Conceptes bàsics de la soldadura làser
La soldadura làser és un procés sense contacte que requereix accés a la zona de soldadura des d'un costat de les peces que s'estan soldant.
• La soldadura es forma a mesura que la intensa llum làser escalfa ràpidament el material, un temps que normalment es calcula en mil·lisegons.
• Normalment hi ha 3 tipus de soldadures:
– Mode de conducció.
– Mode de conducció/penetració.
– Mode de penetració o de ull de pany.
• La soldadura en mode de conducció es realitza a baixa densitat d'energia formant una peça de soldadura poc profunda i ampla.
• El mode de conducció/penetració es produeix a una densitat d'energia mitjana i mostra més penetració que el mode de conducció.
• La soldadura en penetració o en mode de forat de pany es caracteritza per soldadures estretes i profundes.
– En aquest mode, la llum làser forma un filament de material vaporitzat conegut com a "forat de pany" que s'estén dins del material i proporciona un conducte perquè la llum làser es pugui lliurar de manera eficient al material.
– Aquest subministrament directe d'energia al material no depèn de la conducció per aconseguir la penetració, i per tant minimitza la calor al material i redueix la zona afectada per la calor.
Soldadura per conducció
• La unió per conducció descriu una família de processos en què el feix làser s'enfoca:
– Per donar una densitat de potència de l'ordre de 10³ Wmm⁻²
– Fusiona material per crear una unió sense vaporització significativa.
• La soldadura per conducció té 2 modes:
– Escalfament directe
– Transmissió d'energia.
Calor directe
• Durant l'escalfament directe,
– el flux de calor es regeix per la conducció tèrmica clàssica des d'una font de calor superficial i la soldadura es fa fonent porcions del material base.
• Les primeres soldadures per conducció es van fer a principis dels anys seixanta, utilitzant robí pulsat de baixa potència i CO2 làsers per a connectors de cables.
• Les soldadures per conducció es poden fer en una àmplia gamma de metalls i aliatges en forma de filferros i làmines primes en diverses configuracions utilitzant.
- CO2 , làsers de Nd:YAG i de díode amb nivells de potència de l'ordre de desenes de watts.
– Escalfament directe mitjançant un CO2 El feix làser també es pot utilitzar per a soldadures de solapament i a topall en làmines de polímer.
Soldadura per transmissió
• La soldadura per transmissió és un mitjà eficient per unir polímers que transmeten la radiació infraroja propera dels làsers Nd:YAG i de díode.
• L'energia s'absorbeix mitjançant nous mètodes d'absorció interfacial.
• Els materials compostos es poden unir sempre que les propietats tèrmiques de la matriu i el reforç siguin similars.
• El mode de transmissió d'energia de la soldadura per conducció s'utilitza amb materials que transmeten radiació infraroja propera, en particular polímers.
• Es col·loca una tinta absorbent a la interfície d'una junta de solapament. La tinta absorbeix l'energia del feix làser, que es condueix a un gruix limitat del material circumdant per formar una pel·lícula interfacial fosa que se solidifica com a unió soldada.
• Les unions de solapament de secció gruixuda es poden fer sense fondre les superfícies exteriors de la junta.
• Les soldadures a topall es poden fer dirigint l'energia cap a la línia d'unió en angle a través del material d'un costat de la unió, o des d'un extrem si el material és altament transmissiu.
Soldadura i soldadura per làser
• En els processos de soldadura i brasatge làser, el feix s'utilitza per fondre un farciment, que mulla les vores de la unió sense fondre el material base.
• La soldadura làser va començar a guanyar popularitat a principis dels anys vuitanta per unir els cables dels components electrònics a través de forats en plaques de circuits impresos. Els paràmetres del procés estan determinats per les propietats del material.
Soldadura làser de penetració
• A densitats de potència elevades, tots els materials s'evaporaran si es pot absorbir l'energia. Per tant, quan es solda d'aquesta manera, normalment es forma un forat per evaporació.
• Aquest "forat" es travessa el material amb les parets foses segellant-se darrere.
• El resultat és el que es coneix com a "soldadura de forat de pany". Aquesta es caracteritza per la seva zona de fusió de costats paral·lels i la seva amplada estreta.
Eficiència de la soldadura làser
• Un terme per definir aquest concepte d'eficiència es coneix com a "eficiència d'unió".
• L'eficiència d'unió no és una eficiència real, ja que té unitats de (mm2 units /kJ subministrats).
– Eficiència = Vt/P (el recíproc de l'energia específica en el tall) on V = velocitat de desplaçament, mm/s; t = gruix soldat, mm; P = potència incident, kW.
Eficiència d'unió
• Com més alt sigui el valor de l'eficiència d'unió, menys energia es gastarà en escalfament innecessari.
– Zona afectada per la calor inferior (ZAT).
– Menor distorsió.
• La soldadura per resistència és més eficient en aquest sentit perquè l'energia de fusió i HAZ només es genera a la interfície d'alta resistència que s'ha de soldar.
• El làser i el feix d'electrons també tenen bones eficiències i altes densitats de potència.
Variacions del procés
• Soldadura làser augmentada per arc.
– L'arc d'una torxa TIG muntada a prop del punt d'interacció del feix làser es fixarà automàticament al punt calent generat pel làser.
– La temperatura necessària per a aquest fenomen és d'uns 300 °C per sobre de la temperatura circumdant.
– L'efecte és o bé estabilitzar un arc que és inestable a causa de la seva velocitat de desplaçament o bé reduir la resistència d'un arc que és estable.
– El bloqueig només es produeix per arcs amb un corrent baix i, per tant, un doll de càtode lent; és a dir, per a corrents inferiors a 80 A.
– L'arc es troba al mateix costat de la peça que el làser, cosa que permet duplicar la velocitat de soldadura amb un augment modest del cost de capital.
• Soldadura làser de doble feix
– Si s'utilitzen 2 feixos làser simultàniament, hi ha la possibilitat de controlar la geometria del bany de soldadura i la forma del cordó de soldadura.
– Utilitzant 2 feixos d'electrons, es va poder estabilitzar el forat de la clau, cosa que va provocar menys ones al bany de soldadura i va donar una millor penetració i forma del cordó.
– Un excímer i CO2 La combinació de feixos làser va mostrar un acoblament millorat per a la soldadura de materials d'alta reflectivitat, com l'alumini o el coure.
– L'acoblament millorat es va considerar principalment a causa de:
• alteració de la reflectivitat per ondulació superficial causada per l'excímer.
• un efecte secundari derivat de l'acoblament a través del plasma generat per excímer.
