Ventajas de la soldadura directa por láser de diodo
Una velocidad de alimentación promedio para una soldadura con rayo láser de CO2 de 4-5 kW es de 18-20 g/min de polvos de aleación de Ni y hasta 100 g/min de polvo de Ni-Cr para un láser de diodo de 6 kW. Hubo un intento de depositar una capa de una superaleación a base de Ni sobre una superficie de acero de baja aleación fundiendo una lámina precolocada con dimensiones de 8 mm por 50 mm por 0,9 mm usando un láser de CO2 de 10 kW con un integrador de haz único para obtener un punto de calor de 10 mm por 10 mm. Los depósitos, realizados con una velocidad de desplazamiento de 0,25-0,5 m/min, tenían una profundidad de penetración de hasta 3 mm.
El láser de diodo tiene una eficiencia eléctrica mucho mejor que los láseres tradicionales. Además, un láser NUVONYX produce un punto de calor caracterizado por una forma lineal, con unas dimensiones de 12 mm por 0,5 mm a una distancia focal media. La densidad de potencia más baja y el área de punto de calor más grande creada por una deposición de láser de diodo dan como resultado una penetración mínima del metal base y una apariencia de depósito uniforme.
En ese caso, la fuente de calor menos concentrada, el punto de calor del haz, retiene un volumen estable del baño fundido, mientras que la penetración del metal base es proporcionada principalmente por la entalpía del baño fundido. La energía del rayo láser de diodo es lo suficientemente alta como para derretir un cable delgado (0,9 mm (0,035 pulgadas)) y una tira de metal con una sección transversal cuatro veces mayor. Los experimentos han verificado que el procesamiento con láser de diodo puede lograr altas tasas de deposición con la alimentación de tiras.
Descripción del proceso
Un láser de diodo directo de alta potencia, como el NUVONYX – ISL-4000L, proporcionó una potencia de haz de salida de 4 kW a la pieza de trabajo instalada a una distancia focal de 3,74 pulgadas por debajo del cabezal del láser.
Parámetros del proceso: Velocidad de alimentación de la tira: 80-150 cm/min. Velocidad de desplazamiento: 10-20 cm/min. Gas de protección: Argón, 30 CFH. Tira: Súper aleación 625 con base de níquel, tamaño: 6 mm por 0,413 mm (0,236 por 0,016 pulgadas).
Metal base: ASTM A36, placas planas de 12 por 12 por 3/4 de pulgada.
La dirección de alimentación de la tira fue solo a través del punto de calor del rayo láser, =90. Se depositaron perlas rectas de una y varias capas para estudiar la viabilidad del nuevo proceso.
Resultados y discusión
Con la alimentación de la tira a lo largo del eje largo de la viga, el metal fundido se distribuyó uniformemente junto con el punto de calor de la viga. Por ejemplo, para una sección transversal de tira de 6 mm por 0,413 mm, se obtuvieron las siguientes dimensiones del baño de fusión:
- Ancho: 12 mm a 14 mm.
- Altura: 9 mm a 11 mm.
Se requiere una relación adecuada entre la velocidad de alimentación de la tira y la velocidad de desplazamiento para lograr una sección transversal uniforme del depósito. Si la velocidad de alimentación de la tira es insuficiente para una velocidad de desplazamiento dada, el depósito tiene una altura inferior y una forma irregular.
Para lograr una mejor formación del depósito en un rango más amplio de velocidades de avance y alimentación de la tira, es beneficioso un cambio en la orientación del punto de calor del haz a la dirección del avance, ángulo “a”. En ese caso, la dirección de alimentación de la tira hacia el punto de calor del haz (B = 90), pero el ancho de la zona fundida disminuye, y se puede formar un cordón uniforme a una tasa de alimentación de tira más baja o a una velocidad de desplazamiento más alta.
La superficie plana de la tira absorbe la energía del haz de forma más eficaz que la superficie cilíndrica de un alambre, de modo que la tira se puede calentar y fundir de forma eficaz con un amplio espacio libre para los ángulos de alimentación. En ese caso, la guía de la tira puede ser compacta y, con alimentación frontal y posterior, aumenta las posibilidades tecnológicas de la deposición por láser.
