Mini Enciclopèdia: Principi i aplicacions del procés de soldadura làser
Nivells d'energia
La matèria està composta d'àtoms, i els àtoms consten d'un nucli i electrons. Els electrons orbiten al voltant del nucli. L'energia dels electrons d'un àtom no és arbitrària.
La mecànica quàntica, que descriu el món microscòpic, ens diu que els electrons ocupen nivells d'energia fixos. Diferents nivells d'energia corresponen a diferents energies d'electrons: les òrbites més allunyades del nucli tenen una energia més alta.
A més, cada òrbita pot contenir un nombre màxim d'electrons. Per exemple, l'òrbita més baixa (la més propera al nucli) pot contenir fins a 2 electrons, mentre que les òrbites més altes poden contenir fins a 8 electrons, i així successivament.
Transició
Els electrons poden passar d'un nivell d'energia a un altre absorbint o alliberant energia.
Per exemple, quan un electró absorbeix un fotó, pot saltar d'un nivell d'energia inferior a un de superior. De la mateixa manera, un electró a un nivell d'energia superior pot caure a un nivell inferior emetent un fotó.
En aquests processos, l'energia del fotó absorbit o emès sempre és igual a la diferència d'energia entre els dos nivells. Com que l'energia del fotó determina la longitud d'ona de la llum, la llum absorbida o emesa té un color fix.
Principi de generació làser
Absorció estimulada
L'absorció estimulada es produeix quan els àtoms en un estat de baixa energia absorbeixen radiació externa i passen a un estat d'alta energia. Els electrons poden saltar de nivells d'energia baixos a alts absorbint fotons.
Emissió estimulada
L'emissió estimulada significa que els electrons a un nivell d'energia elevat, sota l'"estimulació" o "inducció" d'un fotó, passen a un nivell d'energia baix i emeten un fotó amb la mateixa freqüència que el fotó incident.
La característica clau de l'emissió estimulada és que el fotó generat és idèntic a l'original: mateixa freqüència, mateixa direcció i completament indistingible. D'aquesta manera, un fotó es converteix en dos fotons idèntics a través d'un procés d'emissió estimulada. Això significa que la llum s'enforteix o s'amplifica: el principi bàsic de la generació làser.
Emissió espontània
L'emissió espontània es produeix quan els electrons a un nivell d'energia alt cauen a un nivell inferior sense influència externa, emetent llum (radiació electromagnètica) durant la transició. L'energia del fotó és E=E2−E1, la diferència d'energia entre els dos nivells.
Condicions per a la generació de làser
Guany làser mitjà
La generació de làser requereix un medi de guany adequat, que pot ser gas, líquid, sòlid o semiconductor. La clau és aconseguir la inversió de població en el medi, una condició necessària per a la sortida del làser. Els nivells d'energia metaestables són molt beneficiosos per a la inversió de població.
Font de bombament
Per aconseguir la inversió de població, el sistema atòmic ha de ser excitat per augmentar el nombre de partícules al nivell d'energia superior.
Els mètodes habituals inclouen:
- Bombeig elèctric: descàrrega de gas utilitzant electrons d'alta energia cinètica
- Bombeig òptic: irradiació per fonts de llum pulsada
- Bombament tèrmic, bombament químic, etc.
Aquests mètodes s'anomenen col·lectivament bombament. Cal un bombament continu per mantenir més partícules al nivell superior que al nivell inferior per aconseguir una sortida làser estable.
Ressonador
Amb un medi de guany i una font de bombament adequats, es pot aconseguir la inversió de població, però la intensitat d'emissió estimulada és massa feble per a un ús pràctic. Cal una amplificació addicional, que es proporciona mitjançant un ressonador òptic.
Un ressonador òptic consisteix en dos miralls altament reflectants col·locats paral·lels als dos extrems del làser:
- Un mirall de reflexió total
- Un mirall de reflexió parcial i transmissió parcial
El mirall de reflexió total reflecteix tota la llum incident al llarg del seu camí original. El mirall de reflexió parcial reflecteix els fotons per sota d'un cert llindar d'energia de tornada al medi, mentre que els fotons per sobre del llindar es transmeten com a llum làser amplificada.
La llum oscil·la endavant i enrere al ressonador, desencadenant una reacció en cadena d'emissió estimulada, amplificant-se com una allau per produir una sortida làser d'alta intensitat.
Què és una làmpada de bomba?
Una làmpada de xenó és una làmpada de descàrrega de gas inert, generalment en forma de tub recte. Generalment consta d'elèctrodes, un tub de quars i gas xenó (Xe) omplert.
Els elèctrodes estan fets de metall amb un punt de fusió alt, una alta eficiència d'emissió d'electrons i una baixa pulverització catòdica. El tub de la làmpada està fet de vidre de quars d'alta resistència, resistència a altes temperatures i alta transmitància, omplert amb gas xenó.
Què és una barra làser Nd:YAG?
El Nd:YAG (granat d'itri i alumini dopat amb neodimi) és el material làser sòlid més utilitzat.
El YAG és un cristall cúbic amb una duresa elevada, una excel·lent qualitat òptica i una alta conductivitat tèrmica. Els ions de neodimi trivalents substitueixen alguns ions d'itri trivalents a la xarxa cristal·lina, d'aquí el nom de granat d'itri i alumini dopat amb neodimi.
Característiques del làser
Bona coherència
La llum de fonts ordinàries és caòtica en direcció, fase i temps, i no es pot enfocar en un sol punt ni tan sols amb una lent.
La llum làser és altament coherent: té una freqüència pura, es propaga en la mateixa direcció en fase perfecta i es pot enfocar en un punt petit amb energia altament concentrada.
