto focal, e a trajetória passará por um processo de aumentar de pequeno para grande e depois diminuir novamente, ou diminuir de grande para pequeno e depois aumentar novamente.
Para semicondutores, procure o ponto mais fino. A placa de aço ficará branca no ponto focal com características de cor óbvias, o que também pode servir de base para localizar o ponto focal. Em segundo lugar, para fibra óptica, tente controlar a parte traseira para que fique ligeiramente translúcida. Se for ligeiramente translúcido no ponto focal, isso indica que o ponto focal está no ponto médio do comprimento ligeiramente translúcido da parte traseira.

1.3.4 Pontilhamento em espiral: galvanômetro para encontrar o foco

Quando o modo único é combinado com o galvanômetro, às vezes é difícil encontrar o ponto crítico das características físicas devido à taxa de ampliação excessivamente grande. Portanto, um método de marcação de uma linha espiral, utilizando uma entrada de energia mais densa, é derivado para determinar o ponto focal.

1）Crie uma linha espiral dentro da estrutura do galvanômetro e centralize-a.
Defina os parâmetros da hélice:

• Raio do ponto inicial 0.5 mm

• Raio do ponto final de 1.5 mm

•Passo espiral 0.5mm;

(*O raio do ponto final da linha espiral não deve ser definido muito grande, geralmente 1 mm ~ 2 mm é apropriado.)

2）O soldagem a velocidade geralmente deve ser definida para ≥100 mm/s. Se a velocidade for muito lenta, o efeito da soldagem com fio espiral não será óbvio. A velocidade recomendada é de 150 mm/s.

1.4 Soldagem velocidade

O soldagem a laser O sistema é composto por laser, fibra de transmissão, cabeçote de foco colimador ou galvanômetro, etc. A luz que sai da fibra é divergente e precisa ser transformada em luz paralela por uma lente colimadora e depois convertida em um estado focado (ampliação efeito de vidro) através de uma lente de focagem. Os principais parâmetros durante a depuração do processo a laser incluem: velocidade, poder, quantidade de desfocagem e gás protetor, etc. Geralmente, o relatório do processo fornecido pelos engenheiros de processo durante os testes no laboratório contém principalmente os quatro parâmetros acima, bem como a configuração do modelo de laser escolhido.

1.4.1 Efeito da velocidade na qualidade da soldagem: energia da linha

De modo geral, antes de decidir quais parâmetros escolher para uma peça, é necessário primeiro determinar a velocidade de processamento. Isto requer comunicação com o cliente para atender às suas demandas, como requisitos de ritmo de produção e demandas de produção. A partir deles, você pode deduzir aproximadamente a velocidade necessária e, em seguida, executar a depuração do processo com base nisso.

Durante a soldagem a laser No processo, a velocidade de soldagem afeta diretamente a densidade de energia da linha do feixe de laser, o que afeta significativamente o tamanho da costura de solda. Enquanto isso, sob diferentes velocidades de soldagem, o padrão de fluxo da poça de fusão durante o processo de soldagem a laser também varia.

Aumentando a velocidade de um único laser de fibra: Isso fará com que a energia da linha diminua e a costura de solda mude de espessa para fina. Ele fará a transição da soldagem de penetração profunda para a soldagem de condução até que nenhuma marca de soldagem esteja presente devido à falta de fusão. Geralmente, a velocidade não é muito ajustada. Para materiais altamente refletivos, se houver muita soldagem de segmentos ou falta de fusão, a desaceleração pode resolver alguns dos problemas. Isto inclui a redução da zona afetada pelo calor e da energia da linha para algumas peças estruturais com peças plásticas nas bordas ou em soldas em camadas, aumentando a velocidade.

