Em comparação com a tecnologia de soldagem tradicional,soldagem a laserA soldagem por torção apresenta vantagens incomparáveis em termos de precisão, eficiência, confiabilidade, automação e outros aspectos. Nos últimos anos, desenvolveu-se rapidamente nos setores automotivo, energético, eletrônico e outros, sendo considerada uma das tecnologias de fabricação mais promissoras do século XXI.
1. Visão geral do feixe duplosoldagem a laser
Viga duplasoldagem a laserA soldagem a laser de feixe duplo consiste em utilizar métodos ópticos para separar o mesmo laser em dois feixes de luz distintos, ou combinar dois tipos diferentes de lasers, como o laser de CO2, o laser Nd:YAG e o laser semicondutor de alta potência. Todos podem ser combinados. Essa técnica foi proposta principalmente para solucionar o problema da adaptabilidade da soldagem a laser à precisão de montagem, melhorar a estabilidade do processo de soldagem e aprimorar a qualidade da solda.soldagem a laserÉ possível ajustar de forma conveniente e flexível o campo de temperatura de soldagem alterando a proporção de energia do feixe, o espaçamento entre os feixes e até mesmo o padrão de distribuição de energia dos dois feixes de laser, alterando o padrão de existência do orifício e o padrão de fluxo do metal líquido na poça de fusão. Isso proporciona uma gama mais ampla de processos de soldagem. Além de apresentar as vantagens de grande porte, o equipamento também oferece grandes possibilidades de usinagem.soldagem a laserA soldagem por arco voltaico oferece alta penetração, velocidade e precisão, sendo também adequada para materiais e juntas de difícil soldagem com métodos convencionais.soldagem a laser.
Para viga duplasoldagem a laserPrimeiramente, discutiremos os métodos de implementação do laser de feixe duplo. A literatura abrangente mostra que existem duas maneiras principais de se obter soldagem com feixe duplo: focalização por transmissão e focalização por reflexão. Especificamente, uma é obtida ajustando o ângulo e o espaçamento de dois lasers por meio de espelhos de focalização e colimadores. A outra é obtida utilizando uma fonte de laser e, em seguida, focalizando-a por meio de espelhos refletores, transmissivos e em forma de cunha para obter feixes duplos. Para o primeiro método, existem principalmente três formas. A primeira forma consiste em acoplar dois lasers por meio de fibras ópticas e dividi-los em dois feixes diferentes sob o mesmo espelho colimador e espelho de focalização. A segunda consiste em os dois lasers emitirem feixes de laser através de suas respectivas cabeças de soldagem, e um feixe duplo é formado ajustando a posição espacial das cabeças de soldagem. O terceiro método consiste em o feixe de laser ser primeiro dividido por dois espelhos 1 e 2 e, em seguida, focalizado por dois espelhos de focalização 3 e 4, respectivamente. A posição e a distância entre os dois pontos focais podem ser ajustadas alterando os ângulos dos dois espelhos de focalização 3 e 4. O segundo método consiste em usar um laser de estado sólido para dividir a luz e obter feixes duplos, ajustando o ângulo e o espaçamento por meio de um espelho de perspectiva e um espelho de focalização. As duas últimas imagens na primeira linha abaixo mostram o sistema espectroscópico de um laser de CO2. O espelho plano é substituído por um espelho em forma de cunha, posicionado em frente ao espelho de focalização para dividir a luz e obter feixes duplos paralelos.
Após entendermos a implementação de vigas duplas, vamos apresentar brevemente os princípios e métodos de soldagem. Na soldagem de viga duplasoldagem a laserNo processo de soldagem em série, existem três arranjos de feixe comuns: arranjo em série, arranjo paralelo e arranjo híbrido. O tecido, ou seja, há uma distância tanto na direção da soldagem quanto na direção vertical da soldagem. Como mostrado na última linha da figura, de acordo com as diferentes formas de pequenos orifícios e poças de fusão que aparecem sob diferentes espaçamentos de pontos durante o processo de soldagem em série, eles podem ser divididos em fusões individuais. Existem três estados: poça de fusão, poça de fusão comum e poça de fusão separada. As características da poça de fusão individual e da poça de fusão separada são semelhantes às da poça de fusão individual.soldagem a laser, conforme mostrado no diagrama de simulação numérica. Existem diferentes efeitos de processo para diferentes tipos.
Tipo 1: Com um determinado espaçamento entre os pontos, dois orifícios de feixe formam um orifício grande comum na mesma poça de fusão; para o tipo 1, relata-se que um feixe de luz é usado para criar um pequeno orifício e o outro feixe de luz é usado para o tratamento térmico de soldagem, o que pode melhorar efetivamente as propriedades estruturais do aço de alto carbono e do aço-liga.
Tipo 2: Aumenta o espaçamento entre os pontos na mesma poça de fusão, separa os dois feixes em dois orifícios independentes e altera o padrão de fluxo da poça de fusão; para o tipo 2, sua função é equivalente à soldagem por feixe de elétrons duplo, reduzindo respingos de solda e soldas irregulares na distância focal apropriada.
