Comparação dos efeitos de soldagem de lasers com diferentes diâmetros de núcleo.

Soldagem a laserIsso pode ser alcançado usando feixes de laser contínuos ou pulsados. Os princípios desoldagem a laserA soldagem a laser pode ser dividida em soldagem por condução térmica e soldagem a laser de penetração profunda. Quando a densidade de potência é inferior a 10⁴~10⁵ W/cm², trata-se de soldagem por condução térmica. Nesse caso, a profundidade de penetração é pequena e a velocidade de soldagem é lenta; quando a densidade de potência é superior a 10⁵~10⁷ W/cm², a superfície do metal se torna côncava, formando "furos" devido ao calor, o que leva à formação de soldagem por penetração profunda, caracterizada por alta velocidade de soldagem e grande relação de aspecto. O princípio da condução térmicasoldagem a laserO processo consiste em: a radiação laser aquece a superfície a ser processada, e o calor da superfície se difunde para o interior por condução térmica. Controlando parâmetros do laser, como largura do pulso, energia, potência de pico e frequência de repetição, a peça é fundida para formar uma poça de material fundido específica.

A soldagem a laser de penetração profunda geralmente utiliza um feixe de laser contínuo para realizar a união dos materiais. Seu processo físico-metalúrgico é muito semelhante ao da soldagem por feixe de elétrons, ou seja, o mecanismo de conversão de energia é realizado por meio de uma estrutura em "buraco de fechadura".

Sob irradiação laser com densidade de potência suficientemente alta, o material evapora e pequenos orifícios são formados. Esses pequenos orifícios preenchidos com vapor comportam-se como um corpo negro, absorvendo quase toda a energia do feixe incidente. A temperatura de equilíbrio no orifício atinge cerca de 2500 °C.°C. O calor é transferido da parede externa do orifício de alta temperatura, fazendo com que o metal ao redor do orifício derreta. O pequeno orifício é preenchido com vapor de alta temperatura gerado pela evaporação contínua do material da parede sob a irradiação do feixe. As paredes do pequeno orifício são circundadas por metal fundido, e o metal líquido é circundado por materiais sólidos (na maioria dos processos de soldagem convencionais e soldagem a laser por condução, a energia é primeiro depositada na superfície da peça e depois transportada para o interior por transferência). O fluxo de líquido fora da parede do orifício e a tensão superficial da camada da parede estão em fase com a pressão do vapor continuamente gerada na cavidade do orifício e mantêm um equilíbrio dinâmico. O feixe de luz entra continuamente no pequeno orifício, e o material fora do pequeno orifício flui continuamente. À medida que o feixe de luz se move, o pequeno orifício está sempre em um estado estável de fluxo.

Ou seja, o pequeno orifício e o metal fundido ao redor da parede do orifício avançam na mesma velocidade do feixe piloto. O metal fundido preenche o espaço deixado após a remoção do pequeno orifício e se condensa, formando a solda. Tudo isso acontece tão rapidamente que as velocidades de soldagem podem facilmente atingir vários metros por minuto.

Após compreendermos os conceitos básicos de densidade de potência, soldagem por condutividade térmica e soldagem por penetração profunda, realizaremos a seguir uma análise comparativa da densidade de potência e das fases metalográficas de diferentes diâmetros de núcleo.

Comparação de experimentos de soldagem com base em diâmetros de núcleo de laser comuns no mercado:

Densidade de potência da posição do ponto focal de lasers com diferentes diâmetros de núcleo

Do ponto de vista da densidade de potência, sob a mesma potência, quanto menor o diâmetro do núcleo, maior o brilho do laser e mais concentrada a energia. Se compararmos o laser a uma faca afiada, quanto menor o diâmetro do núcleo, mais preciso o laser. A densidade de potência de um laser com núcleo de 14 µm de diâmetro é mais de 50 vezes superior à de um laser com núcleo de 100 µm, o que lhe confere maior capacidade de processamento. Contudo, a densidade de potência calculada aqui é apenas uma média simples. A distribuição de energia real segue aproximadamente uma distribuição gaussiana, e a energia central será várias vezes superior à densidade de potência média.

Diagrama esquemático da distribuição de energia laser com diferentes diâmetros de núcleo.

A cor do diagrama de distribuição de energia representa a distribuição da energia. Quanto mais vermelha a cor, maior a energia. A energia vermelha indica a concentração de energia nos locais onde ela está mais alta. Através da distribuição de energia de feixes de laser com diferentes diâmetros de núcleo, observa-se que a frente do feixe de laser não é nítida, enquanto que, quanto menor o diâmetro do núcleo, mais concentrada a energia em um ponto, mais nítida ela se torna e maior seu poder de penetração.

Comparação dos efeitos de soldagem de lasers com diferentes diâmetros de núcleo.

Comparação de lasers com diferentes diâmetros de núcleo:

(1) O experimento utiliza uma velocidade de 150 mm/s, soldagem de posição de foco e o material é alumínio da série 1, com 2 mm de espessura;

(2) Quanto maior o diâmetro do núcleo, maior a largura de fusão, maior a zona afetada pelo calor e menor a densidade de potência unitária. Quando o diâmetro do núcleo excede 200 µm, não é fácil atingir uma profundidade de penetração em ligas de alta reação, como alumínio e cobre, e uma soldagem de penetração profunda mais alta só pode ser alcançada com alta potência;

(3) Os lasers de núcleo pequeno têm alta densidade de potência e podem perfurar rapidamente orifícios na superfície dos materiais com alta energia e pequenas zonas afetadas pelo calor. No entanto, ao mesmo tempo, a superfície da solda é rugosa e a probabilidade de colapso do orifício é alta durante a soldagem em baixa velocidade, e o orifício se fecha durante o ciclo de soldagem. O ciclo é longo e defeitos como falhas e poros são propensos a ocorrer. É adequado para processamento de alta velocidade ou processamento com trajetória oscilante;

(4) Os lasers de grande diâmetro de núcleo têm pontos de luz maiores e energia mais dispersa, tornando-os mais adequados para refusão de superfície a laser, revestimento, recozimento e outros processos.