Tehnologia Laser

1. Principiul sudării cu laser

Sudarea cu laser poate fi realizată folosind fascicule laser continue sau pulsate. Principiul sudării cu laser poate fi împărțit în sudare prin conducție termică și sudare cu laser cu penetrare profundă. Densitatea de putere mai mică de 10 ⁴ ~10⁵ W/cm ² este sudarea prin conducție termică, caracterizată de o penetrare superficială și o viteză de sudare lentă. Când densitatea de putere este mai mare de 10 ⁵ ~10⁷ W/cm ² , suprafața metalului se încălzește, formând „cavități” și realizând o sudare cu penetrare profundă, care se caracterizează prin viteză ridicată de sudare și un raport mare adâncime/lățime.

Principiul sudării laser prin conducție termică este următorul: radiația laser încălzește suprafața de prelucrat, iar căldura de la suprafață se difuzează în interior prin conducție termică. Prin controlul parametrilor laser, cum ar fi lățimea, energia, puterea de vârf și frecvența de repetare a pulsului laser, piesa se topește, formând o baie de topire specifică.

Mașinile de sudură laser utilizate pentru sudarea roților dințate și pentru sudarea foilor subțiri metalurgice implică în principal sudarea laser cu penetrare profundă. Principiul sudării laser cu penetrare profundă va fi analizat în detaliu mai jos.

Sudarea cu laser cu penetrare profundă utilizează în mod tipic un fascicul laser continuu pentru a îmbina materialele. Fizica metalurgică a acestui proces este foarte asemănătoare cu cea a sudării cu fascicul de electroni, mecanismul de conversie a energiei fiind realizat prin intermediul unei structuri de tip „cheie” (keyhole). Sub iradierea unui fascicul laser cu densitate de putere suficient de ridicată, materialul se vaporizează și formează o cavitate de tip „cheie”. Această cavitate umplută cu vapori acționează ca un corp negru, absorbând aproape întreaga energie a fasciculului incident. Temperatura de echilibru din interiorul cavității atinge aproximativ 2500 °C. Căldura este transferată de la peretele exterior al acestei găuri-cheie cu temperatură ridicată, topind metalul din jurul ei. Gaura-cheie este umplută cu vapori la temperatură ridicată, generați prin evaporarea continuă a materialului peretelui sub iradierea fasciculului. Pereții găurii-cheie înconjoară metalul topit, iar metalul lichid înconjoară materialul solid (în majoritatea proceselor convenționale de sudare și în sudarea prin conducție cu laser, energia este depusă mai întâi pe suprafața piesei de prelucrat, apoi este transferată în interior). Curgerea lichidă și tensiunea superficială din afara pereților găurii-cheie mențin un echilibru dinamic cu presiunea vaporilor generați continuu în interiorul găurii-cheie. Pe măsură ce fasciculul laser pătrunde continuu în gaura-cheie, materialul din afara acesteia continuă să curgă. Pe măsură ce fasciculul laser se deplasează, gaura-cheie rămâne într-o stare stabilă de curgere. Cu alte cuvinte, gaura-cheie și metalul topit din jurul ei se deplasează înainte cu aceeași viteză ca și fasciculul ghid. Metalul topit umple golurile lăsate în urma deplasării găurii-cheie, apoi se solidifică, formând astfel o sudură. Toate acestea au loc atât de rapid încât vitezele de sudare pot ușor atinge câțiva metri pe minut.

