Principios de la soldadura por láser

Rayos láser utilizados en la soldadura por láser

El rayo láser utilizado para la soldadura es invisible.
El medio utilizado para la excitación del láser puede ser un gas o un objeto sólido. El láser excitado se enfoca con una lente y se aplica al material base. La potencia y el diámetro del punto también se pueden cambiar para aplicaciones de procesamiento distintas a la soldadura.

Con un láser de alta potencia, se requiere un control de alto nivel de las propiedades de convergencia del haz, como la longitud de onda y la densidad de energía, y de las cualidades del haz láser, como la intensidad y el modo del haz*. Sin embargo, este método se puede utilizar para aplicaciones delicadas, además de unir placas gruesas y delgadas, un punto fuerte de la soldadura por láser.

Características de la soldadura por láser

Los rayos láser se pueden enfocar en un punto muy pequeño en comparación con los arcos utilizados en la soldadura por arco. El aumento de la densidad de energía mediante una lente convergente permite utilizar la soldadura por láser para la soldaduras localizadas y para unir materiales con diferentes puntos de fusión. Este tipo de soldadura también es adecuado para aplicaciones de soldadura de detalle gracias a la reducción de los efectos del calor, un cordón fino y la ausencia de generación de fuerzas de reacción de procesamiento.

■ Características

Dado que los rayos láser pueden transmitirse a presiones atmosféricas, los equipos de soldadura por láser no requieren* una cámara de vacío como la soldadura por haz de electrones. El equipo del rayo láser en la soldadura por láser es más pequeño que el equipo del haz en la soldadura por haz de electrones, y es posible la automatización y el control preciso mediante una computadora o un robot. Las fibras y los espejos de trayecto de transmisión también permiten realizar soldaduras a distancia del excitador. Estas ventajas hacen que la soldadura por láser sea muy adaptable a diversas aplicaciones, y la capacidad de utilizar la soldadura por láser a distancia, soldadura por láser de fibra y soldadura por barrido de haz permiten satisfacer una gran variedad de necesidades de procesos de soldadura.

Sin embargo, la soldadura se puede realizar en una cámara de vacío con algunos láseres de alta potencia, como la soldadura para la producción de placas de acero revestidas.

■ Contramedidas de plasma en los equipos de soldadura por láser

Se puede generar plasma (pluma inducida por láser) cerca de la soldadura por láser según la magnitud del voltaje ionizante de cualquier metal o gas presente en el área de irradiación del láser. Cuando se genera plasma, éste provoca la absorción y refracción del láser, lo que reduce la potencia del mismo y la densidad de energía que ingresa al material base. Esto se debe a que el coeficiente de absorción del láser dentro del plasma es proporcional al cuadrado de la longitud de onda, por lo que es probable que grandes cambios en el estado del plasma causen defectos de soldadura.
El plasma es fácilmente generado por metales y gases con una baja tensión de ionización. La tensión de ionización para el aluminio es de unos 6 V, y para el hierro de unos 7.9 V. Por ello, la ionización debida al vapor de metal se produce con frecuencia al soldar con láser estos metales. En el caso de los gases, la tensión de ionización es de unos 15.8 V para el argón y de unos 14.5 V para el nitrógeno. Esto significa que el gas argón y el gas nitrógeno pueden convertirse en plasma durante la soldadura por láser de CO₂ (dióxido de carbono) de alta potencia.
El gas helio, que tiene una alta tensión de ionización, se utiliza como gas de asistencia para evitar que esto ocurra. La tensión de ionización del gas helio es de unos 24.6 V, lo que hace que casi no se genere plasma. Dependiendo del método de soldadura, el gas helio de asistencia se puede aplicar desde un costado o desde atrás durante la soldadura para suprimir la generación de plasma.
La generación de plasma también se puede suprimir evacuando la cámara de soldadura, pero para ello se necesita un equipo de vacío.

