En la fabricació moderna,tecnologia de soldadura làsers'utilitza àmpliament en diversos camps, des de l'aeroespacial fins a la fabricació d'automòbils, des d'equips electrònics fins a dispositius mèdics, amb els seus avantatges d'alta eficiència, precisió i adaptabilitat. El nucli d'aquesta tecnologia és la interacció del làser amb el material, formant un bany de soldadura fosa i solidificant-se ràpidament, permetent així la connexió de peces metàl·liques. El bany de soldadura és una àrea clau en la soldadura làser, i les seves característiques determinen directament la qualitat de la soldadura, la microestructura i el rendiment final. Per tant, una comprensió profunda i un control precís de les característiques del bany de soldadura fosa són de vital importància per millorar el nivell de la tecnologia de soldadura làser i satisfer les necessitats d'unions soldades d'alta qualitat en la producció industrial.
Geometria de la piscina fosa
La geometria del bany de soldadura és un aspecte important en la investigació de la soldadura làser, ja que afecta directament la transferència de calor, el flux de material i la qualitat final de la soldadura durant el procés de soldadura. La forma d'un bany de metall fos es descriu normalment per la seva profunditat, amplada, relació d'aspecte, geometria de la zona afectada per la calor (HAZ), geometria del forat de pany i geometria de la zona de metall fos (MMA). Aquests paràmetres no només determinen la mida i la forma de la unió soldada, sinó que també afecten el cicle tèrmic, la velocitat de refredament i la formació de microestructures durant el procés de soldadura.
Taula 1. La influència dels paràmetres de soldadura làser en els paràmetres geomètrics de cada bany de soldadura.
La investigació mostra que la potència del làser i la velocitat de soldadura són els dos paràmetres principals del procés que afecten la geometria del bany de soldadura, com es mostra a la Taula 1. En general, a mesura que augmenta la potència del làser i disminueix la velocitat de soldadura, augmenta la profunditat del bany de soldadura, mentre que l'amplada canvia relativament poc. Això es deu al fet que una potència làser més alta pot proporcionar més energia, permetent que el material es fongui i s'evapori més ràpidament, donant lloc a forats i basses més profunds, com es mostra a la Figura 1. Tanmateix, quan la potència del làser és massa alta o la velocitat de soldadura és massa baixa, pot provocar un sobreescalfament del material, una evaporació excessiva i fins i tot un efecte de blindatge per plasma, cosa que reduirà la qualitat de la soldadura. Per tant, en el procés de soldadura real, cal seleccionar raonablement la potència del làser i la velocitat de soldadura segons les característiques específiques del material i els requisits de soldadura per obtenir la geometria ideal del bany de soldadura.
Figura 1. Diferents formes de soldadura formades per soldadura per conducció tèrmica làser i soldadura per penetració profunda làser.
A més de la potència del làser i la velocitat de soldadura, les propietats físiques tèrmiques del material, l'estat de la superfície, el gas protector i altres factors també tindran un impacte en la geometria del bany de soldadura. Per exemple, com més alta sigui la conductivitat tèrmica del material, més ràpida serà la transferència de calor a través del material i més ràpida serà la velocitat de refredament del bany de material fos, cosa que pot resultar en una mida relativament petita del bany de material fos. La rugositat i la neteja de la superfície del material afectaran la taxa d'absorció del làser i, a continuació, la formació i l'estabilitat del bany de material fos. A més, el tipus i el cabal del gas protector també tindran un cert impacte en la forma i la qualitat del bany de material fos. El gas protector adequat pot evitar eficaçment que el bany de material fos s'oxidi i es contamini, però també pot ajustar la tensió superficial i les característiques de flux del bany de material fos, per tal de millorar la qualitat de la soldadura.
Figura 2. Forma del bany de material fos quan el làser està oscil·lant.
En canviar la trajectòria del feix làser, l'oscil·lació del làser pot afectar significativament la forma i les característiques de la piscina de material fos, tal com es mostra a la Figura 2. A mesura que el feix làser oscil·la, la forma de la piscina de material fos es torna més uniforme i estable. El feix làser oscil·lant crea una zona escalfada més àmplia a la superfície de la piscina, fent que les vores de la piscina siguin més suaus i reduint les vores afilades i les formes irregulars. Aquest escalfament uniforme ajuda a millorar la qualitat i les propietats mecàniques de la unió soldada i a reduir els defectes de soldadura com ara esquerdes i porus. A més, l'oscil·lació del làser també pot augmentar la fluïdesa de la piscina de material fos, promoure la descàrrega de gasos i impureses a la piscina de material fos i millorar encara més la densitat i la uniformitat de la unió soldada.
Dinàmica de les piscines foses
La termodinàmica del bany de soldadura és un altre camp clau en la investigació de la soldadura làser, que implica l'absorció, la transferència i la conversió de l'energia làser al bany de soldadura, així com la distribució del camp de temperatura, la velocitat de refredament i el comportament de transició de fase causat per aquest. Les característiques termodinàmiques del bany de soldadura no només determinen la forma i la mida del bany de soldadura, sinó que també afecten directament la microestructura i les propietats mecàniques de la unió soldada.
