Consideraciones esenciales para la soldadura láser

La soldadura láser implica una gran cantidad de variables de proceso. Pero el pensamiento creativo también ofrece importantes oportunidades.

En todas las industrias, los productos se diseñan, rediseñan o reevalúan para obtener mejores materiales o funcionalidad. Los productos finales están hechos de muchos componentes y estos componentes deben unirse de alguna manera. Uno de estos métodos de unión es la soldadura láser.

La soldadura láser utiliza un haz de luz de alta intensidad para crear un baño de soldadura fundida para fusionar materiales. Es un proceso sin contacto, tiene un bajo aporte de calor en comparación con otros procesos de fusión, ofrece altas velocidades de procesamiento y produce zonas de fusión profundas en una sola pasada.

Por supuesto, para aprovechar al máximo todos estos beneficios y garantizar un proceso repetible y de alta calidad, los fabricantes deben considerar cómo se compara la soldadura láser con otros procesos de soldadura por fusión. El diseño de juntas y fijaciones también influye. Como ocurre con cualquier tecnología de fabricación de metal, la implementación inteligente comienza con una buena comprensión de los fundamentos del proceso.

La soldadura láser utiliza un haz de luz enfocado en un pequeño punto de la pieza de trabajo. Generada a partir de algún tipo de medio, la luz sale de la fuente láser y comienza a divergir. Luego se colima para que el haz sea paralelo y no crezca. La distancia desde la salida hasta la superficie de colimación se llama longitud de colimación. El haz permanece colimado hasta que llega a una superficie de enfoque. Luego, el haz se estrecha hasta adoptar la forma de un reloj de arena hasta que queda enfocado en su punto más pequeño. La distancia desde la superficie focal hasta el punto más pequeño se llama distancia focal. El tamaño del punto de enfoque está determinado por la siguiente ecuación: Diámetro de la fibra × Longitud focal/Longitud de colimación = Diámetro del enfoque

La distancia a la que el diámetro del foco está dentro del 86% del área focal se llama profundidad de foco. Si la posición del enfoque se desplaza fuera de esta área, espere que los resultados del proceso cambien. Cuanto mayor sea la relación entre la distancia focal y la longitud de colimación, mayor será la profundidad de enfoque para una fibra determinada.

Las fibras más grandes tienen una mayor profundidad de enfoque en comparación con los diámetros de fibra más pequeños. Las relaciones más grandes y las fibras tienen un tamaño de punto mayor lo que provoca una disminución de la densidad de potencia y, por tanto, una disminución de la penetración.

Hay dos formas de soldadura láser: soldadura por conducción de calor y soldadura de ojo de cerradura. En la soldadura por conducción de calor, el rayo láser funde las piezas coincidentes a lo largo de una junta común, y los materiales fundidos fluyen juntos y se solidifican para formar la soldadura. La soldadura por conducción de calor, utilizada para unir piezas de paredes delgadas, utiliza láseres de estado sólido pulsados ​​o de onda continua.

En la soldadura por conducción de calor, la energía se acopla a la pieza de trabajo únicamente a través de la conducción de calor. Por este motivo, la profundidad de soldadura oscila entre unas pocas décimas de milímetro y 1 mm. La conductividad térmica del material limita la profundidad máxima de soldadura y el ancho de la soldadura es siempre mayor que su profundidad. La soldadura láser por conducción de calor se utiliza para soldaduras de esquinas en las superficies visibles de carcasas de dispositivos, así como para otras aplicaciones en electrónica.

Soldadura de ojo de cerradura (verFigura 1 ) requiere densidades de potencia extremadamente altas, de aproximadamente 1 megavatio por centímetro cuadrado. Se utiliza en aplicaciones que requieren soldaduras profundas o donde se deben soldar varias capas de material simultáneamente.

En este proceso, el rayo láser no sólo funde el metal sino que también produce vapor. El vapor que se disipa ejerce presión sobre el metal fundido y lo desplaza parcialmente. Mientras tanto, el material continúa derritiéndose. El resultado es un agujero profundo, estrecho y lleno de vapor, o ojo de cerradura, rodeado de metal fundido.

FIGURA 1La soldadura de ojo de cerradura requiere densidades de potencia extremadamente altas y se utiliza en aplicaciones que requieren soldaduras profundas.

