Sudarea cu laser este din ce în ce mai utilizată într-o gamă largă de aplicații industriale datorită caracteristicilor sale remarcabile, cum ar fi densitatea de energie ridicată, precizie ridicată, viteză mare, flexibilitate ridicată pentru sudarea componentelor tridimensionale, precum și producerea unei suduri cu un raport de aspect ridicat a adâncimii sudurii la lățime. În această secțiune, vor fi furnizate informații generale despre sudarea cu laser, inclusiv elementele fundamentale ale mecanismelor fizice care apar în sudarea cu laser și parametrii cheie utilizați în general și avantajele acesteia pentru industrie.

Introducere

În sudarea cu laser, un fascicul laser este folosit ca sursă de căldură. În comparație cu alte tehnologii de sudare prin fuziune, densitatea de energie utilizată în sudarea cu laser este similară cu sudarea cu fascicul de electroni, dar mai mare decât sudarea cu gaz și sudarea cu arc, așa cum se arată în Fig. 1. În această secțiune, conținutul va acoperi fundamentele fizice ale sudării cu laser, parametrii influențați în sudarea cu laser, avantajele și dezavantajele acesteia și potențialele aplicații industriale.

Mecanisme fizice în sudarea cu laser

Principiul sudării cu laser este utilizarea unui fascicul laser ca sursă de căldură pentru a provoca procese de încălzire (topire) și răcire (solidificare) în materialele de sudură. Interacțiunea dintre un fascicul laser și un material de sudură este ilustrată schematic în Fig. 2. Profilul său de ciclu termic în materialele de sudură depinde de cantitatea de căldură introdusă și de ratele de încălzire/răcire aplicate în sudarea cu laser. Efectele metalurgice ale materialelor de sudură vor apărea și vor afecta calitatea sudurii datorită transformărilor de fază induse de procesele de încălzire și răcire. Figura 3 prezintă relația dintre profilele termice și efectele metalurgice în sudarea cu laser a oțelului de structură.

Sudarea cu laser poate fi împărțită în sudare în modul de conducție și sudare în modul keyhole, așa cum se arată în Fig. 4. În general, ele pot fi distinse cu ușurință în funcție de raportul lor de aspect dintre adâncimea sudurii și lățime sau de temperatura de vârf care apare în sudarea cu laser (Martukanitz 2005). În sudarea în modul de conducție, Fig. 4a, densitatea de energie a fasciculului laser este sub 10⁶ W/cm² și temperaturile de proces din baia de topire sunt între punctul său de topire și punctul de fierbere. În plus, raportul său de aspect dintre adâncimea sudurii și lățime este de obicei de aproximativ 0,5. În contrast, o keyhole va fi formată în timpul sudării cu laser. Acest lucru se datorează faptului că densitatea de energie a fasciculului laser (mai mult de 10⁶ W/cm²) utilizată în sudarea în modul keyhole este suficient de mai mare pentru vaporizarea materialelor de sudură și, prin urmare, formează o keyhole și plasmă, așa cum se arată în Fig. 4b. Un raport de aspect mai mare dintre adâncimea sudurii și lățime (mai mare de 0,5) va fi obținut în sudarea în modul keyhole, deoarece reflexiile multiple ale fasciculului laser cauzate pe pereții keyhole pot îmbunătăți absorbția de energie. Temperatura de vârf care apare în acest mod este de obicei mai mare decât punctul de fierbere al materialului de sudare.

În ceea ce privește profilele termice din materialele de sudură, trei zone metalurgice diferite sunt, în general, definite și denumite ca zonă de fuziune (FZ = fusion zone), zonă afectată de căldură (HAZ = heat-affected zone) și material de bază (BM = base material), așa cum este indicat în Fig. 2. În timpul sudării cu laser, temperatura de vârf a materialului de sudură are loc în FZ și de obicei este mai mare decât punctul său de topire sau chiar punctul de fierbere. Se va forma o keyhole și materialul de sudură va fi vaporizat dacă temperatura de vârf a materialului de sudură este mai mare decât punctul său de fierbere. În mod normal, temperaturile în HAZ se situează între punctul de topire al materialelor de sudură și temperatura camerei, ceea ce poate induce transformări de fază care duc la modificări ale microstructurii și ale proprietăților mecanice.

Parametrii influențați

Parametrii sudării cu laser pot fi clasificați în parametrii sistemului laser, parametrii materialului de sudură și parametrii de procesare, așa cum se arată în Fig. 5. Fiecare parametru joacă un rol în determinarea performanței sudării și a calității sudurii. Dar, parametrii sistemului laser nu pot fi modificați odată ce un sistem laser a fost ales înainte de sudarea cu laser. Pe baza parametrilor materialelor utilizate în dezvoltarea procesului de sudare cu laser, parametrii de procesare vor fi variați într-un interval pentru a optimiza procesul. În secțiunile următoare, se va prezenta pe scurt rolul fiecărui parametru în sudarea cu laser.