Soldagem por pulso: a velocidade afeta a taxa de sobreposição;

Soldagem a laser contínua: O princípio fundamental de como a velocidade afeta a soldagem é que ela afeta a distribuição de energia da linha e, portanto, a duração da ação do laser. Isto, por sua vez, leva a níveis variados de profundidade e largura de fusão metalográfica. A regra de influência é ilustrada na imagem abaixo:

A largura de fusão diminui à medida que a velocidade de soldagem aumenta; a profundidade de fusão também diminui à medida que a velocidade de soldagem aumenta; aumentar a velocidade pode, até certo ponto, reduzir defeitos como cortes inferiores e respingos.

1.5 Potência de soldagem

O aporte de energia de soldagem a laser é geralmente representado pela densidade de energia (potência do laser dividida pela área do ponto, em unidades de w/cm²) e aporte térmico (potência do laser dividida pela velocidade de soldagem, em unidades de w/cm²). O primeiro descreve a intensidade da energia do laser na faixa espacial, enquanto o último descreve a acumulação da energia do laser ao longo do tempo.

A relação simples entre potência, profundidade de fusão e largura de fusão é mostrada na imagem. De modo geral: quanto maior a potência, a profundidade e a largura da fusão aumentarão com a potência. Soldagem a laser tem um limite de energia. Abaixo deste limite, é chamada de soldagem por condução de calor; acima dele, é chamada de soldagem de penetração profunda. A diferença é que a soldagem de penetração profunda possui um buraco de fechadura.

Defeitos comuns causados ​​por energia insuficiente incluem: soldagem falsa, profundidade de fusão rasa e marcas de soldagem pouco claras; defeitos devido à potência excessiva incluem: penetração de soldagem, grandes respingos, bordas onduladas e cortes inferiores.

A relação entre potência e profundidade e largura de fusão: Quanto maior a potência, maior a profundidade e largura do fundido.

1.5.1 Mancha em forma de anel:

O laser do anel interno é o principal responsável pela profundidade de fusão, à medida que a potência aumenta, a profundidade de fusão aumenta.

O laser do anel externo tem um impacto menor na profundidade da fusão e afeta principalmente a largura da fusão. À medida que a potência do anel externo aumenta, a aparência da costura de solda torna-se mais suave e a largura de fusão aumenta.

1.6 Desfocagem

A desfocagem é a distância entre o plano focal do laser e a superfície da peça a ser soldada. Quando o plano focal está acima da superfície da peça de trabalho, é uma desfocagem positiva; quando o plano focal está abaixo da superfície da peça de trabalho, é uma desfocagem negativa. Naturalmente, quando o plano focal está na superfície da peça de trabalho, a desfocagem é zero. A desfocagem é um parâmetro importante na soldagem a laser. Como o feixe de laser é focado em um ponto focal para convergir a energia para soldagem pela lente dentro da cabeça do laser na distância focal, portanto, do ponto de vista óptico, alterar a desfocagem da soldagem a laser altera essencialmente a área do ponto de ação do feixe de laser, alterando assim a densidade de potência do laser.

Geralmente, quando uma janela de processo é especificada, uma faixa de desfocagem precisa ser definida, principalmente para peças com superfícies de alta refletividade, como aço inoxidável, ligas de alumínio, etc. , a energia da unidade será muito baixa para derreter rapidamente a superfície do material, fazendo com que uma certa quantidade de energia do laser seja refletida de volta e danifique a lente da cabeça de soldagem e a face final da fibra.

Ao mesmo tempo, após selecionar o diâmetro do núcleo da fibra, se a folga entre as peças de trabalho for muito grande, e pode haver uma situação em que o laser vaze sobre a costura, a desfocagem pode ser usada como uma solução para aumentar o ponto, assim aumentando a área aquecida e garantindo que a poça derretida cubra a costura para evitar vazamento de luz.

A desfocagem é geralmente escolhida para ser positiva e nem o ponto focal nem a desfocagem negativa são selecionadas porque: a energia do laser está concentrada principalmente no centro do ponto focal. Quando o ponto focal está na superfície ou dentro da peça de trabalho, a densidade de potência do laser dentro da poça derretida é muito alta, o que pode facilmente causar respingos de soldagem, superfície áspera da solda e irregularidades.