2. Parametrii cheie ai procesului de sudare cu laser cu pătrundere profundă

Putere laser

Sudarea cu laser implică o prag de densitate a energiei laser. Sub acest prag, adâncimea de pătrundere este redusă; odată ce acest prag este atins sau depășit, adâncimea de pătrundere crește semnificativ. Plasma se generează doar atunci când densitatea de putere a laserului pe piesa de prelucrat depășește acest prag (care depinde de material), marcând începutul sudării stabile în adâncime. Dacă puterea laserului este sub acest prag, are loc doar topirea superficială a piesei de prelucrat, ceea ce înseamnă că sudarea decurge în modul stabil de conducție termică. Atunci când densitatea de putere a laserului se află în apropierea condiției critice pentru formarea orificiului (keyhole), sudarea în adâncime și sudarea prin conducție alternează, rezultând un proces de sudare instabil, cu fluctuații mari ale adâncimii de pătrundere. În sudarea laser în adâncime, puterea laserului controlează simultan atât adâncimea de pătrundere, cât și viteza de sudare. Adâncimea de pătrundere a cusăturii este direct legată de densitatea de putere a fasciculului și reprezintă o funcție de puterea fasciculului incident și de dimensiunea petei focale a fasciculului. În general, pentru un fascicul laser de diametru dat, adâncimea de pătrundere crește odată cu creșterea puterii fasciculului.

Punct focal al fasciculului

Dimensiunea punctului fasciculului este una dintre cele mai importante variabile în sudarea cu laser, deoarece determină densitatea de putere. Totuși, măsurarea acesteia pentru laserele de înaltă putere este dificilă, în ciuda existenței numeroase tehnici indirecte de măsurare.

Dimensiunea difracționată a punctului fasciculului laser poate fi calculată pe baza teoriei optice a difracției. Totuși, datorită aberațiilor obiectivului de focalizare, dimensiunea reală a punctului este mai mare decât valoarea calculată. Cea mai simplă metodă practică de măsurare este metoda profilometriei izoterme, care presupune carbonizarea unei foi groase de hârtie și perforarea unei plăci din polipropilenă, urmată de măsurarea punctului focal și a diametrului perforației. Această metodă necesită măsurări practice pentru a stăpâni puterea laser și durata de contact a fasciculului.

Valoarea de absorbție a materialului

Absorbția luminii laser de către un material depinde de mai multe proprietăți importante, cum ar fi absorbția, reflexia, conductivitatea termică, temperatura de topire și temperatura de evaporare, absorbția fiind cea mai importantă.

Factorii care influențează absorbția unui material la o rază laser includ două aspecte: În primul rând, rezistivitatea materialului. Măsurătorile absorbției suprafețelor lustruite arată că absorbția este proporțională cu rădăcina pătrată a rezistivității, care, la rândul său, variază în funcție de temperatură. În al doilea rând, starea suprafeței (sau netezimea) a materialului are un impact semnificativ asupra absorbției razei, influențând astfel în mod semnificativ efectul de sudură.

Lungimea de undă de ieșire a unui laser CO2 este în mod tipic 10,6 μ m. Materialele nemetalice, cum ar fi ceramica, sticla, cauciucul și plasticul, au rate ridicate de absorbție la temperatura camerei, în timp ce materialele metalice absorb slab la temperatura camerei, absorbția crescând brusc doar după topirea sau chiar vaporizarea materialului. Învelișurile de suprafață sau filmele de oxid reprezintă metode eficiente de îmbunătățire a absorbției fasciculului laser de către material.

Viteza de sudare

Viteza de sudare influențează în mod semnificativ adâncimea de pătrundere a sudurii. Creșterea vitezei conduce la o adâncime de pătrundere mai mică, în timp ce vitezele excesiv de scăzute determină topirea excesivă și perforarea. Prin urmare, pentru un anumit material, cu o putere dată a laserului și o grosime dată, există un domeniu adecvat de viteze de sudare, în cadrul căruia se obține adâncimea maximă de pătrundere. Figura 10-2 prezintă relația dintre viteza de sudare și adâncimea de pătrundere pentru oțelul 1018.

Gaz de protecție

Gazele inerte sunt frecvent utilizate pentru a proteja baia topită în timpul sudării cu laser. Deși oxidarea superficială nu reprezintă o problemă pentru anumite materiale, heliul, argonul și azotul sunt frecvent utilizați în majoritatea aplicațiilor pentru a preveni oxidarea piesei de lucru în timpul sudării.

Heliul este slab ionizat (dar are o energie de ionizare ridicată), permițând fasciculului laser să treacă fără probleme și să ajungă neîmpiedicat pe suprafața piesei de lucru. Aceasta este cea mai eficientă gaz de protecție utilizat în sudarea cu laser, dar este relativ scump.

