Principio di saldatura laser
La saldatura laser può essere ottenuta mediante raggi laser continui o pulsati. Il principio della saldatura laser può essere suddiviso in saldatura a conduzione termica e saldatura a penetrazione profonda laser. Quando la densità di potenza è inferiore a 104~105 W/cm2, si tratta di saldatura a conduzione termica. In questo momento, la profondità di penetrazione è bassa e la velocità di saldatura è lenta; quando la densità di potenza è superiore a 105 ~ 107 W/cm2, la superficie metallica viene affondata in "cavità" mediante riscaldamento, formando una saldatura a penetrazione profonda, che ha le caratteristiche di velocità di saldatura elevata e proporzioni elevate.
Il principio della saldatura laser a conduzione termica è: la radiazione laser riscalda la superficie da lavorare e il calore superficiale si diffonde all'interno per conduzione termica. Controllando l'ampiezza dell'impulso laser, l'energia, la potenza di picco e la frequenza di ripetizione e altri parametri laser, il pezzo viene fuso per formare uno specifico pool fuso. .
La saldatrice laser utilizzata per la saldatura di ingranaggi e la saldatura metallurgica di lamiere sottili prevede principalmente la saldatura laser a penetrazione profonda. Quanto segue si concentra sul principio della saldatura laser a penetrazione profonda.
La saldatura laser a penetrazione profonda utilizza generalmente raggi laser continui per completare la connessione dei materiali e il suo processo fisico metallurgico è molto simile alla saldatura a fascio di elettroni, ovvero il meccanismo di conversione dell'energia è completato attraverso la struttura "buco della serratura". In caso di irradiazione laser con densità di potenza sufficientemente elevata, il materiale evapora e forma piccoli pori. Questo piccolo buco pieno di vapore è come un corpo nero, assorbendo quasi tutta l'energia del raggio incidente, e la temperatura di equilibrio nella cavità raggiunge circa 2500 0C. Il calore viene trasmesso dalla parete esterna della cavità ad alta temperatura per fondere il metallo che circonda la cavità. Il forellino è riempito con vapore ad alta temperatura generato dalla continua evaporazione del materiale della parete sotto l'irraggiamento del raggio, le pareti del forellino sono circondate da metallo fuso e il metallo liquido è circondato da materiali solidi (mentre in processi di saldatura più convenzionali e saldatura a conduzione laser, l'energia prima depositata sulla superficie del pezzo e poi trasportata all'interno mediante trasmissione). Il flusso di liquido all'esterno della parete del poro e la tensione superficiale dello strato della parete mantengono un equilibrio dinamico con la tensione di vapore continuamente generata nella cavità del poro. Il raggio entra continuamente nel piccolo foro e il materiale all'esterno del piccolo foro scorre continuamente. Mentre il raggio si muove, il piccolo foro è sempre in uno stato di flusso stabile. Vale a dire, il piccolo foro e il metallo fuso che circonda la parete del foro si muovono in avanti con la velocità di avanzamento della trave principale, e il metallo fuso riempie lo spazio lasciato dal piccolo foro e poi si condensa, in modo che si formi la saldatura. Tutto questo del processo di cui sopra avviene così rapidamente che le velocità di saldatura possono facilmente raggiungere diversi metri al minuto.
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I principali parametri di processo della saldatura laser a penetrazione profonda
1) Potenza laser. Esiste un valore soglia della densità di energia laser nella saldatura laser. Al di sotto di questo valore, la profondità di penetrazione è molto ridotta. Una volta raggiunto o superato questo valore, la profondità di penetrazione sarà notevolmente aumentata. Il plasma viene generato solo quando la densità di potenza del laser sul pezzo in lavorazione supera un valore di soglia (a seconda del materiale), che segna il progresso della saldatura a penetrazione profonda stabile. Se la potenza del laser è inferiore a questa soglia, avviene solo la fusione superficiale del pezzo, cioè la saldatura avviene con conduzione termica stabile. Quando la densità di potenza del laser è vicina alla condizione critica per la formazione di piccoli fori, la saldatura a penetrazione profonda e la saldatura a conduzione vengono eseguite alternativamente, il che diventa un processo di saldatura instabile, con conseguenti ampie fluttuazioni della profondità di penetrazione. Durante la saldatura laser a penetrazione profonda, la potenza del laser controlla contemporaneamente la profondità di penetrazione e la velocità di saldatura. La penetrazione della saldatura è direttamente correlata alla densità di potenza del raggio ed è una funzione della potenza del raggio incidente e del punto focale del raggio. In generale, per un raggio laser di un certo diametro, la profondità di penetrazione aumenta all'aumentare della potenza del raggio.