Alimentación frontal de la tira
Cuando la tira se alimenta por delante del baño de fusión, la dirección de alimentación es opuesta a la dirección de avance. En ese caso, hay dos puntos de orientación diferentes disponibles.
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La tira entra por dentro por la parte delantera de la piscina. Debido a que el espesor del baño de fusión en la dirección de alimentación de la tira no supera los 2 mm a 3 mm, la fusión/alimentación de la tira tiene un rango de velocidad de alimentación limitado. Para un tamaño de tira de 6 mm por 0,413 mm, que se utilizó en los experimentos, se logró un depósito de revestimiento uniforme a una velocidad de alimentación de tira de 80 cm a 140 cm/min. Por lo tanto, el ángulo de entrada de la tira en el baño de fusión y la ubicación de la fusión de la tira son parámetros esenciales.
Orientación B
La tira se derrite dentro del rayo láser sobre el baño de fusión. En este caso, el metal fundido se transfiere al baño de fusión mediante gotas. Por lo general, una o dos gotas se forman simultáneamente en la punta de la tira y fluyen hacia la piscina. Esas gotas generan una oscilación de la piscina, dando como resultado un cordón solidificado con finas ondulaciones. La tira debe introducirse dentro del baño de fusión para obtener un cordón uniforme. Debido a la ausencia de transferencia de gotas ya la reducida oscilación de la piscina, el cordón tiene un aspecto liso.
Con una mayor velocidad de alimentación de la tira, la sección transversal del cordón se vuelve más grande, alcanzando de 20 mm 2 a 22 mm 2 a una velocidad de alimentación de 140 cm/min a 150 cm/min).
La profundidad de penetración es muy superficial y muy uniforme. El área de penetración promedio para la máxima potencia del haz y una alta velocidad de alimentación es de 0,2 mm 2 a 0,4 mm 2, desviación: ±0,02 mm 2 . La sección transversal del cordón cambia con el aumento de la velocidad de desplazamiento. El cordón se vuelve más estrecho y más bajo para velocidades de alimentación de tiras de 130 cm/min y 150 cm/min. Una mayor velocidad de alimentación de la tira corresponde a un cordón más ancho a la misma velocidad de desplazamiento. Por lo tanto, una alimentación de tira más alta proporciona una sección transversal de cordón más grande.
Alimentación Trasera De La Tira
Es posible alimentar la tira desde detrás del rayo láser. En ese caso, los diferentes puntos de destino para la alimentación de tiras son:
- C – La tira se puede dirigir hacia la parte trasera superior del baño de fusión en un ángulo con el horizonte (y=10º a 15º), para proporcionar una fusión completa por la entalpía del baño.
- D – La tira se puede dirigir al rayo láser por encima del baño derretido (holgura: 0,035 pulgadas a 0,08 pulgadas (1 mm a 2 mm) con transferencia de gota desde la tira al baño.
- E – La alimentación de la tira se puede orientar paralela a la superficie superior de la piscina, tocando la piscina en su camino hacia el punto del rayo láser (sin espacio libre entre la tira y la piscina).
Orientación C
Cuando la tira se sumerge en la piscina, cambia las condiciones de temperatura en la piscina y hace que una «perla de piscina» frontal cristalizada se acerque a la tira debido al hundimiento del calor a la masa fría y al efecto de sombra. En ese caso, la tira se puede soldar (congelar) al cordón a través de una interrupción del proceso de deposición, o puede empujar el metal líquido a lo largo de la dirección del viaje, dependiendo de los parámetros del proceso y la ubicación del punto de destino relacionado con el rayo laser. Sin embargo, en los experimentos, no logramos una formación uniforme de la perla con una orientación C.
Orientación D
Con la masa fundida de la tira separada del baño de fusión y las gotas transferidas al baño de fusión, el rayo láser funde la tira y no causa ningún problema para la formación del baño. Esta orientación proporciona condiciones libres para que el baño de fusión se solidifique bajo la influencia de las fuerzas de tensión superficial.
Por lo tanto, cuando el metal de aporte es demasiado pequeño para una velocidad de desplazamiento determinada, el charco se contrae y forma un cordón con un ancho que es solo una parte de la zona fundida. Se notó un efecto similar con la alimentación de tira frontal. Cuando la tasa de fusión de la tira está cerca de lo normal, el cordón se caracteriza por una forma uniforme con ondas delicadas similares a las de la alimentación frontal.