Argonul este mai ieftin și are o densitate mai mare, ceea ce asigură o protecție bună. Totuși, este ușor ionizat de plasma metalică la temperaturi înalte, ceea ce blochează o parte a fasciculului laser, împiedicându-l să ajungă pe piesa de lucru, reducând astfel puterea efectivă a laserului și afectând viteza de sudare și penetrarea. Sudurile protejate cu argon au suprafețe mai netede decât cele protejate cu heliu.

Azotul este gazul de protecție cel mai ieftin, dar nu este potrivit pentru sudarea anumitor tipuri de oțel inoxidabil, în principal din cauza problemelor metalurgice, cum ar fi absorbția, care poate genera uneori porozitate în zona îmbinării.

O a doua funcție a gazelor de protecție este de a proteja lentila de focalizare împotriva contaminării cu vapori metalici și a stropirii picăturilor topite. Această funcție este deosebit de importantă în sudarea cu laser de înaltă putere, unde materialul ejectat devine foarte puternic.

O a treia funcție a gazelor de protecție este eficacitatea lor în dispersarea plasmei generate de sudarea cu laser de înaltă putere. Vaporii metalici absorb fasciculul laser și se ionizează, formând o nube de plasmă. Gazul protector din jurul vaporilor metalici se ionizează, de asemenea, datorită încălzirii. Dacă există prea multă plasmă, fasciculul laser este consumat, într-o anumită măsură, de aceasta. Plasma apare ca o sursă secundară de energie pe suprafața de lucru, determinând o penetrare mai redusă a sudurii și o baie de sudură mai largă. Rata de recombinație a electronilor crește prin mărirea frecvenței ciocnirilor dintre electroni, ioni și atomi neutri, reducând astfel densitatea electronică din plasmă. Cu cât atomii neutri sunt mai ușori, cu atât frecvența ciocnirilor și rata de recombinație sunt mai mari; pe de altă parte, doar un gaz protector cu o energie de ionizare ridicată poate preveni creșterea densității electronice ca urmare a ionizării proprii a gazului.

Mărimea norului de plasmă variază în funcție de gazul de protecție utilizat, heliul având dimensiunea cea mai mică, urmat de azot, iar argonul având dimensiunea cea mai mare. Un nor de plasmă mai mare duce la o penetrare mai redusă a sudurii. Această diferență se datorează în principal gradelor diferite de ionizare ale moleculelor de gaz, precum și diferențelor în difuzia vaporilor metalici cauzate de densitățile diferite ale gazelor de protecție.

Heliul are cea mai scăzută ionizare și densitate, permițându-i să înlocuiască rapid vaporii metalici care se ridică din băița de metal topit. Prin urmare, utilizarea heliului ca gaz de protecție suprimă în mod maxim plasma, crescând astfel penetrarea sudurii și viteza de sudare; greutatea sa redusă îi permite, de asemenea, să se evacueze ușor, reducând probabilitatea apariției porozității. Totuși, pe baza rezultatelor noastre reale de sudare, s-a dovedit că protecția cu argon este destul de eficientă.

Impactul norului de plasmă asupra pătrunderii sudurii este cel mai pronunțat la viteze mici de sudare. Efectul său scade pe măsură ce viteza de sudare crește.

Gazul de protecție este ejectat la o anumită presiune prin intermediul unei duze și ajunge la suprafața piesei de prelucrat. Forma hidrodinamică a duzei și diametrul orificiului de ieșire sunt esențiale. Gazul de protecție trebuie să fie suficient de abundent pentru a acoperi suprafața de sudare, dar dimensiunea duzei trebuie să fie limitată pentru a proteja eficient lentila și pentru a preveni contaminarea cu vapori metalici sau deteriorarea cauzată de stropirea metalică. De asemenea, debitul trebuie controlat; în caz contrar, curgerea laminară a gazului de protecție va deveni turbulentă, iar aerul atmosferic va fi antrenat în baia topită, determinând, în final, formarea porozității.

