Consideraciones esenciales para la soldadura por láser

La soldadura láser implica una plétora de variables de proceso. Pero con el pensamiento creativo, también ofrece una oportunidad significativa.

En todas las industrias, los productos se están diseñando, rediseñando o reevaluando 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 fundido para fusionar los materiales. Es un proceso sin contacto, tiene una entrada de calor baja en relación con otros procesos de fusión, ofrece altas velocidades de procesamiento y produce zonas de fusión profundas en un solo paso.

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 por láser con otros procesos de soldadura por fusión. El diseño de juntas y accesorios también juega un papel. Al igual que 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 en la pieza de trabajo. Generada a partir de alguna forma 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 denomina longitud de colimación. El haz permanece colimado hasta que golpea una superficie de enfoque. Luego, el rayo se estrecha en forma de reloj de arena hasta que se enfoca en su punto más pequeño. La distancia desde la superficie de enfoque 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 foco

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

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

Hay dos formas de soldadura láser: soldadura por conducción de calor y soldadura por ojo de cerradura. En la soldadura por conducción de calor, el rayo láser funde las piezas acopladas a lo largo de una junta común y los materiales fundidos fluyen juntos y se solidifican para formar la soldadura. Utilizada para unir piezas de paredes delgadas, la soldadura por conducción de calor 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 siempre es mayor que su profundidad. La soldadura láser por conducción de calor se utiliza para soldar esquinas en las superficies visibles de las carcasas de los dispositivos, así como en otras aplicaciones de la electrónica.

Soldadura de ojo de cerradura (verFigura 1 ) requiere densidades de potencia extremadamente altas de alrededor de 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 solo derrite el metal sino que también produce vapor. El vapor que se disipa ejerce presión sobre el metal fundido y lo desplaza parcialmente. El material, mientras tanto, continúa derritiéndose. El resultado es un agujero, u ojo de cerradura, profundo, angosto y lleno de vapor, rodeado de metal fundido.

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

A medida que el rayo láser avanza a lo largo de la unión soldada, el ojo de la 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 el rayo láser casi por completo y aumenta la eficiencia del proceso de soldadura. El vapor en el ojo de la cerradura también absorbe la luz láser y se ioniza parcialmente. Esto da como resultado la formación de plasma, que también pone energía en la pieza de trabajo. Como resultado, la soldadura de penetración profunda se distingue por una gran eficiencia y velocidades de soldadura rápidas. 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 más alta calidad de soldadura, la menor entrada de calor y la mayor penetración en una sola pasada. Tiene una de las gamas más altas 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 por láser también tiene una de las inversiones iniciales, los costos de herramientas y los requisitos de montaje de juntas de soldadura más altos. Estos deben tenerse en cuenta al seleccionar la soldadura por láser como el 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 por 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 toda su fuerza y ​​las soldaduras traslapadas 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 rayo para garantizar que el rayo láser interactúe con ambos lados de la junta. El espacio permitido es típicamente el 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 comunes de tener esto en cuenta son diseñar la pieza para que se ajuste a presión o diseñar una fijación robusta. Algunos pueden usar un sistema de visión para garantizar el posicionamiento de la pieza, 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 menos material porque no se necesita superposición.

La soldadura de traslape tiene muchas consideraciones diferentes. El espacio permitido normalmente es el 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, tales configuraciones de traslape 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 fuerza de soldadura. Las soldaduras traslapadas deben ser más anchas para aumentar su resistencia. Esto requiere más entrada de energía, lograda ya sea a través de un tamaño de punto más grande o por oscilación con un tamaño de punto más pequeño. Si la distorsión mínima es crítica, la soldadura solo debe penetrar parcialmente la lámina inferior. Si las aplicaciones requieren bajas entradas 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 la entrada 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 el 20 % y el 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 fácil para soldar es tener el material más delgado en la parte superior y el material más grueso en la parte inferior. Si la capa superior es más gruesa, la penetración parcial en la capa inferior se vuelve más difícil de controlar, lo que también dificulta el mantenimiento de 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 de traslape tiene muchos beneficios. No requiere una alta precisión posicional, lo que permite la fijación 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 el acceso a juntas que antes no se podían lograr. Debido a que es un proceso sin contacto, es posible soldar en orificios y en espacios reducidos si se considera el ancho del haz a medida que se enfoca. Esto permite flexibilidad en el diseño de juntas y las piezas se pueden diseñar con menos material.

El tratamiento térmico posterior a la soldadura no es necesario en muchos casos debido a la pequeña ZAT 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 la soldadura. El proceso puede tener salpicaduras mínimas para crear soldaduras visualmente limpias, especialmente con la adición de gases de protección. Esto elimina la necesidad de realizar una gran cantidad de limpieza y mecanizado posterior a la soldadura.

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

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

La soldadura de traslape requiere accesorios menos robustos.Figura 4 muestra un diseño de accesorio típico. En lugar de abrazaderas largas y rígidas para mantener toda la costura en su lugar, varias abrazaderas aseguran un contacto adecuado entre las dos hojas en un área grande. Dicha fijación se puede automatizar con abrazaderas neumáticas. En el ejemplo, una óptica de escaneo suelda rápidamente todas las uniones requeridas. Los espejos galvo (espejos de alta velocidad dentro de la óptica de soldadura) posicionan el haz para soldar y proporcionan todo el movimiento para la ruta de soldadura. Esto permite una ruta de robot simple.

Para soldaduras especialmente críticas, un solo accesorio grande, diseñado con la ruta de soldadura mecanizada, puede garantizar un ajuste ideal de la pieza. El método de fijación tiene costos de herramientas más altos pero también es muy robusto y repetible. Aplicando una gran carga de manera uniforme en la superficie de la pieza, esta 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 dado? 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.

Del mismo modo, ¿qué configuración conjunta es la mejor? La soldadura a tope requiere precisión y repetibilidad del proceso, pero puede lograr soldaduras fuertes con una mínima entrada de calor. Por el contrario, la soldadura por traslape requiere una fijación menos precisa y tiene una ventana de proceso más grande, pero requiere una mayor entrada de calor para lograr soldaduras más fuertes.

Con todas las consideraciones del proceso de soldadura por láser también surgen innumerables oportunidades. Es una excelente 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 un menor procesamiento secundario, tienen el potencial de reducir los costos de manera espectacular.