Parametrii sistemului laser

Puterea maximă a laserului este un indice pentru a prezice capacitatea unui sistem laser utilizat în procesele laser. Un sistem laser cu o putere maximă mai mare oferă o fereastră largă de lucru în ceea ce privește tipul de material, grosimea materialului de sudat, precum și o viteză mai mare de sudare care poate fi utilizată în sudarea cu laser. Cu excepția puterii maxime de ieșire a laserului, calitatea fasciculului laser și lungimea sa de undă sunt alți parametri tehnici importanți care determină unde poate fi aplicat un sistem laser și ce calitate a sudurii poate fi atinsă. În general, o calitate mai bună a fasciculului laser oferă un diametru de focalizare a fasciculului laser mai mic, rezultând o densitate de energie mai mare și o sudură în modul keyhole. În ceea ce privește lungimea de undă a fasciculului laser, aceasta afectează și ea performanța de sudare. Relația dintre lungimea de undă a fasciculului laser, reflectivitatea energiei laser, și tipul de material este arătată în Fig. 6.

Metoda de livrare a puterii laser poate fi clasificată în moduri cu undă continuă (CW = continuous wave) și undă pulsată (PW = pulsed wave). În sudarea cu laser mod CW, puterea laser utilizată este menținută la aceeași valoare. Altminteri, puterea laserului poate fi variată în timp pe durata sudării laser PW, în funcție de setările tipului de undă pulsată, puterea medie a laserului, puterea de vârf, durata și frecvența impulsului etc. Sudarea laser PW, utilizată de obicei în aplicații, necesită un control precis al aportului de căldură și al ratelor de încălzire/răcire. Însă, sudarea cu laser CW este utilizată mai pe scară largă în industrie. În comparație cu sudarea PW, avantajele sudării cu laser CW sunt costul său scăzut de investiție, capacitatea de a efectua o sudare la viteză mai mare și un aspect mai bun al sudurii.

Proprietăţile materialului de sudare

În general, proprietățile materialului de sudare pot fi considerate ca factori pentru a determina setările parametrilor de prelucrare. Această parte va fi discutată în secțiunea următoare. Înainte de efectuarea sudării cu laser, tipul materialului de sudură și grosimea acestuia sunt primii parametri care trebuie verificați înainte de a seta alți parametri de prelucrare. De exemplu, grosimea materialului de sudură va afecta setarea puterii laserului, viteza de sudare sau chiar numărul de treceri de sudare. Materialele mai groase pot avea nevoie de o sudură în mai multe treceri sau o sudură în mod keyhole pentru a obține o sudură de penetrare în comparație cu sudarea unui material mai subțire, cum ar fi o folie, prin utilizarea unei suduri în mod de conducție.

În ceea ce privește tipul materialului de sudură, trebuie luate în considerare proprietățile sale optice, fizice și mecanice. Proprietățile optice ale materialului de sudare, cum ar fi reflectivitatea luminii laser, vor influența stabilitatea procesului și eficiența sudării. Proprietățile fizice și chimice ale materialului de sudare joacă, de obicei, un rol în determinarea performanței sudării cu laser și a calității sudurii. Din aceste motive, conductivitatea termică, densitatea, difuzivitatea și absorbția unui fascicul laser sunt de obicei luate în considerare, deoarece pot afecta distribuția căldurii în materialele de sudare. În plus, un material cu o conductivitate termică ridicată sau o absorbție scăzută va scădea eficiența sudării cu laser. În același timp, eficiența sudării poate fi afectată de absorbția materialului a fasciculului laser. Absorbția depinde de tipul materialului și de lungimea de undă a fasciculului laser, așa cum se arată în Fig. 6. De exemplu, aliajele de Al și Cu au fost recunoscute ca materiale cu absorbție mai scăzută în comparație cu alte materiale metalice atunci când lungimea de undă a fasciculului laser este dincolo de domeniul infraroșu.

Parametrii de procesare

În sudarea cu laser, parametrii de procesare pot fi, în general, puterea laserului, viteza de sudare, poziția punctului focal al fasciculului laser, tipul gazului de protecție și configurarea acestuia etc. Puterea laserului și viteza de sudare sunt doi parametri principali de procesare care pot afecta cantitatea aportului de căldură livrat materialelor de sudare. Performanțele de sudare, cum ar fi geometria sudurii, defectele de sudură și macro/microsegregările în suduri, pot fi diferite în funcție de cantitatea totală de energie termică care a fost absorbită și transferată în materialele de sudare. Cantitatea aportului de căldură aplicată în sudarea cu laser este modificată prin creșterea puterii laserului sau scăderea vitezei de sudare atunci când sunt păstrați alți parametri. Dacă este dată grosimea materialului de sudură, puterea laserului va fi crescută odată cu creșterea vitezei de sudare.

