O método de soldagem com feixe duplo é proposto, principalmente para resolver o problema de adaptabilidade desoldagem a laserA soldagem a laser de feixe duplo permite maior precisão na montagem, melhora a estabilidade do processo de soldagem e a qualidade da solda, especialmente em soldagem de chapas finas e ligas de alumínio. Essa técnica utiliza métodos ópticos para separar o mesmo laser em dois feixes de luz distintos para a soldagem. Também é possível combinar dois tipos diferentes de laser, como laser de CO2, laser Nd:YAG e laser semicondutor de alta potência. Ao alterar a energia, o espaçamento e até mesmo o padrão de distribuição de energia dos dois feixes, o campo de temperatura da soldagem pode ser ajustado de forma prática e flexível, modificando o padrão de poros e o fluxo do metal líquido na poça de fusão, proporcionando uma solução mais eficiente para o processo de soldagem. A ampla gama de opções oferecidas pela soldagem a laser de feixe único é incomparável. Além das vantagens de grande penetração, alta velocidade e precisão, a soldagem a laser de feixe duplo apresenta excelente adaptabilidade a materiais e juntas de difícil soldagem com laser convencional.
Princípio desoldagem a laser de feixe duplo
A soldagem a laser de feixe duplo consiste na utilização de dois feixes de laser simultaneamente durante o processo de soldagem. O arranjo dos feixes, o espaçamento entre eles, o ângulo entre os dois feixes, a posição de foco e a relação de energia entre os dois feixes são parâmetros relevantes na soldagem a laser de feixe duplo. Normalmente, durante o processo de soldagem, existem duas maneiras de organizar os feixes duplos. Como mostrado na figura, uma delas é organizá-los em série ao longo da direção de soldagem. Essa disposição pode reduzir a taxa de resfriamento da poça de fusão, diminuindo a tendência de endurecimento da solda e a geração de poros. A outra maneira é organizá-los lado a lado ou transversalmente em ambos os lados da solda para melhorar a adaptabilidade à folga da solda.
Princípio de soldagem a laser de feixe duplo
A soldagem a laser de feixe duplo consiste na utilização de dois feixes de laser simultaneamente durante o processo de soldagem. O arranjo dos feixes, o espaçamento entre eles, o ângulo entre os dois feixes, a posição de foco e a relação de energia entre os dois feixes são parâmetros relevantes na soldagem a laser de feixe duplo. Normalmente, durante o processo de soldagem, existem duas maneiras de organizar os feixes duplos. Como mostrado na figura, uma delas é organizá-los em série ao longo da direção de soldagem. Essa disposição pode reduzir a taxa de resfriamento da poça de fusão, diminuindo a tendência de endurecimento da solda e a geração de poros. A outra maneira é organizá-los lado a lado ou transversalmente em ambos os lados da solda para melhorar a adaptabilidade à folga da solda.
Para um sistema de soldagem a laser de feixe duplo disposto em tandem, existem três mecanismos de soldagem diferentes, dependendo da distância entre os feixes dianteiro e traseiro, conforme mostrado na figura abaixo.
1. No primeiro tipo de mecanismo de soldagem, a distância entre os dois feixes de luz é relativamente grande. Um feixe de luz possui maior densidade de energia e é focalizado na superfície da peça para produzir orifícios de solda; o outro feixe de luz possui menor densidade de energia e é utilizado apenas como fonte de calor para tratamento térmico pré ou pós-soldagem. Utilizando esse mecanismo de soldagem, a taxa de resfriamento da poça de fusão pode ser controlada dentro de uma determinada faixa, o que é benéfico para a soldagem de alguns materiais com alta suscetibilidade a trincas, como aço de alto carbono, aço-liga, etc., e também pode melhorar a tenacidade da solda.
2. No segundo tipo de mecanismo de soldagem, a distância focal entre os dois feixes de luz é relativamente pequena. Os dois feixes de luz produzem dois orifícios independentes na poça de fusão, o que altera o padrão de fluxo do metal líquido e ajuda a prevenir a aderência. Isso pode eliminar a ocorrência de defeitos como bordas irregulares e protuberâncias no cordão de solda, além de melhorar a formação da solda.