2) Punto focale del fascio. La dimensione dello spot del raggio è una delle variabili più importanti nella saldatura laser perché determina la densità di potenza. Ma per i laser ad alta potenza, la sua misurazione è un problema difficile, sebbene esistano molte tecniche di misurazione indiretta.
La dimensione dello spot limitata dalla diffrazione della messa a fuoco del raggio può essere calcolata in base alla teoria della diffrazione della luce, ma a causa dell'esistenza dell'aberrazione della lente di messa a fuoco, la dimensione dello spot effettiva è maggiore del valore calcolato. Il metodo pratico più semplice è il metodo di profilatura isotermica, che misura il punto focale e il diametro della perforazione dopo la carbonizzazione e la penetrazione di una lastra di polipropilene con carta spessa. Questo metodo deve padroneggiare la potenza del laser e il tempo di azione del raggio attraverso la pratica della misurazione.
3) Valore di assorbimento del materiale. L'assorbimento della luce laser da parte dei materiali dipende da alcune importanti proprietà dei materiali, come l'assorbimento, la riflettività, la conduttività termica, la temperatura di fusione, la temperatura di evaporazione, ecc., la più importante delle quali è l'assorbimento.
I fattori che influenzano il tasso di assorbimento del materiale al raggio laser comprendono due aspetti: il primo è la resistività del materiale. Dopo aver misurato il tasso di assorbimento della superficie levigata del materiale, si scopre che il tasso di assorbimento del materiale è proporzionale alla radice quadrata della resistività e la resistività varia con la temperatura. In secondo luogo, lo stato superficiale (o levigatezza) del materiale ha un'influenza più importante sul tasso di assorbimento del raggio, che ha un effetto significativo sull'effetto di saldatura.
La lunghezza d'onda di uscita di un laser CO2 è solitamente di 10,6 μm. Il tasso di assorbimento di ceramica, vetro, gomma, plastica e altri non metalli è molto elevato a temperatura ambiente, mentre il tasso di assorbimento dei materiali metallici è molto scarso a temperatura ambiente, fino a quando il materiale non viene fuso o addirittura gas Il suo assorbimento aumenta notevolmente. È molto efficace migliorare l'assorbimento dei raggi di luce da parte del materiale utilizzando un rivestimento superficiale o la formazione di un film di ossido superficiale.
4) Velocità di saldatura. La velocità di saldatura ha una grande influenza sulla profondità di penetrazione. L'aumento della velocità renderà la penetrazione poco profonda, ma se la velocità è troppo bassa, il materiale sarà fuso eccessivamente e il pezzo sarà saldato. Pertanto, esiste un intervallo di velocità di saldatura adatto per un materiale specifico con una certa potenza laser e un certo spessore e la massima profondità di penetrazione può essere ottenuta al valore di velocità corrispondente. La figura 10-2 mostra la relazione tra velocità di saldatura e profondità di penetrazione dell'acciaio 1018.
5) Gas protettivo. Il gas inerte viene spesso utilizzato per proteggere il bagno fuso nel processo di saldatura laser. Quando alcuni materiali vengono saldati indipendentemente dall'ossidazione superficiale, la protezione potrebbe non essere presa in considerazione, ma per la maggior parte delle applicazioni, elio, argon, azoto e altri gas vengono spesso utilizzati come protezione per rendere il pezzo protetto dall'ossidazione durante la saldatura.
L'elio non è facilmente ionizzato (maggiore energia di ionizzazione), il che consente al laser di passare agevolmente e l'energia del raggio raggiunge la superficie del pezzo senza ostacoli. Questo è il gas di protezione più efficace utilizzato nella saldatura laser, ma è più costoso.