A relação entre desfocagem e profundidade e largura de fusão:

A profundidade de fusão diminui à medida que a desfocagem aumenta, e a profundidade de fusão com desfocagem negativa é maior do que com desfocagem positiva; a largura da fusão aumenta primeiro e depois diminui à medida que a desfocagem aumenta.

1.7 Gás de proteção

Gás de proteção: Existem muitos tipos de gases de proteção. Nas linhas de produção industrial, o nitrogênio é frequentemente utilizado para controlar custos. Nos laboratórios, o argônio é a escolha principal, mas também são utilizados hélio e outros gases inertes, geralmente em circunstâncias especiais. Os três mais comumente usados ​​são nitrogênio, argônio e hélio.

Porque soldagem a laser é um processo de reação vigorosa em alta temperatura, onde o metal derrete e evapora, o metal é muito ativo em altas temperaturas. Ao encontrar o oxigênio, ocorrerá uma reação violenta, caracterizada por uma grande quantidade de respingos e uma superfície de solda áspera e irregular. Portanto, o objetivo do gás de proteção é criar um ambiente livre de oxigênio dentro de uma pequena faixa (perto da poça de fusão) para evitar que reações violentas de oxidação causem soldas de má qualidade e aparência áspera.

1.7.1 Efeitos de diferentes gases de proteção

O vapor metálico absorve raios laser e ioniza-se formando uma nuvem de plasma. Se houver muito plasma, o feixe de laser será consumido até certo ponto pelo plasma. O gás de proteção pode dispersar a pluma de vapor metálico ou nuvem de plasma, reduzindo seu efeito de proteção no laser e aumentando a utilização efetiva do laser.
Ao mesmo tempo, o gás de proteção também é ionizado pelo laser de alta energia. Devido às diferentes energias de ionização, diferentes gases de proteção terão diferentes efeitos de proteção no laser.

De acordo com pesquisas experimentais, a classificação da energia de ionização é: Hélio> Nitrogênio> Argônio.

• O hélio tem menos probabilidade de ionizar sob a ação de um laser e tem o menor impacto no processo de soldagem.

• O argônio tem baixa reatividade e é um gás inerte. Não reage com o material e é comumente utilizado em laboratórios.

• O nitrogênio é um gás reativo porque pode reagir com materiais metálicos. Geralmente é utilizado em situações onde não há requisitos de alta resistência, principalmente por empresas de linhas de produção considerando o custo.

1.7.2 Efeito do sopro de gás protetor em diferentes ângulos

Como aplicar gás de proteção de sopro lateral?

• O ângulo e a altura do gás de proteção soprado lateralmente afetam diretamente a área de cobertura do gás de proteção e a posição em que ele atua no buraco da fechadura da poça fundida;

• Geralmente, diferentes diâmetros de tubos e vazões de gás de proteção devem ser combinados de acordo com o tamanho da poça de fusão de soldagem para garantir o efeito protetor;

• O melhor ângulo para o gás de proteção é de 45 a 60°, o que pode efetivamente ampliar a abertura do buraco da fechadura e reduzir respingos.

Gás de proteção de sopro lateral

Diferenciais: É benéfico para dispersar o plasma e soprar da frente para trás pode suprimir respingos com eficácia.

Impacto: Pode levar a um aumento da porosidade.

Gás de proteção de sopro direto

Diferenciais:

• O sopro direto pode efetivamente garantir a área de cobertura do gás de proteção sobre a poça fundida, proporcionando assim uma boa proteção;

• O sopro direto é simples de usar e não requer ajustes, embora deva ser dada atenção, pois a escória de solda no bico de cobre pode interferir na direção do fluxo do gás de proteção e a turbulência pode afetar a eficácia do gás de proteção.

Impacto: O sopro direto também pode ampliar efetivamente a abertura do buraco da fechadura, mas o fluxo excessivo de gás de proteção pode levar a um aumento na porosidade.