Mini Enciclopedia: Principio e aplicacións do proceso de soldadura láser
Niveis de enerxía
A materia está composta de átomos, e os átomos constan dun núcleo e electróns. Os electróns orbitan arredor do núcleo. A enerxía dos electróns dun átomo non é arbitraria.
A mecánica cuántica, que describe o mundo microscópico, dinos que os electróns ocupan niveis de enerxía fixos. Os diferentes niveis de enerxía correspóndense con diferentes enerxías de electróns: as órbitas máis afastadas do núcleo teñen maior enerxía.
Ademais, cada órbita pode conter un número máximo de electróns. Por exemplo, a órbita máis baixa (a máis próxima ao núcleo) pode conter ata 2 electróns, mentres que as órbitas máis altas poden conter ata 8 electróns, e así sucesivamente.
Transición
Os electróns poden pasar dun nivel de enerxía a outro absorbendo ou liberando enerxía.
Por exemplo, cando un electrón absorbe un fotón, pode saltar dun nivel de enerxía inferior a un superior. Do mesmo xeito, un electrón a un nivel de enerxía superior pode caer a un nivel inferior emitindo un fotón.
Nestes procesos, a enerxía do fotón absorbido ou emitido sempre é igual á diferenza de enerxía entre os dous niveis. Dado que a enerxía fotónica determina a lonxitude de onda da luz, a luz absorbida ou emitida ten unha cor fixa.
Principio da xeración láser
Absorción estimulada
A absorción estimulada ocorre cando os átomos nun estado de baixa enerxía absorben radiación externa e pasan a un estado de alta enerxía. Os electróns poden saltar de niveis de enerxía baixos a altos absorbendo fotóns.
Emisión estimulada
A emisión estimulada significa que os electróns a un nivel de enerxía alto, baixo a "estimulación" ou "indución" dun fotón, pasan a un nivel de enerxía baixo e emiten un fotón coa mesma frecuencia que o fotón incidente.
A característica clave da emisión estimulada é que o fotón xerado é idéntico ao orixinal: mesma frecuencia, mesma dirección e completamente indistinguible. Deste xeito, un fotón convértese en dous fotóns idénticos mediante un proceso de emisión estimulada. Isto significa que a luz se fortalece ou se amplifica, o principio básico da xeración láser.
Emisión espontánea
A emisión espontánea ocorre cando os electróns a un nivel de enerxía alto caen a un nivel inferior sen influencia externa, emitindo luz (radiación electromagnética) durante a transición. A enerxía dos fotóns é E=E2−E1, a diferenza de enerxía entre os dous niveis.
Condicións para a xeración de láser
Medio de ganancia láser
A xeración de láser require un medio de ganancia axeitado, que pode ser gas, líquido, sólido ou semicondutor. A clave é lograr a inversión da poboación no medio, unha condición necesaria para a saída do láser. Os niveis de enerxía metaestables son moi beneficiosos para a inversión da poboación.
Fonte de bombeo
Para lograr a inversión de poboación, o sistema atómico debe ser excitado para aumentar o número de partículas no nivel de enerxía superior.
Os métodos comúns inclúen:
- Bombeo eléctrico: descarga de gas usando electróns de alta enerxía cinética
- Bombeo óptico: irradiación por fontes de luz pulsada
- Bombeo térmico, bombeo químico, etc.
Estes métodos denomínanse conxuntamente bombeo. É necesario un bombeo continuo para manter máis partículas no nivel superior que no nivel inferior para obter unha saída láser estable.
Resonador
Cun medio de ganancia e unha fonte de bombeo axeitados, pódese conseguir a inversión da poboación, pero a intensidade da emisión estimulada é demasiado débil para o seu uso práctico. Necesítase unha maior amplificación, que se proporciona mediante un resonador óptico.
Un resonador óptico consta de dous espellos altamente reflectantes colocados paralelamente en ambos extremos do láser:
- Un espello de reflexión total
- Un espello de reflexión parcial e transmisión parcial
O espello de reflexión total reflicte toda a luz incidente de volta ao longo da súa traxectoria orixinal. O espello de reflexión parcial reflicte os fotóns por debaixo dun certo limiar de enerxía de volta ao medio, mentres que os fotóns por riba do limiar transmítense cara a fóra como luz láser amplificada.
A luz oscila cara adiante e cara atrás no resonador, desencadeando unha reacción en cadea de emisión estimulada, amplificándose como unha avalancha para producir unha saída láser de alta intensidade.
Que é unha lámpada de bomba?
Unha lámpada de xenón é unha lámpada de descarga de gas inerte, normalmente con forma de tubo recto. Xeralmente consta de eléctrodos, un tubo de cuarzo e gas xenón (Xe) cheo.
Os eléctrodos están feitos de metal con alto punto de fusión, alta eficiencia de emisión de electróns e baixa pulverización catódica. O tubo da lámpada está feito de vidro de cuarzo de alta resistencia, alta temperatura e alta transmitancia, cheo de gas xenon.
Que é unha varilla láser Nd:YAG?
O Nd:YAG (granate de itrio e aluminio dopado con neodimio) é o material láser sólido máis empregado.
O YAG é un cristal cúbico con alta dureza, excelente calidade óptica e alta condutividade térmica. Os ións de neodimio trivalente substitúen algúns ións de itrio trivalente na rede cristalina, de aí o nome de granate de itrio e aluminio dopado con neodimio.
Características do láser
Boa coherencia
A luz procedente de fontes ordinarias é caótica en dirección, fase e tempo, e non se pode enfocar nun só punto nin sequera cunha lente.
A luz láser é moi coherente: ten unha frecuencia pura, propágase na mesma dirección en fase perfecta e pode enfocarse nun punto diminuto con enerxía altamente concentrada.