A medida que el rayo láser avanza a lo largo de la junta soldada, el ojo de cerradura se mueve con él a través de la pieza de trabajo. El metal fundido fluye alrededor del ojo de la cerradura y se solidifica a su paso. Esto produce una soldadura estrecha y profunda con una estructura interna uniforme. La profundidad de la soldadura puede exceder 10 veces el ancho de la soldadura. El material fundido absorbe casi por completo el rayo láser y aumenta la eficiencia del proceso de soldadura. El vapor del ojo de la cerradura también absorbe la luz láser y está parcialmente ionizado. Esto da como resultado la formación de plasma, que también aporta energía a la pieza de trabajo. Como resultado, la soldadura de penetración profunda se caracteriza por una gran eficiencia y altas velocidades de soldadura. Gracias a la alta velocidad, la zona afectada por el calor (HAZ) es pequeña y la distorsión es mínima.

En comparación con otros procesos, la soldadura láser ofrece la mayor calidad de soldadura, el menor aporte de calor y la mayor penetración en una sola pasada. Tiene uno de los rangos más altos de combinaciones de materiales y geometrías de piezas, es extremadamente controlable y repetible, y es uno de los más fáciles de automatizar (verFigura 2 ). Todo esto permite nuevos diseños de juntas y las piezas se pueden producir a un ritmo mayor con menos procesamiento posterior a la soldadura.

La soldadura láser también tiene una de las inversiones iniciales, costos de herramientas y requisitos de ajuste de juntas soldadas más altos. Estos deben tenerse en cuenta al seleccionar la soldadura láser como método de unión para su proceso de producción.

La soldadura de penetración profunda permite que una sola soldadura reemplace múltiples soldaduras en diferentes diseños de juntas.figura 3 muestra algunas configuraciones típicas de juntas de soldadura láser. Las soldaduras a tope no requieren un chaflán para piezas más gruesas, las juntas en T se pueden soldar desde un solo lado con total resistencia y las soldaduras por solape se pueden soldar a través de la lámina superior o a lo largo de la costura. Esto permite flexibilidad al diseñar sus piezas y ubicaciones de soldadura.

La soldadura a tope requiere una alta precisión posicional. Los tamaños típicos de los puntos de soldadura son de 50 a 900 µm de diámetro. La tolerancia posicional permitida debe ser inferior a la mitad del diámetro del haz para garantizar que el rayo láser interactúe con ambos lados de la junta. El espacio permitido suele ser del 10 % del material más delgado o menos del 50 % del diámetro del haz de soldadura. Por lo tanto, la fijación es fundamental en estas configuraciones de juntas para garantizar una alta repetibilidad posicional y un espacio mínimo.

Las formas más comunes de tener en cuenta esto son diseñar la pieza para que se ajuste a presión o diseñar accesorios robustos. Algunos podrían usar un sistema de visión para asegurar el posicionamiento de las piezas, pero esto agregará algo de tiempo de ciclo y complejidad a la programación para la producción. También es importante seleccionar el tamaño de punto correcto en la pieza. Los tamaños de punto más grandes se adaptan a variaciones más grandes pero requieren mucha más entrada de energía para lograr la misma profundidad de penetración de la soldadura.

La soldadura a tope tiene muchos beneficios. La resistencia de la soldadura está determinada por la cantidad de soldadura a lo largo de la costura, por lo que la cantidad de penetración determina la cantidad de resistencia de la soldadura. Las soldaduras estrechas y profundas producen menos entrada de calor, lo que crea una pequeña ZAT y limita la distorsión. También permite utilizar menos material porque no se necesita superposición.

La soldadura por solape tiene muchas consideraciones diferentes. El espacio permitido normalmente es del 10% del espesor del material superior. El ancho de la soldadura y la fusión en la interfaz entre los dos materiales determinan la resistencia de la soldadura. En comparación con las juntas a tope, estas configuraciones traslapadas conducen a una mayor entrada de energía, una HAZ más grande y más distorsión.

Si se suelda a través de la lámina superior (3 en la Figura 2), el rayo láser debe penetrar a través de la lámina superior y dentro de la lámina inferior, y toda esa energía gastada en penetrar la lámina superior no agrega resistencia a la soldadura. Las soldaduras por solape deben ser más anchas para aumentar su resistencia. Esto requiere una mayor entrada de energía, que se logra mediante un tamaño de punto más grande o mediante una oscilación con un tamaño de punto más pequeño. Si la distorsión mínima es crítica, la soldadura sólo debe penetrar parcialmente la lámina inferior. Si las aplicaciones requieren bajos aportes de calor y baja potencia o altas velocidades de procesamiento, las juntas de penetración parcial pueden ser ideales. Crean una superficie en la parte posterior de la soldadura que no se ve afectada por el aporte de calor y, por lo tanto, una superficie de clase A.