3. No terceiro tipo de mecanismo de soldagem, a distância entre os dois feixes de luz é muito pequena. Nesse caso, os dois feixes de luz produzem o mesmo orifício na poça de fusão. Comparado com a soldagem a laser de feixe único, como o orifício é maior e não se fecha facilmente, o processo de soldagem é mais estável e o gás é expelido com mais facilidade, o que é benéfico para reduzir poros e respingos, e obter soldas contínuas, uniformes e com bom acabamento.
Durante o processo de soldagem, os dois feixes de laser podem ser posicionados em um determinado ângulo entre si. O mecanismo de soldagem é semelhante ao mecanismo de soldagem com feixe duplo paralelo. Os resultados dos testes mostram que, utilizando dois lasers de alta potência com um ângulo de 30° entre si e uma distância de 1 a 2 mm, o feixe de laser pode obter um orifício em forma de funil. O tamanho do orifício é maior e mais estável, o que pode melhorar efetivamente a qualidade da soldagem. Em aplicações práticas, a combinação mútua dos dois feixes de luz pode ser alterada de acordo com as diferentes condições de soldagem para obter diferentes processos de soldagem.
6. Método de implementação da soldagem a laser de feixe duplo
A aquisição de feixes duplos pode ser obtida combinando dois feixes de laser diferentes, ou um feixe de laser pode ser dividido em dois feixes para soldagem usando um sistema de espectrometria óptica. Para dividir um feixe de luz em dois feixes de laser paralelos com potências diferentes, pode-se usar um espectroscópio ou algum sistema óptico especial. A figura mostra dois diagramas esquemáticos dos princípios de divisão da luz usando espelhos de focalização como divisores de feixe.
Além disso, um refletor também pode ser usado como divisor de feixe, e o último refletor no caminho óptico pode ser usado como tal. Esse tipo de refletor também é chamado de refletor tipo telhado. Sua superfície refletora não é plana, mas consiste em dois planos. A linha de interseção das duas superfícies refletoras está localizada no meio da superfície do espelho, semelhante à cumeeira de um telhado, como mostrado na figura. Um feixe de luz paralelo incide sobre o espectroscópio, é refletido pelos dois planos em ângulos diferentes para formar dois feixes de luz, que incidem em diferentes posições do espelho de focalização. Após a focalização, dois feixes de luz são obtidos a uma certa distância na superfície da peça de trabalho. Alterando o ângulo entre as duas superfícies refletoras e a posição do telhado, é possível obter feixes de luz divididos com diferentes distâncias focais e configurações.
Ao usar dois tipos diferentes defeixes de laser tPara formar um feixe duplo, existem muitas combinações. Um laser de CO2 de alta qualidade com distribuição de energia gaussiana pode ser usado para a soldagem principal, e um laser semicondutor com distribuição de energia retangular pode ser usado para auxiliar no tratamento térmico. Por um lado, essa combinação é mais econômica. Por outro lado, a potência dos dois feixes de luz pode ser ajustada independentemente. Para diferentes formatos de juntas, um campo de temperatura ajustável pode ser obtido ajustando-se a posição de sobreposição do laser e do laser semicondutor, o que é muito adequado para o controle do processo de soldagem. Além disso, lasers YAG e de CO2 também podem ser combinados em um feixe duplo para soldagem, assim como lasers contínuos e pulsados, e feixes focalizados e desfocados.
7. Princípio da soldagem a laser de feixe duplo
3.1 Soldagem a laser de feixe duplo de chapas galvanizadas
A chapa de aço galvanizado é o material mais comumente usado na indústria automotiva. O ponto de fusão do aço é em torno de 1500°C, enquanto o ponto de ebulição do zinco é de apenas 906°C. Portanto, ao usar o método de soldagem por fusão, geralmente é gerada uma grande quantidade de vapor de zinco, tornando o processo de soldagem instável e formando poros na solda. Em juntas sobrepostas, a volatilização da camada galvanizada ocorre não apenas nas superfícies superior e inferior, mas também na superfície da junta. Durante o processo de soldagem, o vapor de zinco é ejetado rapidamente da superfície da poça de fusão em algumas áreas, enquanto em outras áreas é difícil para o vapor de zinco escapar da poça de fusão. Na superfície da poça, a qualidade da solda é muito instável.