Ejemplos de aplicación de la soldadura por láser

En comparación con la soldadura por arco y la soldadura por haz de electrones, la soldadura por láser es más fácil de combinar con el control por computadora y el CAD/CAM. Además de ser fácil de incorporar a las líneas de producción, la soldadura por láser también es adecuada para su uso con robots. La soldadura por láser es un método de unión de alta precisión, alta calidad, alta velocidad y alta productividad que utiliza las características de alta densidad de energía y pequeños puntos para la fuente de calor. Desde las piezas grandes, como los paneles exteriores de los automóviles, hasta las piezas diminutas, como los cables y los pines de los componentes electrónicos, la soldadura por láser se utiliza en una gran variedad de campos.

■ Soldadura por puntos en chasis/carrocerías de automóviles

La soldadura por puntos con láser se realiza irradiando un rayo láser sobre una cara de un material base. A diferencia de la soldadura por puntos por resistencia, no es necesario intercalar el material base entre los electrodos. Esto permite realizar la soldadura con un brazo robótico con un alto grado de libertad para su uso incluso en lugares intrincados y complicados.

■ Soldadura de costuras en carrocerías de automóviles

El uso de un láser de pulsos de alta velocidad o un láser de onda continua permite soldar en líneas en lugar de en puntos. La soldadura en líneas proporciona una mayor resistencia, y no se requiere material de acero para el refuerzo, lo que permite reducir el peso y aumentar la rigidez.

■ Soldadura por puntos de cables/pines en componentes electrónicos

La colocación de una cámara en el dispositivo de haz y el control del punto mediante una computadora permiten capturar con precisión el punto de soldadura. Esto permite realizar soldaduras detalladas, como las de cables y pines en los componentes electrónicos.

■ Sellado y soldadura de paquetes de cerámica en dispositivos electrónicos

Una soldadura con una pequeña deformación es posible utilizando un láser de onda continua con un pequeño aporte de calor en lugar de un láser de pulsos de alta potencia. La fusión de un material de soldadura fuerte (alambre de aportación para la soldadura) para su uso también reduce la generación de salpicaduras.

Soldadura de automóviles

Las carrocerías de los automóviles requieren varios factores que incluyen resistencia, durabilidad, prevención de la oxidación, durabilidad de la energía de colisión y ligereza, al mismo tiempo que presenten un diseño atractivo con un alto valor comercial. Por ello, el grosor y los materiales de las láminas de acero utilizadas para las carrocerías de los automóviles se consideran cuidadosamente. Mejorar la precisión y la productividad y, al mismo tiempo, satisfacer los requisitos de rendimiento es la cuestión más importante en la fabricación de automóviles.
En esta sección se presentan dos métodos —la soldadura de piezas en bruto a medida y la soldadura fuerte por láser— desarrollados para cumplir con estos requisitos. Ambos métodos han tenido un impacto significativo en los procesos de soldadura de las carrocerías de automóviles.

■ Soldadura de piezas en bruto a medida

El término “pieza en bruto a medida” se refiere a un material prensado que está adaptado “a la medida” para múltiples propósitos. La soldadura de piezas en bruto a medida es el método utilizado para soldar los materiales entre sí antes de la conformación en prensa para formar un único material.
La soldadura se realiza antes de la conformación en prensa.
La soldadura de piezas en bruto a medida se utiliza principalmente para la fabricación de paneles exteriores para carrocerías de automóviles.

Método de piezas en bruto a medida

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• Ventajas de la soldadura de piezas en bruto a medida

  Con la soldadura de piezas en bruto a medida, se pueden convertir múltiples láminas de acero en una sola y prensarlas todas a la vez. Esta ventaja reduce el número de paneles necesarios, mejora la precisión de la carrocería y minimiza el número total de piezas utilizadas. Otra ventaja en términos de calidad es la capacidad de convertir láminas de acero de diferentes materiales en un solo material. Esto permite un posicionamiento óptimo de los materiales para satisfacer diversos requisitos de rendimiento, como un peso reducido y una mayor rigidez.
  Originalmente, la soldadura de piezas en bruto a medida se utilizaba con la soldadura TIG para la fabricación de paneles laterales. En la actualidad, el método se utiliza para diversas aplicaciones de fabricación, como los paneles del piso, refuerzos de techos corredizos, elementos laterales de las puertas y el interior de los paneles laterales. Además de la soldadura por láser, la soldadura de piezas en bruto a medida también se puede realizar mediante la soldadura por costura por estampación y la soldadura por plasma, en función de los requisitos de material y de la productividad.

