El nivel de presión debe optimizarse finamente en función de parámetros como el material de soldadura, la potencia del láser, la velocidad de soldadura, el tipo de boquilla y la distancia. Su influencia se manifiesta principalmente en los siguientes aspectos:
La influencia en el efecto de protección de la costura de soldadura
Baja presión de aire
Protección insuficiente: El flujo y la presión del gas son insuficientes para expulsar eficazmente el aire debajo de la boquilla, lo que resulta en el arrastre de aire, la oxidación y la nitruración del metal de soldadura. La superficie de la soldadura aparecerá de color amarillo oscuro, azul o incluso negro. En casos severos, ocurrirán defectos como poros e inclusiones de escoria, y la tenacidad y la resistencia de la soldadura disminuirán significativamente.
Fallo de blindaje: Incapaz de suprimir eficazmente el plasma, el plasma se expande excesivamente, absorbe y dispersa la energía del láser, lo que resulta en una disminución de la profundidad de penetración de la soldadura o incluso en la incapacidad de continuar el proceso de soldadura (la soldadura no penetra).
Presión de aire excesiva
Formación de turbulencias: El flujo de aire excesivo cambiará de flujo laminar a flujo turbulento, atrayendo así el aire circundante al área protegida, interrumpiendo el efecto protector del gas y también causando la oxidación de la soldadura.
Interferencia con el baño de fusión: El flujo de aire de alta velocidad ejercerá un fuerte impacto en la superficie del baño de fusión, lo que puede hacer que el baño de fusión vibre y salpique, lo que resulta en una formación de soldadura irregular, una superficie rugosa e incluso una acumulación o penetración de la soldadura (especialmente en la soldadura de placas delgadas).
2. Efectos en la formación de la soldadura y la profundidad de penetración
Presión moderada: Puede suprimir eficazmente el plasma y asegurar que la energía del láser se introduzca eficientemente en la pieza de trabajo, logrando así la profundidad de penetración máxima y estable. Al mismo tiempo, el flujo de aire estable ayuda a formar una superficie de soldadura lisa, continua y estéticamente agradable.
Baja presión de aire: Debido al efecto de blindaje del plasma, la energía efectiva del láser disminuye y la profundidad de penetración se vuelve más superficial.
Presión excesiva: Aunque puede dispersar el plasma de manera más efectiva, puede aumentar ligeramente la profundidad de penetración de la soldadura. Sin embargo, el efecto más significativo es que la fuerza de soplado del flujo de aire sobre el líquido fundido cambiará la geometría de la soldadura, haciéndola más ancha, reduciendo la altura de la soldadura e incluso formando una penetración de soldadura en forma de "dedo", lo que no es propicio para las propiedades mecánicas.
3. Impacto en los defectos de soldadura
Porosidad: La porosidad es uno de los defectos más comunes en la soldadura láser. La presión adecuada ayuda a descargar suavemente el vapor de metal y las pequeñas burbujas generadas durante el proceso de soldadura del baño de fusión, reduciendo así la formación de porosidad.
La presión del aire es demasiado baja y la capacidad de barrido del gas protector es débil, lo que dificulta la descarga de los gases en el baño de fusión.
La presión excesiva causa turbulencias e interrupciones en el baño de fusión, lo que puede, en cambio, hacer que el gas sea arrastrado al baño de fusión o interrumpir el proceso de escape normal, aumentando así la tendencia a los poros de gas.
Salpicaduras: La presión excesiva es una de las principales causas de las salpicaduras. El flujo de aire de alta velocidad impacta en el baño de fusión, soplando las partículas de metal fundido lejos del baño y rociándolas sobre la superficie de la pieza de trabajo. Esto no solo contamina la pieza de trabajo y afecta su apariencia, sino que también conduce a la pérdida del material base de la costura de soldadura, lo que resulta en defectos como socavados y picaduras, y reduce el área de soporte efectiva de la costura de soldadura.
III. Cómo seleccionar y optimizar la presión de aire
Tipo de gas: El helio (He) tiene una alta energía de ionización y proporciona el mejor efecto de supresión para el plasma; la presión requerida puede ser relativamente más baja. El argón (Ar) es más pesado y ofrece una buena protección, pero tiene una capacidad más débil para suprimir el plasma; a veces se necesita una presión ligeramente más alta para compensar. El nitrógeno (N₂) es adecuado para ciertos aceros específicos, pero generalmente no se usa para aleaciones de aluminio, aceros de alta aleación, etc.
Diseño de la boquilla: El diámetro, la altura y el ángulo de la boquilla determinan el campo de flujo de gas y el área de cobertura. Las boquillas con diámetros más grandes generalmente requieren una mayor presión y caudal para mantener una cortina de gas protectora adecuada.
Parámetros de soldadura: La alta potencia del láser y la alta velocidad de soldadura generarán más vapor de metal y plasma, y generalmente se requiere una presión más alta para controlarlo eficazmente.
Depuración práctica: La presión óptima generalmente se determina a través de experimentos de proceso (DoE). Después de fijar todos los demás parámetros, cambiando el valor de la presión, observe la formación, el color de la costura de soldadura, pruebe su tasa de porosidad y propiedades mecánicas, y así encuentre el rango óptimo.
En conclusión, la presión del gas protector es un parámetro crucial que debe controlarse finamente en el proceso de soldadura láser. Una presión insuficiente conducirá a una protección inadecuada, fallas en el blindaje del plasma y una profundidad de soldadura más superficial; una presión excesivamente alta causará turbulencias, interferencia en el baño de fusión y un aumento de las salpicaduras. Solo al comprender completamente su mecanismo de acción, combinando materiales, equipos y parámetros de proceso específicos, y a través de experimentos sistemáticos para encontrar un rango de presión apropiado y estable, se pueden maximizar los efectos positivos del gas protector y obtener costuras de soldadura láser de alta calidad con una hermosa formación, un rendimiento excelente y sin defectos. Por lo tanto, el control preciso del tamaño de la presión es una habilidad necesaria para lograr una producción de soldadura láser de alta calidad.