Il gas argon è più economico e più denso, quindi l'effetto di protezione è migliore. Tuttavia, è suscettibile alla ionizzazione del plasma metallico ad alta temperatura, che protegge parte del raggio dal colpire il pezzo in lavorazione, riduce la potenza laser effettiva per la saldatura e danneggia anche la velocità e la penetrazione della saldatura. La superficie della saldatura protetta dall'argon è più liscia di quella protetta dall'elio.
L'azoto è il gas di protezione più economico, ma non è adatto alla saldatura di alcuni tipi di acciaio inossidabile, principalmente a causa di problemi metallurgici, come l'assorbimento, che a volte produce porosità nella zona di sovrapposizione.
La seconda funzione dell'utilizzo del gas di protezione è proteggere la lente di focalizzazione dalla contaminazione da vapori metallici e dallo sputtering di goccioline liquide. Soprattutto nella saldatura laser ad alta potenza, poiché l'espulsione diventa molto potente, è più necessario proteggere l'obiettivo in questo momento.
La terza funzione del gas di protezione è che è molto efficace nel dissipare lo schermo al plasma prodotto dalla saldatura laser ad alta potenza. Il vapore metallico assorbe il raggio laser e si ionizza in una nuvola di plasma, e anche il gas protettivo attorno al vapore metallico viene ionizzato a causa del calore. Se è presente troppo plasma, il raggio laser viene in qualche modo consumato dal plasma. Il plasma esiste sulla superficie di lavoro come seconda energia, che rende la penetrazione poco profonda e la superficie del bagno di saldatura più ampia. Il tasso di ricombinazione degli elettroni viene aumentato aumentando le collisioni a tre corpi di elettroni con ioni e atomi neutri per ridurre la densità elettronica nel plasma. Più leggeri sono gli atomi neutri, maggiore è la frequenza di collisione e maggiore è il tasso di ricombinazione; d'altra parte, solo il gas protettivo ad alta energia di ionizzazione non aumenterà la densità elettronica a causa della ionizzazione del gas stesso.
La dimensione della nuvola di plasma varia a seconda del gas di protezione utilizzato, con l'elio il più piccolo, l'azoto il secondo e l'argon il più grande. Maggiore è la dimensione del plasma, minore è la penetrazione. La ragione di questa differenza è dovuta in primo luogo al diverso grado di ionizzazione delle molecole di gas, e anche alla differenza nella diffusione del vapore metallico causata dalle diverse densità del gas di protezione.
L'elio è il gas meno ionizzato e meno denso e allontana rapidamente i vapori metallici in aumento generati dal bagno di metallo fuso. Pertanto, l'utilizzo dell'elio come gas di protezione può sopprimere il plasma al massimo, aumentando così la profondità di penetrazione e aumentando la velocità di saldatura; a causa del suo peso leggero, può fuoriuscire e non è facile creare pori. Naturalmente, dal nostro effettivo effetto di saldatura, l'effetto della protezione dell'argon non è male.
L'effetto della nuvola di plasma sulla penetrazione è più evidente nell'area a bassa velocità di saldatura. Il suo effetto diminuisce all'aumentare della velocità di saldatura.
Il gas di protezione viene iniettato ad una certa pressione attraverso l'ugello per raggiungere la superficie del pezzo. La forma idrodinamica dell'ugello e il diametro dell'uscita sono molto importanti. Deve essere abbastanza grande da guidare il gas di protezione spruzzato per coprire la superficie di saldatura, ma per proteggere efficacemente la lente e impedire che il vapore metallico contamini o che gli schizzi di metallo danneggino la lente, anche la dimensione dell'ugello dovrebbe essere limitata. Anche la portata dovrebbe essere controllata, altrimenti il flusso laminare del gas di protezione diventerà turbolento e l'atmosfera sarà coinvolta nel bagno fuso, formando eventualmente dei pori.