Tipo 3: Aumentar ainda mais o espaçamento entre os pontos e alterar a proporção de energia dos dois feixes, de modo que um dos feixes seja usado como fonte de calor para realizar o pré-processamento ou pós-soldagem durante o processo de soldagem, e o outro feixe seja usado para gerar pequenos furos. Para o tipo 3, o estudo constatou que os dois feixes formam um orifício em forma de fechadura, o pequeno furo não colapsa facilmente e a solda não produz poros com facilidade.
2. A influência do processo de soldagem na qualidade da soldagem
Efeito da relação de energia do feixe em série na formação da junta de solda
Quando a potência do laser é de 2 kW, a velocidade de soldagem é de 45 mm/s, o desfoque é de 0 mm e o espaçamento entre os feixes é de 3 mm, o formato da superfície da solda, variando-se a razão de espalhamento (RS = 0,50, 0,67, 1,50, 2,00), é mostrado na figura. Quando RS = 0,50 e 2,00, a solda apresenta maior reentrância e respingos nas bordas, sem a formação de um padrão regular em escamas de peixe. Isso ocorre porque, quando a razão de energia do feixe é muito baixa ou muito alta, a energia do laser fica muito concentrada, causando oscilações mais acentuadas no orifício do laser durante o processo de soldagem. Além disso, a pressão de recuo do vapor provoca a ejeção e o respingo do metal fundido na poça de fusão. O excesso de calor faz com que a profundidade de penetração da poça de fusão na liga de alumínio seja muito grande, causando uma depressão sob a ação da gravidade. Quando RS = 0,67 e 1,50, o padrão de escamas de peixe na superfície da solda é uniforme, o formato da solda é mais bonito e não há trincas a quente visíveis, poros ou outros defeitos de soldagem na superfície. Os formatos da seção transversal das soldas com diferentes razões de energia do feixe RS são mostrados na figura. A seção transversal das soldas tem um formato típico de "taça de vinho", indicando que o processo de soldagem é realizado no modo de soldagem a laser de penetração profunda. RS tem uma influência importante na profundidade de penetração P2 da solda no lado da liga de alumínio. Quando a razão de energia do feixe RS = 0,5, P2 é 1203,2 micrômetros. Quando a razão de energia do feixe é RS = 0,67 e 1,5, P2 é significativamente reduzido, sendo 403,3 micrômetros e 93,6 micrômetros, respectivamente. Quando a razão de energia do feixe é RS = 2, a profundidade de penetração da solda na seção transversal da junta é 1151,6 micrômetros.
Efeito da relação de energia do feixe paralelo na formação da junta de solda
Quando a potência do laser é de 2,8 kW, a velocidade de soldagem é de 33 mm/s, o desfoque é de 0 mm e o espaçamento entre os feixes é de 1 mm, a superfície da solda obtida variando-se a razão de energia do feixe (RS = 0,25, 0,5, 0,67, 1,5, 2, 4) apresenta a aparência mostrada na figura. Quando RS = 2, o padrão em escamas de peixe na superfície da solda é relativamente irregular. A superfície da solda obtida com as outras cinco razões de energia do feixe apresenta boa formação, sem defeitos visíveis como poros e respingos. Portanto, em comparação com a soldagem de feixe duplo em série,soldagem a laserA superfície da solda, utilizando feixes duplos paralelos, apresenta-se mais uniforme e com melhor acabamento. Quando RS = 0,25, observa-se uma leve depressão na solda; à medida que a taxa de energia do feixe aumenta gradualmente (RS = 0,5, 0,67 e 1,5), a superfície da solda torna-se uniforme e sem depressões; contudo, quando a taxa de energia do feixe aumenta ainda mais (RS = 1,50 e 2,00), surgem depressões na superfície da solda. Quando a taxa de energia do feixe RS = 0,25, 1,5 e 2, a seção transversal da solda tem formato de "taça de vinho"; quando RS = 0,50, 0,67 e 1, a seção transversal da solda tem formato de "funil". Quando RS = 4, não apenas trincas são geradas na base da solda, como também poros são gerados na parte central e inferior da solda. Quando RS = 2, grandes poros de processo aparecem dentro da solda, mas sem o surgimento de trincas. Quando RS = 0,5, 0,67 e 1,5, a profundidade de penetração P2 da solda no lado da liga de alumínio é menor, e a seção transversal da solda é bem formada, sem defeitos de soldagem óbvios. Isso demonstra que a relação de energia do feixe durante a soldagem a laser de feixe duplo paralelo também tem um impacto importante na penetração da solda e nos defeitos de soldagem.