A soldagem a laser de feixe duplo pode solucionar os problemas de qualidade da soldagem causados pelo vapor de zinco. Um método consiste em controlar o tempo de permanência e a taxa de resfriamento da poça de fusão, ajustando adequadamente a energia dos dois feixes para facilitar a saída do vapor de zinco; outro método consiste em liberar o vapor de zinco por meio de pré-furação ou ranhuramento. Como mostrado na Figura 6-31, um laser de CO2 é utilizado para a soldagem. O laser YAG é posicionado à frente do laser de CO2 e é utilizado para perfurar furos ou cortar ranhuras. Os furos ou ranhuras pré-processados fornecem um caminho de escape para o vapor de zinco gerado durante a soldagem subsequente, impedindo que ele permaneça na poça de fusão e forme defeitos.
3.2 Soldagem a laser de feixe duplo de liga de alumínio
Devido às características especiais de desempenho dos materiais de liga de alumínio, existem as seguintes dificuldades na utilização da soldagem a laser [39]: a liga de alumínio apresenta baixa taxa de absorção do laser, e a refletividade inicial da superfície do feixe de laser de CO2 excede 90%; as juntas de solda a laser em liga de alumínio são propensas a apresentar porosidade e trincas; queima de elementos da liga durante a soldagem, etc. Ao utilizar soldagem a laser simples, é difícil estabelecer o orifício de penetração e manter a estabilidade. A soldagem a laser com feixe duplo pode aumentar o tamanho do orifício de penetração, dificultando seu fechamento, o que é benéfico para a descarga de gás. Também pode reduzir a taxa de resfriamento e a ocorrência de poros e trincas de solda. Como o processo de soldagem é mais estável e a quantidade de respingos é reduzida, o formato da superfície de solda obtido pela soldagem com feixe duplo em ligas de alumínio também é significativamente melhor do que o da soldagem com feixe único. A Figura 6-32 mostra a aparência da junta de solda de topo de uma liga de alumínio de 3 mm de espessura utilizando soldagem a laser de CO2 com feixe único e com feixe duplo.
Pesquisas mostram que, ao soldar liga de alumínio da série 5000 com 2 mm de espessura, quando a distância entre os dois feixes é de 0,6 a 1,0 mm, o processo de soldagem é relativamente estável e a abertura do orifício formada é maior, o que favorece a evaporação e a fuga do magnésio durante a soldagem. Se a distância entre os dois feixes for muito pequena, o processo de soldagem de um único feixe não será estável. Se a distância for muito grande, a penetração da solda será afetada, como mostrado na Figura 6-33. Além disso, a relação de energia entre os dois feixes também tem um grande impacto na qualidade da solda. Quando dois feixes com espaçamento de 0,9 mm são dispostos em série para soldagem, a energia do feixe anterior deve ser aumentada adequadamente para que a relação de energia entre os dois feixes anterior e posterior seja maior que 1:1. Isso ajuda a melhorar a qualidade do cordão de solda, aumentar a área de fusão e ainda obter um cordão de solda liso e bonito, mesmo com alta velocidade de soldagem.
3.3 Soldagem de feixe duplo de chapas de espessuras desiguais
Na produção industrial, muitas vezes é necessário soldar duas ou mais chapas metálicas de diferentes espessuras e formatos para formar uma chapa emendada. Especialmente na indústria automobilística, a aplicação de chapas soldadas sob medida está se tornando cada vez mais comum. Ao soldar chapas com diferentes especificações, revestimentos superficiais ou propriedades, é possível aumentar a resistência, reduzir o consumo de materiais e, consequentemente, a qualidade. A soldagem a laser de chapas de diferentes espessuras é comumente utilizada na soldagem de painéis. Um dos principais desafios é que as chapas a serem soldadas devem ser pré-moldadas com bordas de alta precisão, garantindo uma montagem precisa. A soldagem a laser de chapas com espessuras desiguais permite a adaptação a diferentes variações nas folgas entre as chapas, juntas de topo, espessuras relativas e materiais das chapas. Ela possibilita a soldagem de chapas com maiores tolerâncias de borda e folga, além de melhorar a velocidade e a qualidade da soldagem.