Per migliorare l'effetto protettivo, è possibile utilizzare anche un metodo di soffiaggio laterale aggiuntivo, ovvero attraverso un ugello di diametro inferiore, il gas protettivo viene iniettato direttamente nel piccolo foro della saldatura a penetrazione profonda con un certo angolo. Il gas di protezione non solo sopprime la nuvola di plasma sulla superficie del pezzo, ma esercita anche un'influenza sulla formazione del plasma e dei piccoli fori nel foro, aumenta ulteriormente la profondità di penetrazione e ottiene una saldatura con un rapporto profondità-larghezza ideale . Tuttavia, questo metodo richiede un controllo preciso delle dimensioni e della direzione del flusso d'aria, altrimenti è probabile che si verifichi un flusso turbolento che distrugga il bagno fuso, rendendo difficile la stabilizzazione del processo di saldatura.
6) Lunghezza focale dell'obiettivo. Il metodo di messa a fuoco viene solitamente utilizzato per condensare il laser durante la saldatura e viene generalmente utilizzato un obiettivo con una lunghezza focale di 63~254 mm (2,5"~10"). La dimensione del punto focale è proporzionale alla lunghezza focale, minore è la lunghezza focale, più piccolo è il punto. Ma la lunghezza focale influisce anche sulla profondità focale, ovvero la profondità focale aumenta in sincronia con la lunghezza focale, quindi una lunghezza focale ridotta può aumentare la densità di potenza, ma a causa della profondità focale ridotta, la distanza tra l'obiettivo e il pezzo deve essere mantenuto con precisione e la profondità di penetrazione non è grande. A causa dell'influenza degli spruzzi e della modalità laser generati nel processo di saldatura, la profondità focale minima utilizzata nella saldatura effettiva è per lo più la lunghezza focale di 126 mm (5"). Quando il giunto è grande o il cordone di saldatura deve essere aumentato aumentando la dimensione dello spot, è possibile scegliere un obiettivo con una lunghezza focale di 254 mm (10"). In questo caso, per ottenere l'effetto pinhole di penetrazione profonda, è necessaria una maggiore potenza di uscita del laser (densità di potenza).
Quando la potenza del laser supera i 2 kW, in particolare per il raggio laser CO2 da 10,6 μm, a causa dell'uso di materiali ottici speciali per formare il sistema ottico, al fine di evitare il rischio di danni ottici alla lente di messa a fuoco, il metodo di messa a fuoco riflettente è spesso usato, e uno specchio di rame lucidato è generalmente usato come riflettore. È spesso consigliato per focalizzare raggi laser ad alta potenza grazie all'efficace raffreddamento.
7) Posizione di messa a fuoco. Durante la saldatura, la posizione del fuoco è fondamentale per mantenere una densità di potenza sufficiente. I cambiamenti nella posizione relativa del punto focale e della superficie del pezzo in lavorazione influenzano direttamente la larghezza e la profondità della saldatura. La figura 2-6 mostra l'effetto della posizione del fuoco sulla profondità di penetrazione e sulla larghezza della giunzione dell'acciaio 1018.
Nella maggior parte delle applicazioni di saldatura laser, il punto focale si trova tipicamente a circa 1/4 della profondità di penetrazione desiderata al di sotto della superficie del pezzo.
8) Posizione del raggio laser. Quando si saldano al laser materiali dissimili, la posizione del raggio laser controlla la qualità finale della saldatura, soprattutto nel caso di giunzioni testa a testa rispetto alle giunzioni sovrapposte. Ad esempio, quando un ingranaggio in acciaio temprato viene saldato a un tamburo in acciaio dolce, un corretto controllo della posizione del raggio laser contribuirà a produrre una saldatura con un componente prevalentemente a basso contenuto di carbonio che è relativamente resistente alla fessurazione. In alcune applicazioni, la geometria del pezzo da saldare richiede che il raggio laser venga deviato di un angolo. Quando l'angolo di deflessione tra l'asse del raggio e il piano del giunto è entro 100 gradi, l'assorbimento dell'energia laser da parte del pezzo non sarà influenzato.
9) Controllo graduale della salita e della discesa della potenza del laser nei punti di inizio e fine saldatura. Durante la saldatura laser a penetrazione profonda, esistono sempre piccoli fori indipendentemente dalla profondità della saldatura. Quando il processo di saldatura è terminato e l'interruttore di alimentazione è spento, alla fine della saldatura apparirà una fossetta. Inoltre, quando lo strato di saldatura laser copre il cordone di saldatura originale, si verificherà un assorbimento eccessivo del raggio laser, con conseguente surriscaldamento della saldatura o generazione di pori.