Orientación E
Cuando la tira toca la superficie superior del baño de fusión, la tira actúa como cristalización deslizante. Soporta el metal líquido de la piscina en el medio de la zona fundida y proporciona una formación suave del cordón. Para esta orientación de la tira, se formaron perlas con una superficie lisa en una gama más amplia de parámetros de proceso y velocidades de alimentación de la tira más bajas.
Cuando no había suficiente metal fundido para obtener un depósito uniforme, una tira deslizante proporcionaba la formación precisa del cordón en el medio de la zona fundida.
La sección transversal del depósito alcanzó los 20 mm2, similar a la alimentación frontal, con una fusión máxima de la tira cercana a una velocidad de 27 g/min.
El proceso de deposición de la tira es muy sólido y requiere un ajuste preliminar mínimo de la guía de la tira y un control mínimo sobre la marcha. Cada cordón debe superponerse para la deposición sobre un área amplia en un 20 a 30 por ciento para obtener un perfil plano con un ancho máximo. Debido al enfriamiento rápido, es posible usar este proceso para depositar sobre superficies y bordes inclinados.
Se utilizaron muestras cortadas de perlas multicapa para el siguiente conjunto de investigaciones metalográficas.
Investigación metalográfica
Las investigaciones metalográficas de los depósitos de tiras revelan un metal sólido y la ausencia de defectos. El depósito multicapa (8 capas) tiene una microestructura dendrítica con una dirección correspondiente a la dirección del flujo de calor durante el enfriamiento. No hay indicación de demarcación en los puntos en los que se encuentran los bordes entre las capas depositadas. Los granos están desorientados en la parte inferior del área debido al disipador de calor multidireccional, y los granos son más direccionales en el área superior del depósito. La zona afectada por el calor del metal base tiene granos relativamente grandes directamente adyacentes a la interfaz, y se vuelven más finos a medida que uno se adentra más en el metal base.
Debido a la alta velocidad de enfriamiento del revestimiento, la difusión de Fe desde el metal base hasta el depósito a través de la interfase se encuentra dentro de una capa de 200 m (Figura 12). La concentración de otros elementos de aleación (Cr, Ni y Mo) en el depósito disminuye dentro de la capa, a menos de 300 m por encima de la interfaz. No hay una difusión mutua notable a través de la interfaz.
Se realizó un estudio de microdureza a lo largo de la línea vertical en el medio del depósito a distancias de ±4000 m en ambas direcciones desde la interfaz con 250 HK a 350 HK, a 100 g durante 10 segundos (Figura 13). Se observó algún aumento en la dureza del metal base cerca de la interfaz. Esto probablemente estaba relacionado con los fenómenos en la zona afectada por el calor.
Conclusión
El relleno de tiras se puede utilizar con un láser de diodo directo para mejorar la aplicación y la productividad del rejuvenecimiento. Con un láser de 4 kW, se pueden lograr velocidades de fusión de hasta 3,72 cm3/min para la superaleación 625 con base de níquel.
El proceso de deposición láser se volvió muy estable con la alimentación de tiras a lo largo del eje largo del punto de calor. La orientación de la tira hacia el baño de fusión puede lograrse y controlarse fácilmente. El proceso proporciona una penetración mínima del metal base.
Hay varias orientaciones posibles de la dirección de alimentación de la tira hacia el punto de calor del haz y hacia la dirección de desplazamiento. Esto amplía las posibilidades de aplicación para la deposición de tiras de láser de diodo.
Recursos:
- Láseres de diodo directo de alta potencia y alto brillopor Stephan Strohmaier, Christoph Tillkorn, Peter Olschowsky y John Hostetler
- Láseres de diodo directo con una calidad de haz comparable a la de los láseres de fibra, CO2 y estado sólido por Robin K. Huang, Bien Chann, James Burgess, Michael Kaiman, Robert Overman, John D. Glenn, Parviz Tayebati
- Láseres de diodo directo y sus ventajas para el procesamiento de materiales y otras aplicaciones de Haro Fritsche, Fabio Ferrario, Ralf Koch, Bastian Kruschke, Ulrich Pahl, Silke Pflueger, Andreas Grohe, Wolfgang Gries, Florian Eibl, Stefanie Kohl, Michael Dobler