În loc de a varia puterea laserului sau viteza de sudare, localizarea punctului focal al fasciculului laser în diferite poziții este o altă modalitate de a modifica cantitatea aportului de căldură aplicată materialelor de sudare. Acest lucru se datorează faptului că densitatea de energie și dimensiunea fasciculului laser iradiat pe suprafața superioară a materialelor de sudare vor fi diferite atunci când punctul focal al fasciculului laser este situat în poziții diferite (adică deasupra, pe, și sub suprafața superioară a materialelor de sudare), așa cum este ilustrat în Fig. 7.

Funcția gazului de protecție utilizat în sudarea cu laser este de a proteja baia de topire de oxidare, de a suprima plasma formată deasupra băii de topire, precum și de a evita deteriorarea optică a lentilei din cauza stropilor în timpul sudării. Tabelul 1 rezumă proprietățile fizice ale diferitelor gaze de protecție utilizate în mod obișnuit în sudarea cu laser. În funcție de materialele care trebuie sudate, alegerea gazului de protecție, debitul gazului de protecție, diametrul duzei și configurarea dispozitivului de gaz de protecție (Fig. 8) trebuie optimizate pentru a obține suduri bune. În prezent, gazele heliu, argon și azot sunt utilizate frecvent în sudarea cu laser.

Configurații de sudare cu laser

Deoarece sudarea cu laser este un proces de sudare fără contact, este potrivită pentru sudarea materialelor în diverse configurații, așa cum este ilustrat în Fig. 9. Cu excepția parametrilor menționați în secțiunile anterioare, parametrii individuali trebuie să fie în atenție la sudarea diferitelor configurații. În sudarea prin suprapunere cu laser, un spațiu între plăcile de sus și de jos va afecta calitatea sudurii. De exemplu, aplicarea unui spațiu adecvat între plăcile superioare și inferioare a redus formarea porozității în sudare și, prin urmare, a îmbunătățit calitatea sudurii în sudarea prin suprapunere cu laser a oțelurilor acoperite cu Zn (Amo și colab. 1996; Graham și colab. 1996; Li). et al. 2007).

Defecte de sudare cu laser

În sudarea cu laser, ratele de încălzire și răcire vor provoca variații ale compozițiilor chimice, distribuțiilor tensiunilor și transformări de fază în FZ și HAZ, ducând la formarea de defecte în suduri. Aceste defecte pot fi fisurarea, porozitatea, pierderea elementelor de aliaj și microsegregarea. Formarea fisurii are loc de obicei atunci când intervalul de temperatură lichidus a materialului de sudare este larg sau microsegregare. Atunci când un material are o gamă largă de temperaturi lichidus, solidificarea în diferite locații ale unei suduri poate avea loc la momente diferite în timpul sudării cu laser. Acest fenomen va induce distribuții neuniforme ale tensiunilor pe o sudură și fracturi care duc la inițierea defecțiunii în medii de oboseală.

Porozitatea sudurii este o altă problemă comună în sudarea cu laser, în special pentru sudarea metalelor ușoare, cum ar fi aliajele de aluminiu și aliajele de titan. Mecanismele de formare a porozității sudurii se pot datora vitezei rapide de solidificare în FZ și unei închideri rapide a keyhole în sudarea cu laser, așa cum este ilustrat în Fig. 10a, respectiv b. În Fig. 10a, gazul de protecție folosit sau aerul nu pot părăsi keyhole înainte ca FZ să se solidifice. Se datorează naturii ratelor rapide de încălzire și răcire în sudarea cu laser. Acest tip de porozitate se găsește de obicei în mijlocul sudurilor. Un alt motiv care poate cauza porozitatea se datorează unei băi de topire instabile în timpul sudării cu laser. Peretele frontal al unei keyhole cade ușor, în special pentru acele materiale care au tensiune superficială și vâscozitate scăzute și, prin urmare, formează un gol în vârful sudurii, așa cum se arată în Fig. 10b. În mod normal, porozitatea sudurii va induce concentrații de tensiuni conducând la defecțiuni timpurii ale sudurilor.

În sudarea mod keyhole cu laser, materialele topite pot fi scoase din keyhole prin forțe de vaporizare, așa cum este surprins în Fig. 11. Influențele generale ale stropilor sunt degradarea rezistenței la coroziune și asamblarea nereușită cu alte componente după sudarea cu laser. Un exemplu de stropire formată pe suprafața superioară a unei suduri este prezentat în Fig. 12. Remediile tipice pentru minimizarea formării stropilor sunt optimizarea parametrilor de procesare (de exemplu, puterea laserului, viteza de sudare, tipul gazului de protecție) și utilizarea materialelor de umplere.