Pentru a îmbunătăți efectul de protecție, se poate utiliza o metodă suplimentară de suflare laterală, în care gazul de protecție este injectat direct în gaura de acuție a sudurii cu penetrare profundă prin intermediul unei duze de diametru mai mic, sub un anumit unghi. Gazul de protecție nu doar inhibă norul de plasmă de pe suprafața piesei de lucru, ci influențează și plasma din interiorul găurii de acuție, precum și formarea acesteia, crescând astfel în mod suplimentar adâncimea de penetrare și obținându-se o sudură cu un raport ideal adâncime/lățime. Totuși, această metodă necesită o comandă precisă a debitului și direcției gazului; în caz contrar, turbulențele pot apărea ușor, deteriorând baia topită și făcând procesul de sudare instabil.

Distanța focală a obiectivului

În timpul sudării, laserul este de obicei focalizat, de regulă cu ajutorul unor lentile având lungimi focale de 63–254 mm (2,5 ”~10”dimensiunea petei focalizate este direct proporțională cu distanța focală; cu cât distanța focală este mai mică, cu atât petea este mai mică. Totuși, distanța focală influențează și adâncimea de focar, adică adâncimea de focar crește proporțional cu distanța focală. Prin urmare, o distanță focală mai mică poate crește densitatea de putere, dar, datorită adâncimii reduse de focar, distanța dintre lentilă și piesa de prelucrat trebuie menținută cu precizie, iar adâncimea de pătrundere este, de asemenea, limitată. Datorită influenței stropirii și a modului laser generat în timpul sudării, cea mai scurtă distanță focală utilizată efectiv în sudare este, de obicei, de 126 mm (5" ”când îmbinarea este mare sau când este necesar să se mărească dimensiunea sudurii prin creșterea dimensiunii petei, se poate selecta o lentilă cu o distanță focală de 254 mm (10" ”) În acest caz, pentru a obține efectul de gaură-cheie (keyhole) cu pătrundere profundă, este necesară o putere de ieșire laser mai mare (densitate de putere).

Când puterea laser depășește 2 kW, în special pentru 10,6 μ razele laser CO₂ de 10,6 µm, datorită utilizării unor materiale optice speciale în sistemul optic, folosesc în mod frecvent focalizarea prin reflexie pentru a evita deteriorarea lentilei de focalizare. Ca reflectori se utilizează, de obicei, oglinzi din cupru lustruit. Datorită proprietăților lor eficiente de răcire, acestea sunt adesea recomandate pentru focalizarea razelor laser de înaltă putere.

Poziția focalizării

În timpul sudării, poziția punctului focal este esențială pentru menținerea unei densități de putere suficiente. Modificările poziției relative a punctului focal față de suprafața piesei prelucrate influențează direct lățimea și adâncimea cusăturii de sudură. Figura 2-6 ilustrează efectul poziției punctului focal asupra adâncimii de pătrundere și a lățimii cusăturii de sudură la oțelul 1018.

În majoritatea aplicațiilor de sudură cu laser, punctul focal este plasat, de obicei, la aproximativ un sfert din grosimea piesei sub suprafața acesteia, pentru a obține adâncimea de pătrundere dorită.

Poziția fasciculului laser

La sudarea cu laser a materialelor diferite, poziția fasciculului laser controlează calitatea finală a sudurii, în special la îmbinările cap la cap, unde este mai sensibilă decât la îmbinările suprapuse. De exemplu, la sudarea unei roți dințate din oțel durificat de un tambur din oțel cu conținut scăzut de carbon, controlul corect al poziției fasciculului laser va duce la obținerea unei suduri compuse în principal din componente cu conținut scăzut de carbon, care prezintă o rezistență superioară la fisurare. În unele aplicații, geometria piesei de sudat necesită devierea fasciculului laser sub un anumit unghi. Atunci când unghiul de deviere dintre axa fasciculului și planul îmbinării este de maximum 100 de grade, absorbția energiei laser de către piesa de sudat nu este afectată.

Controlul creșterii și scăderii puterii laser la punctele de început și de sfârșit ale sudurii

În timpul sudării cu laser în adâncime, indiferent de adâncimea cusăturii, fenomenul de gaură (pinhole) este întotdeauna prezent. Când procesul de sudare se încheie și întrerupătorul de putere este oprit, apare o mică depresiune (gaură) la capătul cusăturii. În plus, atunci când stratul de sudură cu laser acoperă cusătura inițială, poate avea loc o absorbție excesivă a fasciculului laser, ceea ce duce la suprăîncălzire sau porozitate în piesa sudată.

