Na fabricación moderna,tecnoloxía de soldadura láserúsase amplamente en diversos campos, dende a industria aeroespacial ata a fabricación de automóbiles, dende equipos electrónicos ata dispositivos médicos, coas súas vantaxes de alta eficiencia, precisión e adaptabilidade. O núcleo desta tecnoloxía é a interacción do láser co material, formando un baño de soldadura fundido e solidificándoo rapidamente, o que permite a conexión de pezas metálicas. O baño de soldadura é unha área clave na soldadura por láser, e as súas características determinan directamente a calidade da soldadura, a microestrutura e o rendemento final. Polo tanto, unha comprensión profunda e un control preciso das características do baño de soldadura son de vital importancia para mellorar o nivel da tecnoloxía de soldadura por láser e satisfacer as necesidades de unións soldadas de alta calidade na produción industrial.
Xeometría da piscina fundida
A xeometría do baño de soldadura é un aspecto importante na investigación da soldadura por láser, porque afecta directamente á transferencia de calor, ao fluxo de material e á calidade final da soldadura durante o proceso de soldadura. A forma dun baño de metal fundido adoita describirse pola súa profundidade, anchura, relación de aspecto, xeometría da zona afectada pola calor (ZAT), xeometría do burato de chave e xeometría da zona de metal fundido (MMA). Estes parámetros non só determinan o tamaño e a forma da unión soldada, senón que tamén afectan ao ciclo térmico, á velocidade de arrefriamento e á formación de microestruturas durante o proceso de soldadura.
Táboa 1. Influencia dos parámetros de soldadura láser nos parámetros xeométricos de cada baño de soldadura.
A investigación demostra que a potencia do láser e a velocidade de soldadura son os dous principais parámetros do proceso que afectan á xeometría do baño de soldadura, como se mostra na Táboa 1. En xeral, a medida que a potencia do láser aumenta e a velocidade de soldadura diminúe, a profundidade do baño de soldadura aumenta, mentres que a anchura cambia relativamente pouco. Isto débese a que unha maior potencia do láser pode proporcionar máis enerxía, o que permite que o material se funda e se evapore máis rápido, o que resulta en buratos e piscinas máis profundos, como se mostra na Figura 1. Non obstante, cando a potencia do láser é demasiado alta ou a velocidade de soldadura é demasiado baixa, pode provocar un sobrequecemento do material, unha evaporación excesiva e mesmo un efecto de blindaxe por plasma, o que reducirá a calidade da soldadura. Polo tanto, no proceso de soldadura real, é necesario seleccionar razoablemente a potencia do láser e a velocidade de soldadura segundo as características específicas do material e os requisitos de soldadura para obter a xeometría ideal do baño de soldadura.
Figura 1. Diferentes formas de soldadura formadas por soldadura por condución térmica láser e soldadura por penetración profunda láser.
Ademais da potencia do láser e da velocidade de soldadura, as propiedades físicas térmicas do material, o estado da superficie, o gas protector e outros factores tamén terán un impacto na xeometría da piscina de soldadura. Por exemplo, canto maior sexa a condutividade térmica do material, máis rápida será a transferencia de calor a través del e máis rápida será a velocidade de arrefriamento da piscina fundida, o que pode resultar nun tamaño relativamente pequeno da piscina fundida. A rugosidade e a limpeza da superficie do material afectarán a taxa de absorción do láser e, a continuación, afectarán a formación e estabilidade da piscina fundida. Ademais, o tipo e o caudal do gas protector tamén terán un certo impacto na forma e calidade da piscina fundida. O gas protector axeitado pode evitar eficazmente que a piscina fundida se oxide e se contamine, pero tamén pode axustar a tensión superficial e as características de fluxo da piscina fundida, para mellorar a calidade da soldadura.
Figura 2. Forma da masa fundida cando o láser está a oscilar.
Ao cambiar a traxectoria do raio láser, a oscilación do láser pode afectar significativamente a forma e as características da piscina fundida, como se mostra na Figura 2. A medida que o raio láser oscila, a forma da piscina fundida faise máis uniforme e estable. O raio láser oscilante crea unha área quentada máis ampla na superficie da piscina, facendo que os bordos da piscina sexan máis suaves e reducindo os bordos afiados e as formas irregulares. Este quecemento uniforme axuda a mellorar a calidade e as propiedades mecánicas da unión soldada e a reducir defectos de soldadura como gretas e poros. Ademais, a oscilación do láser tamén pode aumentar a fluidez da piscina fundida, promover a descarga de gases e impurezas na piscina fundida e mellorar aínda máis a densidade e a uniformidade da unión soldada.
Dinámica de pozas fundidas
A termodinámica da piscina de soldadura é outro campo clave na investigación da soldadura por láser, que implica a absorción, transferencia e conversión da enerxía láser na piscina de soldadura, así como a distribución do campo de temperatura, a velocidade de arrefriamento e o comportamento de transición de fase causado por ela. As características termodinámicas da piscina de soldadura non só determinan a forma e o tamaño da piscina de soldadura, senón que tamén afectan directamente á microestrutura e ás propiedades mecánicas da unión soldada.