Excelente direccionalidade
O láser ten unha direccionalidade moito mellor que calquera outra fonte de luz, comportándose case como un feixe paralelo. Mesmo cando se apunta á Lúa (a uns 384.000 km de distancia), o diámetro do punto é de só uns 2 km.
Boa monocromaticidade
A luz láser procedente da emisión estimulada ten un rango de frecuencias extremadamente estreito. En termos sinxelos, o láser ten unha monocromaticidade excelente: a súa "cor" é extremadamente pura. A monocromaticidade é fundamental para as aplicacións de procesamento láser.
Alto brillo
A soldadura láser emprega a excelente direccionalidade e a alta densidade de potencia dos raios láser. O láser é enfocado nunha área pequena a través dun sistema óptico, formando unha fonte de calor altamente concentrada nun tempo moi curto, fundindo o material e formando puntos de soldadura e costuras estables.
Vantaxes da soldadura láser
En comparación con outros métodos de soldadura, a soldadura láser ofrece:
- Alta concentración de enerxía, alta eficiencia de soldadura, alta precisión e gran relación profundidade-ancho das soldaduras.
- Baixa entrada de calor, pequena zona afectada pola calor, mínima tensión residual e deformación.
- Soldadura sen contacto, transmisión flexible por fibra óptica, boa accesibilidade e alta automatización.
- Deseño de xuntas flexibles, aforrando materias primas.
- Enerxía controlable con precisión, resultados de soldadura estables e excelente aspecto da soldadura.
Procesos de soldadura láser para materiais metálicos
Aceiro inoxidable
- Pódense conseguir bos resultados con pulsos de onda cadrada ordinarios.
- Deseñar as unións para manter os puntos de soldadura lonxe de materiais non metálicos.
- Reserva unha área de soldadura e un grosor da peza de traballo suficientes para maior resistencia e aparencia.
- Asegúrese de que a peza de traballo estea limpa e que o ambiente sexa seco durante a soldadura.
Ligas de aluminio
- Unha alta reflectividade require unha alta potencia máxima do láser.
- Propenso a rachar durante a soldadura por puntos pulsados, o que reduce a resistencia.
- A composición do material pode causar salpicaduras; use materias primas de alta calidade.
- Mellores resultados con tamaño de punto grande e ancho de pulso longo.
Cobre e aliaxes de cobre
- Maior reflectividade que o aluminio; require unha potencia máxima do láser aínda maior.
- A cabeza do láser debe estar inclinada nun ángulo.
- As aliaxes de cobre (latón, cuproníquel, etc.) son máis difíciles de soldar debido aos elementos de aliaxe; requírese unha selección coidadosa dos parámetros.
Defectos comúns na soldadura láser e solucións
Os parámetros incorrectos ou o funcionamento inadecuado adoitan causar defectos de soldadura, incluíndo:
- Salpicaduras superficiais
- Porosidade interna da soldadura
- Gretas de soldadura
- Deformación da soldadura
Salpicaduras de soldadura
As salpicaduras débense principalmente a unha densidade de potencia láser excesivamente alta: a peza absorbe demasiada enerxía nun curto período de tempo, o que leva a unha vaporización grave do material e a unha reacción violenta en masa fundida.
As salpicaduras danan a aparencia, a precisión da montaxe e a resistencia da soldadura.
Causas
- Potencia máxima do láser excesivamente alta.
- Forma de onda de soldadura inapropiada, especialmente para materiais de alta reflectividade.
- Segregación de materiais que leva a unha alta absorción de enerxía local.
- Contaminación ou impurezas non metálicas na superficie da peza de traballo.
- Substancias de baixo punto de fusión entre ou debaixo das pezas de traballo, que xeran gas durante a soldadura.
- Estruturas ocas pechadas que provocan a expansión do gas e salpicaduras.
Solucións
- Optimizar os parámetros: reducir a potencia máxima ou usar formas de onda de pico.
- Empregar materias primas cualificadas e de alta calidade.
- Reforzar a limpeza previa á soldadura para eliminar aceite e impurezas.
- Optimizar o deseño da estrutura de soldadura.
Porosidade interna
A porosidade é o defecto máis común na soldadura láser. O ciclo térmico rápido e a curta vida útil da masa fundida impiden que o gas escape, formando poros.
Tipos comúns: poros de hidróxeno, poros de monóxido de carbono e poros de colapso en forma de burato de fechadura.
Gretas de soldadura
As gretas reducen gravemente a resistencia da soldadura e a súa vida útil. O rápido quecemento e arrefriamento da soldadura láser aumentan o risco de gretas.
A maioría das fendas da soldadura por láser son fendas en quente, comúns en aliaxes de aluminio e aceiros de alto carbono/alta aliaxe.
Prevención
- Para materiais fráxiles, engada formas de onda de prequecemento e arrefriamento lento para reducir as fisuras.
- Optimizar o deseño das unións para reducir a tensión de soldadura.
- Seleccionar materiais con menor tendencia á fisuración con rendemento equivalente.
Deformación da soldadura
A deformación adoita producirse en láminas delgadas, pezas de traballo de gran superficie ou soldadura por varios puntos, o que afecta á montaxe e ao rendemento. Está causada por unha entrada de calor desigual e unha expansión/contracción térmica inconsistente.
Solucións
- Optimizar os parámetros para reducir a entrada de calor: aumentar a potencia máxima e reducir o ancho do pulso.
- Baixar a velocidade de soldadura e a frecuencia de pulsos para reducir a calor por unidade de tempo.
- Optimizar a secuencia de soldadura para garantir un quecemento uniforme.
Data de publicación: 25 de febreiro de 2026