Excel·lent direccionalitat
El làser té una direccionalitat molt millor que qualsevol altra font de llum, comportant-se gairebé com un feix paral·lel. Fins i tot quan apunta a la Lluna (a uns 384.000 km de distància), el diàmetre del punt és de només uns 2 km.
Bona monocromaticitat
La llum làser procedent d'emissió estimulada té un rang de freqüències extremadament estret. En termes senzills, el làser té una monocromaticitat excel·lent: el seu "color" és extremadament pur. La monocromaticitat és fonamental per a les aplicacions de processament làser.
Alta brillantor
La soldadura làser utilitza l'excel·lent direccionalitat i l'alta densitat de potència dels feixos làser. El làser s'enfoca en una àrea petita mitjançant un sistema òptic, formant una font de calor altament concentrada en molt poc temps, fonent el material i formant punts de soldadura i costures estables.
Avantatges de la soldadura làser
En comparació amb altres mètodes de soldadura, la soldadura làser ofereix:
- Alta concentració d'energia, alta eficiència de soldadura, alta precisió i gran relació profunditat-amplada de les soldadures.
- Baixa aportació de calor, petita zona afectada per la calor, mínima tensió residual i deformació.
- Soldadura sense contacte, transmissió flexible per fibra òptica, bona accessibilitat i alta automatització.
- Disseny de juntes flexibles, estalvi de matèries primeres.
- Energia controlable amb precisió, resultats de soldadura estables i excel·lent aspecte de soldadura.
Processos de soldadura làser per a materials metàl·lics
acer inoxidable
- Es poden aconseguir bons resultats amb polsos d'ona quadrada ordinaris.
- Dissenyeu les unions per mantenir els punts de soldadura allunyats de materials no metàl·lics.
- Reserveu una zona de soldadura i un gruix de la peça suficients per a la resistència i l'aspecte.
- Assegureu-vos de la neteja de la peça i d'un ambient sec durant la soldadura.
Aliatges d'alumini
- Una alta reflectivitat requereix una alta potència màxima del làser.
- Propens a esquerdar-se durant la soldadura per punts pulsats, cosa que redueix la resistència.
- La composició del material pot causar esquitxades; utilitzeu matèries primeres d'alta qualitat.
- Millors resultats amb una mida de punt gran i una amplada de pols llarga.
Coure i aliatges de coure
- Reflectivitat més alta que l'alumini; requereix una potència màxima del làser encara més alta.
- El capçal làser ha d'estar inclinat en angle.
- Els aliatges de coure (llautó, cuproníquel, etc.) són més difícils de soldar a causa dels elements d'aliatge; cal una selecció acurada dels paràmetres.
Defectes comuns en la soldadura làser i solucions
Els paràmetres incorrectes o un funcionament inadequat sovint causen defectes de soldadura, com ara:
- Esquitxades superficials
- Porositat interna de la soldadura
- Esquerdes de soldadura
- Deformació de soldadura
Salpicadura de soldadura
Les esquitxades són causades principalment per una densitat de potència làser excessivament alta: la peça absorbeix massa energia en poc temps, cosa que provoca una vaporització severa del material i una reacció violenta en bany fos.
Les esquitxades perjudiquen l'aspecte, la precisió del muntatge i la resistència de la soldadura.
Causes
- Potència màxima del làser excessivament alta.
- Forma d'ona de soldadura inadequada, especialment per a materials d'alta reflectivitat.
- Segregació de materials que condueix a una alta absorció d'energia local.
- Contaminació o impureses no metàl·liques a la superfície de la peça.
- Substàncies de baix punt de fusió entre o sota les peces de treball, que generen gas durant la soldadura.
- Estructures buides tancades que provoquen expansió del gas i esquitxades.
Solucions
- Optimitzar els paràmetres: reduir la potència màxima o utilitzar formes d'ona de punta.
- Utilitzeu matèries primeres qualificades i d'alta qualitat.
- Reforçar la neteja prèvia a la soldadura per eliminar l'oli i les impureses.
- Optimitzar el disseny de l'estructura de soldadura.
Porositat interna
La porositat és el defecte més comú en la soldadura làser. El cicle tèrmic ràpid i la curta vida útil de la piscina fosa eviten que el gas s'escapi, formant porus.
Tipus comuns: porus d'hidrogen, porus de monòxid de carboni i porus de col·lapse en forma de forat de pany.
Esquerdes de soldadura
Les esquerdes redueixen considerablement la resistència i la vida útil de la soldadura. L'escalfament i el refredament ràpids de la soldadura làser augmenten el risc d'esquerdes.
La majoria de les esquerdes de soldadura làser són esquerdes calentes, comunes en aliatges d'alumini i acers d'alt contingut en carboni/alt aliatge.
Prevenció
- Per a materials fràgils, afegiu formes d'ona de preescalfament i refredament lent per reduir l'esquerdament.
- Optimitzar el disseny de les unions per reduir la tensió de soldadura.
- Seleccioneu materials amb menor tendència a l'esquerdament amb un rendiment equivalent.
Deformació de soldadura
La deformació sovint es produeix en làmines primes, peces de treball de gran superfície o soldadura per diversos punts, cosa que afecta el muntatge i el rendiment. Està causada per una entrada de calor desigual i una expansió/contracció tèrmica inconsistent.
Solucions
- Optimitzar els paràmetres per reduir l'entrada de calor: augmentar la potència màxima mentre es redueix l'amplada del pols.
- Baixar la velocitat de soldadura i la freqüència d'impulsos per reduir la calor per unitat de temps.
- Optimitzar la seqüència de soldadura per garantir un escalfament uniforme.
Data de publicació: 25 de febrer de 2026