No proceso de soldadura por láser, despois de que o material absorba a enerxía láser, prodúcese unha zona de alta temperatura na piscina de material fundido, o que provoca que o material se funda e se evapore. Ao mesmo tempo, a calor transfírese da rexión de alta temperatura á rexión de baixa temperatura a través da condución térmica, a convección e a radiación, de xeito que a temperatura do material arredor da piscina de material fundido aumenta e afecta á microestrutura e ás propiedades do material. Debido ao pequeno tamaño, ao gran gradiente de temperatura e á rápida velocidade de arrefriamento da piscina de material fundido, é moi difícil medir directamente o campo de temperatura e a velocidade de arrefriamento. Polo tanto, a maioría dos estudos realízanse para estudar as propiedades termodinámicas das piscinas de material fundido mediante o establecemento de modelos matemáticos e métodos de simulación numérica.
No modelo termodinámico da piscina fundida, adoitan ser necesarios considerar os seguintes factores clave: en primeiro lugar, o mecanismo de absorción da enerxía láser, incluíndo as características de reflexión, absorción e transmisión da superficie do material, e o proceso de dispersión e absorción do láser dentro do material. Os diferentes materiais e parámetros do láser darán lugar a diferentes taxas de absorción e distribucións de enerxía, o que afectará o comportamento termodinámico da piscina fundida. En segundo lugar, as propiedades físicas térmicas do material, como a capacidade calorífica específica, a condutividade térmica, a densidade, etc., estes parámetros cambiarán co cambio de temperatura, o que ten un impacto importante no proceso de transferencia de calor. Ademais, tamén é necesario considerar o fluxo de fluídos e os procesos de cambio de fase na piscina fundida, como a fusión, a evaporación e a solidificación, que cambiarán a forma e a distribución do campo de temperatura da piscina fundida, pero tamén afectarán a microestrutura e as propiedades mecánicas do material.
Mediante simulación numérica e estudo experimental, os investigadores descubriron que a distribución do campo de temperatura na piscina de metal fundido adoita presentar unha non uniformidade significativa, a área de alta temperatura concéntrase principalmente na área de acción do láser e no burato da fechadura, e a temperatura diminúe gradualmente ata o bordo da piscina de metal fundido e a zona afectada pola calor. A velocidade de arrefriamento aumenta coa diminución do tamaño da piscina de metal fundido e o aumento da distancia á área do láser. En xeral, a velocidade de arrefriamento é menor no centro da piscina de metal fundido e na área do burato da fechadura, mentres que a velocidade de arrefriamento é maior no bordo da piscina de metal fundido e na zona afectada pola calor, como se mostra na Figura 2. Este campo de temperatura non uniforme e a distribución da velocidade de arrefriamento levarán a cambios de gradiente obvios na microestrutura da unión soldada, como o tamaño do gran, a composición e a distribución de fases, o que afectará as propiedades mecánicas e a resistencia á corrosión da unión soldada.
Figura 3. Resultados da simulación da formación de buratos de chave fundida e de charcas fundidas durante a soldadura por penetración profunda con láser de chapa de aceiro inoxidable.
Co fin de mellorar as características termodinámicas da piscina de metal fundido, mellorar a calidade da soldadura e reducir os defectos de soldadura, propuxéronse unha serie de métodos e medidas de optimización. Por exemplo, axustando os parámetros do láser, como a potencia do láser, a velocidade de soldadura, o diámetro do punto, etc., pódese cambiar o modo de entrada e a distribución da enerxía láser para optimizar o campo de temperatura e a velocidade de arrefriamento da piscina de metal fundido. Ademais, o comportamento termodinámico e a evolución da microestrutura da piscina de metal fundido pódense axustar mediante prequecemento, posquecemento, soldadura multipasada e outros métodos de proceso, así como mediante o uso de diferentes gases protectores e atmosferas de soldadura. Ao mesmo tempo, o desenvolvemento de novos materiais de soldadura e sistemas de aliaxes para mellorar a estabilidade térmica e o rendemento de soldadura dos materiais tamén é unha das formas importantes de mellorar as características termodinámicas das piscinas de metal fundido.
As características da piscina de soldadura láser son os factores clave que afectan á calidade da soldadura, á microestrutura e ás propiedades mecánicas. O estudo en profundidade da xeometría e das características termodinámicas da piscina de soldadura láser é de grande importancia para optimizar o proceso de soldadura láser e mellorar a eficiencia e a calidade da soldadura. A través dun gran número de investigacións experimentais e análises de simulación numérica, os investigadores acadaron unha serie de importantes resultados de investigación, que proporcionan un sólido apoio teórico e orientación técnica para o desenvolvemento e a aplicación da tecnoloxía de soldadura láser. Non obstante, aínda existen algunhas deficiencias na investigación actual, como a simplificación do modelo e demasiadas suposicións, e a predición das características da piscina de fusión en condicións de traballo complexas non é o suficientemente precisa. É necesario mellorar a investigación experimental sistemática e exhaustiva, e hai unha falta de investigación en profundidade sobre máis materiais e parámetros de soldadura.
Data de publicación: 28 de febreiro de 2025