Per evitare che si verifichi il suddetto fenomeno, è possibile programmare i punti di inizio e fine della potenza in modo da rendere regolabili l'ora di inizio e fine della potenza, ovvero la potenza iniziale viene aumentata elettronicamente da zero al valore di potenza impostato in breve tempo, e la saldatura può essere regolata. Tempo, e infine la potenza viene gradualmente ridotta dalla potenza impostata a zero quando la saldatura è terminata.
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Caratteristiche, vantaggi e svantaggi della saldatura laser a penetrazione profonda
Caratteristiche della saldatura laser a penetrazione profonda
1) Proporzioni elevate. Quando il metallo fuso si forma attorno alla cavità cilindrica del vapore caldo e si estende verso il pezzo, la saldatura diventa profonda e stretta.
2) Portata termica minima. Poiché la temperatura nel piccolo foro è molto elevata, il processo di fusione avviene in modo estremamente rapido, l'apporto di calore nel pezzo è molto basso e la deformazione termica e la zona interessata dal calore sono ridotte.
3) Alta densità. Perché i piccoli pori riempiti di vapore ad alta temperatura favoriscono l'agitazione del bagno di fusione e la fuoriuscita di gas, risultando in una saldatura a penetrazione senza pori. L'elevata velocità di raffreddamento dopo la saldatura può facilmente rendere più fine la struttura della saldatura.
4) Forti saldature. A causa della fonte di calore ardente e del sufficiente assorbimento di componenti non metallici, il contenuto di impurità viene ridotto e la dimensione delle inclusioni e la loro distribuzione nel bagno fuso vengono modificate. Il processo di saldatura non richiede elettrodi o fili d'apporto e la zona di fusione è meno inquinata, in modo che la resistenza e la tenacità della saldatura siano almeno uguali o addirittura superiori a quelle del metallo base.
5) Controllo preciso. Poiché il punto luminoso focalizzato è piccolo, il cordone di saldatura può essere posizionato con elevata precisione. L'uscita laser non ha "inerzia", può essere arrestata e riavviata ad alta velocità e il pezzo complesso può essere saldato con la tecnologia di movimento del raggio a controllo numerico.
6) Processo di saldatura atmosferica senza contatto. Poiché l'energia proviene dal raggio di fotoni, non c'è contatto fisico con il pezzo, quindi nessuna forza esterna viene applicata al pezzo. Inoltre, il magnetismo e l'aria non hanno alcun effetto sulla luce laser.
Vantaggi della saldatura laser a penetrazione profonda
1) Poiché il laser focalizzato ha una densità di potenza molto più elevata rispetto ai metodi convenzionali, la velocità di saldatura è elevata, la zona interessata dal calore e la deformazione sono piccole e si possono saldare anche materiali difficili da saldare come il titanio.
2) Poiché il raggio è facile da trasmettere e controllare e non è necessario sostituire frequentemente la torcia e l'ugello e non è necessario il vuoto per la saldatura a fascio di elettroni, il che riduce significativamente il tempo ausiliario di fermo macchina, quindi il fattore di carico e l'efficienza produttiva è elevata.
3) A causa dell'effetto di purificazione e dell'elevata velocità di raffreddamento, la resistenza della saldatura, la tenacità e le prestazioni complete sono elevate.
4) Grazie al basso apporto termico medio e all'elevata precisione di lavorazione, è possibile ridurre i costi di rilavorazione; inoltre, anche il costo operativo della saldatura laser è basso, il che può ridurre i costi di lavorazione del pezzo.
5) Può controllare efficacemente l'intensità del raggio e il posizionamento preciso ed è facile realizzare il funzionamento automatico.
Svantaggi della saldatura laser a penetrazione profonda
1) La profondità di saldatura è limitata.
2) I requisiti di assemblaggio del pezzo sono elevati.
3) L'investimento una tantum del sistema laser è relativamente elevato