Con soldaduras de penetración parcial, la penetración mínima en la lámina inferior debe estar entre 20% y 50% para materiales más delgados y 0,5 mm para materiales más gruesos para garantizar una fusión repetible que tenga en cuenta la variación en la producción. El diseño más sencillo para soldar es tener el material más delgado en la parte superior y el material más grueso en la parte inferior. Si la lámina superior es más gruesa, la penetración parcial en la lámina inferior se vuelve más difícil de controlar, lo que también hace que sea más difícil mantener una superficie de clase A en la parte posterior de la soldadura.

FIGURA 2 La soldadura láser ofrece excelente calidad, alta velocidad y alta penetración. Los requisitos de equipamiento también son elevados.

Sin embargo, la soldadura por solape tiene muchos beneficios. No requiere una alta precisión posicional, lo que permite realizar fijaciones sin requisitos de posicionamiento estrictos. En comparación con la soldadura a tope, la soldadura por solape tiene una ventana de proceso más grande, principalmente porque la profundidad de penetración es más flexible.

La soldadura láser también permite acceder a uniones que antes no eran posibles. Debido a que es un proceso sin contacto, es posible soldar en orificios y espacios reducidos si se considera el ancho del haz cuando se enfoca. Esto permite flexibilidad en el diseño de juntas y las piezas se pueden diseñar con menos material.

En muchos casos, el tratamiento térmico posterior a la soldadura no es necesario debido a la pequeña HAZ de la soldadura láser y al bajo aporte de calor general. También hay poca protuberancia de soldadura en la parte superior o posterior de la soldadura que debe mecanizarse después de soldar. El proceso puede tener salpicaduras mínimas para crear soldaduras visualmente limpias, especialmente con la adición de gases protectores. Esto elimina la necesidad de realizar mucho mecanizado y limpieza posteriores a la soldadura.

Figura 4 Muestra una fijación rígida para una soldadura de esquina. Este estilo de fijación es común para soldadura a tope y soldaduras de borde para piezas tubulares o rectangulares. Las abrazaderas están muy cerca de la costura y aplican presión para asegurar un espacio mínimo. No hay herramientas encima de la unión que puedan interactuar con el haz de soldadura cuando se enfoca.

La configuración también proporciona espacio libre para una boquilla de gas protector si se requiere gas protector por motivos estéticos o por razones metalúrgicas en ciertos metales como el titanio. Los accesorios deben mantener repetidamente la articulación en la misma posición Z con respecto al rayo para que el rayo láser esté en la misma posición de enfoque. Esto es fundamental para obtener la misma densidad de potencia y garantizar resultados repetibles.

La soldadura por solape requiere fijaciones menos robustas.Figura 4 muestra un diseño típico de luminaria. En lugar de abrazaderas largas y rígidas para mantener toda la costura en su lugar, múltiples abrazaderas aseguran un contacto adecuado entre las dos láminas en un área grande. Esta fijación se puede automatizar con abrazaderas neumáticas. En el ejemplo, una óptica de escaneo suelda rápidamente todas las uniones necesarias. Los espejos Galvo (espejos de alta velocidad dentro de la óptica de soldadura) posicionan el haz para soldar y proporcionan todo el movimiento de la trayectoria de soldadura. Esto permite una ruta de robot simple.

Para soldaduras especialmente críticas, un único accesorio grande, diseñado con la trayectoria de soldadura mecanizada, puede garantizar un ajuste ideal de la pieza. El método de fijación tiene mayores costos de herramientas pero también es muy robusto y repetible. Al aplicar una carga grande de manera uniforme sobre la superficie de la pieza, este tipo de fijación puede ser ideal para piezas estampadas con grandes variaciones en la planitud de la superficie.

La soldadura láser permite la creatividad y cierta libertad en el diseño de piezas, siempre que se consideren todas las variables esenciales. Por ejemplo, ¿qué tamaño de punto se necesita para un proceso determinado? Los tamaños de punto más grandes ofrecen más área de fusión y una mayor profundidad de enfoque, pero requieren más energía para lograr las mismas profundidades de soldadura.

Asimismo, ¿qué configuración conjunta es mejor? La soldadura a tope requiere precisión y repetibilidad del proceso, pero puede lograr soldaduras fuertes con una mínima entrada de calor. A la inversa, la soldadura por solape requiere fijaciones menos precisas y tiene una ventana de proceso más grande, pero requiere más entrada de calor para lograr soldaduras más fuertes.

Con todas las consideraciones del proceso de soldadura láser también surgen innumerables oportunidades. Es una gran herramienta para avanzar en la fabricación con diseños de piezas nuevos y creativos que no solo aumentan la calidad sino que también (gracias a menos pasos de fabricación, incluido menos procesamiento secundario) tienen el potencial de reducir los costos drásticamente.