Feixe paralelo – o efeito do espaçamento entre os feixes na formação da junta de solda
Quando a potência do laser é de 2,8 kW, a velocidade de soldagem é de 33 mm/s, o desfoque é de 0 mm e a razão de energia do feixe RS = 0,67, variando o espaçamento entre os feixes (d = 0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm, 2 mm), obtém-se a morfologia da superfície da solda conforme mostrado na imagem. Quando d = 0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm e 2 mm, a superfície da solda é lisa e plana, com um formato bonito; o padrão em escamas de peixe da solda é regular e bem definido, sem poros, trincas ou outros defeitos visíveis. Portanto, sob as quatro condições de espaçamento entre os feixes, a superfície da solda é bem formada. Além disso, quando d = 2 mm, formam-se duas soldas distintas, o que demonstra que os dois feixes de laser paralelos não atuam mais em uma poça de fusão, não sendo possível formar uma soldagem híbrida a laser de feixe duplo eficaz. Quando o espaçamento entre os feixes é de 0,5 mm, a solda apresenta formato de funil, com uma profundidade de penetração P2 de 712,9 micrômetros no lado da liga de alumínio, sem trincas, poros ou outros defeitos internos. Com o aumento do espaçamento entre os feixes, a profundidade de penetração P2 diminui significativamente no lado da liga de alumínio. Quando o espaçamento é de 1 mm, a profundidade de penetração é de apenas 94,2 micrômetros. A partir desse ponto, a penetração efetiva na liga de alumínio torna-se ineficaz. Portanto, o melhor efeito de recombinação por feixe duplo ocorre com um espaçamento de 0,5 mm. Com o aumento do espaçamento, a entrada de calor na soldagem diminui drasticamente, e o efeito de recombinação por feixe duplo se deteriora progressivamente.
A diferença na morfologia da solda é causada pelo fluxo e solidificação distintos da poça de fusão durante o processo de soldagem. O método de simulação numérica não só torna a análise de tensões na poça de fusão mais intuitiva, como também reduz o custo experimental. A figura abaixo mostra as alterações na poça de fusão lateral com um único feixe, diferentes arranjos e espaçamento entre os pontos. As principais conclusões incluem: (1) Durante o feixe únicosoldagem a laserNo processo, a profundidade do orifício da poça de fusão é a maior possível, ocorre o colapso do orifício, a parede do orifício é irregular e a distribuição do campo de fluxo próximo à parede do orifício é desigual; próximo à superfície posterior da poça de fusão, o refluxo é intenso e há refluxo ascendente no fundo da poça de fusão; a distribuição do campo de fluxo na superfície da poça de fusão é relativamente uniforme e lenta, e a largura da poça de fusão é desigual ao longo da profundidade. Há perturbação causada pela pressão de recuo da parede na poça de fusão entre os pequenos orifícios no feixe duplo.soldagem a lasere sempre existe ao longo da direção da profundidade dos pequenos orifícios. À medida que a distância entre os dois feixes continua a aumentar, a densidade de energia do feixe transita gradualmente de um pico único para um estado de pico duplo. Existe um valor mínimo entre os dois picos, e a densidade de energia diminui gradualmente. (2) Para feixe duplosoldagem a laserQuando o espaçamento entre os pontos é de 0 a 0,5 mm, a profundidade dos pequenos orifícios na poça de fusão diminui ligeiramente, e o comportamento geral do fluxo na poça de fusão é semelhante ao de um feixe único.soldagem a laser(3) Quando o espaçamento entre os pontos é superior a 1 mm, os pequenos orifícios ficam completamente separados e, durante o processo de soldagem, praticamente não há interação entre os dois lasers, o que é equivalente a duas soldagens a laser de feixe único consecutivas/paralelas com potência de 1750 W. Quase não há efeito de pré-aquecimento e o comportamento do fluxo da poça de fusão é semelhante ao da soldagem a laser de feixe único. (4) Quando o espaçamento entre os pontos é de 0,5 a 1 mm, a superfície da parede dos pequenos orifícios é mais plana nas duas configurações, a profundidade dos pequenos orifícios diminui gradualmente e o fundo se separa gradualmente. A perturbação entre os pequenos orifícios e o fluxo da poça de fusão superficial é mais forte em 0,8 mm. Para soldagem em série, o comprimento da poça de fusão aumenta gradualmente, a largura é maior quando o espaçamento entre os pontos é de 0,8 mm e o efeito de pré-aquecimento é mais evidente quando o espaçamento entre os pontos é de 0,8 mm. O efeito da força de Marangoni enfraquece gradualmente, e mais metal líquido flui para ambos os lados da poça de fusão. Isso torna a distribuição da largura da poça de fusão mais uniforme. Para soldagem paralela, a largura da poça de fusão aumenta gradualmente, atingindo um comprimento máximo de 0,8 mm, porém sem efeito de pré-aquecimento; o refluxo próximo à superfície, causado pela força de Marangoni, está sempre presente, enquanto o refluxo descendente no fundo do orifício diminui gradualmente; o campo de fluxo transversal não é tão eficiente quanto na soldagem em série, a perturbação praticamente não afeta o fluxo em ambos os lados da poça de fusão, e a largura da poça de fusão apresenta uma distribuição irregular.
Data da publicação: 12 de outubro de 2023