En el procés de soldadura làser, després que el material absorbeixi l'energia làser, es produeix una zona d'alta temperatura a la piscina de material fos, cosa que fa que el material es fongui i s'evapori. Al mateix temps, la calor es transfereix de la regió d'alta temperatura a la regió de baixa temperatura a través de la conducció de calor, la convecció i la radiació, de manera que la temperatura del material al voltant de la piscina de material fos augmenta i afecta la microestructura i les propietats del material. A causa de la petita mida, el gran gradient de temperatura i la ràpida velocitat de refredament de la piscina de material fos, és molt difícil mesurar directament el camp de temperatura i la velocitat de refredament. Per tant, la majoria dels estudis es duen a terme per estudiar les propietats termodinàmiques de les piscines de material fos mitjançant l'establiment de models matemàtics i mètodes de simulació numèrica.
En el model termodinàmic de la piscina fosa, normalment cal tenir en compte els factors clau següents: en primer lloc, el mecanisme d'absorció de l'energia làser, incloent-hi les característiques de reflexió, absorció i transmissió de la superfície del material, i el procés de dispersió i absorció del làser dins del material. Diferents materials i paràmetres del làser comportaran diferents taxes d'absorció i distribucions d'energia, cosa que afectarà el comportament termodinàmic de la piscina fosa. En segon lloc, les propietats físiques tèrmiques del material, com ara la capacitat calorífica específica, la conductivitat tèrmica, la densitat, etc., aquests paràmetres canviaran amb el canvi de temperatura, cosa que té un impacte important en el procés de transferència de calor. A més, també cal tenir en compte els processos de flux de fluids i canvi de fase a la piscina fosa, com ara la fusió, l'evaporació i la solidificació, que canviaran la forma i la distribució del camp de temperatura de la piscina fosa, però també afectaran la microestructura i les propietats mecàniques del material.
Mitjançant simulació numèrica i estudi experimental, els investigadors van descobrir que la distribució del camp de temperatura a la piscina de material fos sol presentar una no uniformitat significativa, la zona d'alta temperatura es concentra principalment a la zona d'acció del làser i al forat del pany, i la temperatura disminueix gradualment fins a la vora de la piscina de material fos i la zona afectada per la calor. La velocitat de refredament augmenta amb la disminució de la mida de la piscina de material fos i l'augment de la distància des de la zona del làser. Generalment, la velocitat de refredament és més baixa al centre de la piscina de material fos i a la zona del forat del pany, mentre que la velocitat de refredament és més alta a la vora de la piscina de material fos i a la zona afectada per la calor, com es mostra a la Figura 2. Aquest camp de temperatura no uniforme i la distribució de la velocitat de refredament provocaran canvis de gradient evidents en la microestructura de la unió soldada, com ara la mida del gra, la composició i la distribució de fases, que afectaran les propietats mecàniques i la resistència a la corrosió de la unió soldada.
Figura 3. Resultats de la simulació de la formació de forats de pany i banys fosos durant la soldadura per penetració profunda amb làser de xapa d'acer inoxidable.
Per tal de millorar les característiques termodinàmiques de la piscina de material fos, millorar la qualitat de la soldadura i reduir els defectes de soldadura, s'han proposat una sèrie de mètodes i mesures d'optimització. Per exemple, ajustant els paràmetres del làser, com ara la potència del làser, la velocitat de soldadura, el diàmetre del punt, etc., es pot canviar el mode d'entrada i la distribució de l'energia làser per optimitzar el camp de temperatura i la velocitat de refredament de la piscina de material fos. A més, es pot ajustar el comportament termodinàmic i l'evolució de la microestructura de la piscina de material fos mitjançant preescalfament, postescalfament, soldadura multipass i altres mètodes de procés, així com mitjançant diferents gasos protectors i atmosferes de soldadura. Al mateix temps, el desenvolupament de nous materials de soldadura i sistemes d'aliatge per millorar l'estabilitat tèrmica i el rendiment de soldadura dels materials també és una de les maneres importants de millorar les característiques termodinàmiques de les piscines de material fos.
Les característiques de la piscina de soldadura làser són els factors clau que afecten la qualitat de la soldadura, la microestructura i les propietats mecàniques. L'estudi en profunditat de la geometria i les característiques termodinàmiques de la piscina de soldadura làser és de gran importància per optimitzar el procés de soldadura làser i millorar l'eficiència i la qualitat de la soldadura. A través d'un gran nombre d'investigacions experimentals i anàlisis de simulació numèrica, els investigadors han aconseguit una sèrie de resultats d'investigació importants, que proporcionen un sòlid suport teòric i una guia tècnica per al desenvolupament i l'aplicació de la tecnologia de soldadura làser. No obstant això, encara hi ha algunes deficiències en la investigació actual, com ara la simplificació del model i massa suposicions, i la predicció de les característiques de la piscina de fusió en condicions de treball complexes no és prou precisa. Cal millorar la investigació experimental sistemàtica i completa, i hi ha una manca d'investigació en profunditat sobre més materials i paràmetres de soldadura.
Data de publicació: 28 de febrer de 2025