• Uso de la soldadura por láser para la soldadura de piezas en bruto a medida

  El cordón creado con la soldadura por láser suele tener una anchura de aproximadamente 1 mm (0.04"). Esto crea una apariencia más atractiva que la posible con la soldadura por arco, y la deformación del material relacionada con el calor se puede reducir al mínimo. Además, el metal soldado se endurece considerablemente gracias a la rápida solidificación y enfriamiento del baño de fusión debido a la conducción del calor. Esto hace que la estructura de la soldadura sea similar a la de la martensita antes del endurecimiento lo que da como resultado una unión fuerte.
  Sin embargo, las piezas soldadas creadas con el método de piezas en bruto a medida son propensas a agrietarse durante el proceso de conformación en prensa después de la soldadura. Además, las piezas soldadas que son más altas que la lámina de acero circundante pueden dañar la matriz de prensado y acortar su vida útil. Se deben utilizar contramedidas para evitar estos problemas cuando se realiza una soldadura de piezas en bruto a medida.
  Dichas soluciones incluyen el uso de un gas de asistencia para evitar la porosidad y el ajuste de la velocidad de soldadura para evitar la socavación. Además, dependiendo del material, la pieza soldada o la zona afectada por el calor (ZAC) pueden agrietarse, por lo que es necesario examinar de antemano el mecanismo de generación y las características del material.

* ¿Qué es la martensita?

La martensita es un material formado por una transformación martensítica. Este tipo de transformación se refiere al cambio de una estructura cristalina causado por el cizallamiento. El resultado es un cristal que es más pequeño que el material cristalino original. La transformación martensítica refuerza la unión entre los cristales a la vez que aumenta la dureza.

■ Unión con soldadura fuerte por láser

Este método de unión utiliza un metal de aportación de soldadura fuerte (alambre de relleno) y una fuente de calor láser. La soldadura fuerte por láser ofrece un mejor soporte para los huecos de las líneas de soldadura, un inconveniente común en la soldadura por láser.

• Ventajas de la soldadura fuerte por láser

  Mientras que la soldadura por láser normal utiliza líneas para unir los materiales, la soldadura fuerte por láser une las superficies de los materiales, proporcionando un excelente rendimiento de sellado. El uso de un material de soldadura fuerte con un punto de fusión bajo también permite unir láminas de acero sin fundir con el doble de fuerza de unión que la soldadura por puntos y al doble de velocidad.
  El material de soldadura fuerte ofrece ventajas significativas, que incluyen la reducción de los tiempos de calentamiento y enfriamiento durante la unión. Por ejemplo, con la soldadura fuerte en un horno de vacío, no se produce ningún deterioro del material al unir cerámica y metal. La soldadura fuerte por láser también ofrece ventajas significativas al unir aluminio y acero inoxidable o aleaciones de magnesio.

• Utilización de la soldadura fuerte por láser para la unión de carrocerías de automóviles

  Las láminas de acero que se utilizan para las carrocerías de los automóviles están recubiertas con zinc para evitar la oxidación. Se puede utilizar soldadura fuerte por láser para unir este recubrimiento sin dañar el material. Además, la unión de los paneles del techo y los paneles laterales se puede realizar sin necesidad de piezas de resina para conectar los paneles. En términos de diseño, la soldadura fuerte por láser elimina las líneas divisorias no sólo entre el panel del techo y el panel lateral, sino también en los exteriores de los vehículos.
  La soldadura fuerte por láser combina capacidades de unión de alta velocidad con una gran rigidez, superando los inconvenientes comunes de la soldadura por láser. Este método es ideal para su uso en procesos automovilísticos que requieren resistencia, durabilidad, prevención de la oxidación, durabilidad de la energía de colisión y ligereza, además de resultados de diseño hermosos con un alto valor comercial.