Pentru a preveni aceste fenomene, punctele de pornire și oprire ale puterii pot fi programate astfel încât durata de pornire și oprire a puterii să fie reglabilă. Astfel, puterea de pornire crește electronic, într-un interval scurt de timp, de la zero până la valoarea setată, iar durata sudării este ajustată corespunzător. În final, la sfârșitul sudării, puterea este redusă treptat, de la valoarea setată până la zero.

3. Caracteristici, avantaje și dezavantaje ale sudării cu laser în adâncime

Caracteristici ale sudării cu laser în adâncime

1) Raport înalt de aspect. 1) **Cusătură profundă și îngustă:** Deoarece metalul topit se formează în jurul cavității cilindrice de abur la temperatură înaltă și se extinde către piesa de prelucrat, cusătura devine profundă și îngustă.

2) **Intrare minimă de căldură:** Datorită temperaturii extrem de ridicate din interiorul orificiului, procesul de topire are loc foarte rapid, ceea ce duce la o intrare foarte scăzută de căldură în piesa de prelucrat, minimizând deformarea termică și zona afectată termic.

3) **Densitate ridicată:** Orificiul umplut cu abur la temperatură înaltă facilitează amestecarea băii de sudură și eliminarea gazelor, rezultând o cusătură fără porozități și complet penetrată. Rata ridicată de răcire după sudare rafinează, de asemenea, microstructura cusăturii.

4) **Sudură puternică:** Sursa intensă de căldură și absorbția completă a componentelor nemetalice reduc conținutul de impurități și modifică dimensiunea și distribuția incluziunilor din baia de sudură. Procesul de sudare nu necesită electrozi sau sârmă de adaos, ceea ce duce la o contaminare redusă în zona topită, făcând ca rezistența și tenacitatea sudurii să fie cel puțin egale cu cele ale metalului de bază, sau chiar superioare acestora.

5) **Control precis:** Deoarece punctul focalizat este foarte mic, sudura poate fi poziționată cu precizie. Ieșirea laser nu are „inerție”, permițând oprirea și reluarea rapidă la viteze ridicate. Tehnologia CNC de deplasare a fasciculului permite sudarea pieselor complexe. 6) Proces de sudare în atmosferă, fără contact fizic. Deoarece energia provine dintr-un fascicul de fotoni, nu există contact fizic cu piesa de prelucrat, astfel încât nu se aplică nicio forță externă asupra acesteia. În plus, magnetismul și aerul nu au niciun efect asupra laserului.

Avantajele sudării cu laser în adâncime

1) Datorită densității de putere mult mai mari a laserelor focalizate comparativ cu metodele convenționale, viteza de sudare este ridicată, zona afectată termic și deformarea sunt reduse, iar sudarea materialelor dificil de sudat, cum ar fi titanul, este posibilă.

2) Deoarece fasciculul este ușor de transmis și de controlat, nu este necesară schimbarea frecventă a pistolului de sudură și a duzelor, iar, spre deosebire de sudarea cu fascicul de electroni, nu este necesară crearea vidului, ceea ce reduce în mod semnificativ timpul de nefuncționare, rezultând un factor de încărcare ridicat și o eficiență crescută a producției.

3) Datorită efectului de purificare și a ratei ridicate de răcire, sudura prezintă o rezistență, o tenacitate și o performanță generală superioare.

4) Datorită introducerii reduse a căldurii în medie, precizia prelucrării este ridicată, ceea ce reduce costurile de refacere; în plus, costurile de operare ale sudării cu laser sunt, de asemenea, mai mici, reducând astfel costurile de prelucrare ale pieselor.

5) Intensitatea fasciculului și poziționarea precisă pot fi controlate eficient, facilitând automatizarea operațiunilor.

Dezavantajele sudării cu laser în adâncime

1) Adâncime limitată de sudare.

2) Cerințe ridicate pentru asamblarea pieselor de prelucrat.

3) Investiție inițială ridicată în sistemele laser.