Os principais parâmetros do processo de soldagem de chapas de espessuras desiguais em Shuangguangdong podem ser divididos em parâmetros de soldagem e parâmetros da chapa, conforme ilustrado na figura. Os parâmetros de soldagem incluem a potência dos dois feixes de laser, a velocidade de soldagem, a posição do foco, o ângulo da cabeça de soldagem, o ângulo de rotação do feixe na junta de topo com feixe duplo e o deslocamento da soldagem, entre outros. Os parâmetros da chapa incluem as dimensões do material, o desempenho, as condições de corte, as folgas entre as chapas, etc. A potência dos dois feixes de laser pode ser ajustada separadamente de acordo com os diferentes objetivos da soldagem. A posição do foco geralmente é localizada na superfície da chapa fina para obter um processo de soldagem estável e eficiente. O ângulo da cabeça de soldagem geralmente é selecionado em torno de 6°. Se a espessura das duas chapas for relativamente grande, pode-se usar um ângulo positivo da cabeça de soldagem, ou seja, o laser é inclinado em direção à chapa fina, conforme mostrado na figura; quando a espessura da chapa for relativamente pequena, pode-se usar um ângulo negativo da cabeça de soldagem. O deslocamento da soldagem é definido como a distância entre o foco do laser e a borda da chapa grossa. Ajustando o deslocamento da soldagem, é possível reduzir a quantidade de amassado da solda e obter uma boa seção transversal da solda.
Ao soldar chapas com grandes folgas, é possível aumentar o diâmetro efetivo de aquecimento do feixe girando o ângulo do feixe duplo para obter uma boa capacidade de preenchimento da folga. A largura da parte superior da solda é determinada pelo diâmetro efetivo do feixe dos dois feixes de laser, ou seja, pelo ângulo de rotação do feixe. Quanto maior o ângulo de rotação, maior a área de aquecimento do feixe duplo e maior a largura da parte superior da solda. Os dois feixes de laser desempenham funções diferentes no processo de soldagem. Um é usado principalmente para penetrar a junta, enquanto o outro é usado principalmente para fundir o material da chapa espessa e preencher a folga. Como mostrado na Figura 6-35, sob um ângulo de rotação positivo do feixe (o feixe frontal atuando sobre a chapa espessa e o feixe traseiro atuando sobre a solda), o feixe frontal incide sobre a chapa espessa para aquecer e fundir o material, e o feixe de laser posterior cria a penetração. O primeiro feixe de laser frontal funde parcialmente a chapa grossa, mas contribui significativamente para o processo de soldagem, pois não só funde as laterais da chapa para um melhor preenchimento da folga, como também pré-une o material da junta, facilitando a soldagem dos feixes subsequentes e permitindo uma soldagem mais rápida. Na soldagem com feixe duplo e ângulo de rotação negativo (o feixe frontal atua sobre a solda e o feixe traseiro sobre a chapa grossa), os dois feixes têm efeitos opostos. O primeiro feixe funde a junta e o segundo funde a chapa grossa para preencher a folga. Nesse caso, o feixe frontal precisa soldar a chapa fria, e a velocidade de soldagem é menor do que com um ângulo de rotação positivo. Além disso, devido ao pré-aquecimento do feixe anterior, o segundo feixe fundirá mais material da chapa grossa com a mesma potência. Portanto, a potência do segundo feixe de laser deve ser reduzida adequadamente. Em contrapartida, o uso de um ângulo de rotação positivo pode aumentar a velocidade de soldagem, enquanto o uso de um ângulo negativo proporciona um melhor preenchimento da folga. A Figura 6-36 mostra a influência de diferentes ângulos de rotação do feixe na seção transversal da solda.
3.4 Soldagem a laser de feixe duplo de chapas grossas e grandes dimensões Com o aprimoramento da potência do laser e da qualidade do feixe, a soldagem a laser de chapas grossas e grandes dimensões tornou-se uma realidade. No entanto, como os lasers de alta potência são caros e a soldagem de chapas grossas e grandes dimensões geralmente requer metal de adição, existem certas limitações na produção prática. O uso da tecnologia de soldagem a laser de feixe duplo não só aumenta a potência do laser, como também aumenta o diâmetro efetivo de aquecimento do feixe, aumenta a capacidade de fusão do arame de adição, estabiliza o orifício do laser, melhora a estabilidade da soldagem e melhora a qualidade da solda.
Data da publicação: 29/04/2024
