Fundamentos de la soldadura por láser
La soldadura láser es un proceso sin contacto que requiere acceso a la zona de soldadura desde un lado de las piezas que se están soldando.
• La soldadura se forma a medida que la intensa luz láser calienta rápidamente el material, un proceso que generalmente se calcula en milisegundos.
• Normalmente existen 3 tipos de soldaduras:
– Modo de conducción.
– Modo de conducción/penetración.
– Modo de penetración o ojo de cerradura.
• La soldadura por conducción se realiza a baja densidad de energía formando una pepita de soldadura poco profunda y ancha.
• El modo de conducción/penetración ocurre a una densidad de energía media y muestra mayor penetración que el modo de conducción.
• La soldadura por penetración o por modo de ojo de cerradura se caracteriza por soldaduras estrechas y profundas.
– En este modo, la luz láser forma un filamento de material vaporizado conocido como “ojo de cerradura” que se extiende dentro del material y proporciona un conducto para que la luz láser se distribuya de manera eficiente en el material.
– Esta entrega directa de energía al material no depende de la conducción para lograr la penetración, por lo que minimiza el calor en el material y reduce la zona afectada por el calor.
Soldadura por conducción
• La unión por conducción describe una familia de procesos en los que se enfoca el rayo láser:
– Para dar una densidad de potencia del orden de 10³ Wmm⁻²
– Fusiona material para crear una unión sin vaporización significativa.
• La soldadura por conducción tiene 2 modos:
– Calentamiento directo
– Transmisión de energía.
Calor Directo
• Durante el calentamiento directo,
– el flujo de calor está gobernado por la conducción térmica clásica desde una fuente de calor superficial y la soldadura se realiza fundiendo porciones del material base.
• Las primeras soldaduras de conducción se realizaron a principios de la década de 1, utilizando rubí pulsado de baja potencia y CO2 Láseres para conectores de cables.
• Las soldaduras por conducción se pueden realizar en una amplia gama de metales y aleaciones en forma de alambres y láminas delgadas en diversas configuraciones utilizando.
– CO2 , Láseres Nd:YAG y de diodo con niveles de potencia del orden de decenas de vatios.
– Calentamiento directo mediante un CO2 El rayo láser también se puede utilizar para soldaduras a tope y traslapadas en láminas de polímero.
Soldadura de transmisión
• La soldadura por transmisión es un medio eficiente para unir polímeros que transmiten la radiación infrarroja cercana de los láseres Nd:YAG y de diodo.
• La energía se absorbe a través de novedosos métodos de absorción interfacial.
• Los composites se pueden unir siempre que las propiedades térmicas de la matriz y del refuerzo sean similares.
• El modo de transmisión de energía de la soldadura por conducción se utiliza con materiales que transmiten radiación infrarroja cercana, especialmente polímeros.
• Se coloca una tinta absorbente en la interfaz de una junta de solape. La tinta absorbe la energía del rayo láser, que se transmite a un espesor limitado de material circundante para formar una película de interfaz fundida que se solidifica como la junta soldada.
• Se pueden realizar uniones traslapadas de secciones gruesas sin fundir las superficies externas de la unión.
• Las soldaduras a tope se pueden realizar dirigiendo la energía hacia la línea de unión en un ángulo a través del material en un lado de la unión, o desde un extremo si el material es altamente transmisivo.
Soldadura y soldadura fuerte por láser
• En los procesos de soldadura fuerte y láser, el rayo se utiliza para fundir un material de relleno que humedece los bordes de la unión sin fundir el material base.
• La soldadura láser empezó a ganar popularidad a principios de los años 1980 para unir los cables de los componentes electrónicos a través de orificios en las placas de circuitos impresos. Los parámetros del proceso están determinados por las propiedades del material.
Soldadura por láser de penetración
• A altas densidades de potencia, todos los materiales se evaporarán si se logra absorber la energía. Por lo tanto, al soldar de esta manera, generalmente se forma un orificio por evaporación.
• Este "agujero" luego atraviesa el material y las paredes fundidas quedan selladas detrás de él.
• El resultado es lo que se conoce como una "soldadura de ojo de cerradura". Esta se caracteriza por su zona de fusión de lados paralelos y su ancho estrecho.
Eficiencia de la soldadura láser
• Un término para definir este concepto de eficiencia se conoce como “eficiencia de unión”.
• La eficiencia de unión no es una eficiencia real ya que tiene unidades de (mm2 unido/kJ suministrado).
– Eficiencia=Vt/P (el recíproco de la energía específica en el corte) donde V = velocidad de desplazamiento, mm/s; t = espesor soldado, mm; P = potencia incidente, KW.
Uniendo la eficiencia
• Cuanto mayor sea el valor de la eficiencia de unión, menos energía se gastará en calentamiento innecesario.
– Zona afectada por el calor (ZAT) inferior.
– Menor distorsión.
• La soldadura por resistencia es más eficiente en este aspecto porque la energía de fusión y de la ZAT solo se genera en la interfaz de alta resistencia que se va a soldar.
• El láser y el haz de electrones también tienen buenas eficiencias y altas densidades de potencia.
Variaciones del proceso
• Soldadura láser aumentada por arco.
– El arco de una antorcha TIG montada cerca del punto de interacción del rayo láser se bloqueará automáticamente en el punto caliente generado por el láser.
– La temperatura requerida para este fenómeno es de unos 300°C por encima de la temperatura ambiente.
– El efecto es estabilizar un arco que es inestable debido a su velocidad de desplazamiento o reducir la resistencia de un arco que es estable.
– El bloqueo sólo se produce para arcos con corriente baja y por tanto chorro catódico lento; es decir, para corrientes inferiores a 80A.
– El arco está en el mismo lado de la pieza de trabajo que el láser, lo que permite duplicar la velocidad de soldadura con un modesto aumento en el costo de capital.
• Soldadura láser de doble haz
– Si se utilizan 2 rayos láser simultáneamente, existe la posibilidad de controlar la geometría del baño de soldadura y la forma del cordón de soldadura.
– Utilizando 2 haces de electrones, se pudo estabilizar el ojo de cerradura provocando menos ondas en el baño de soldadura y dando una mejor penetración y forma del cordón.
– Un excímero y CO2 La combinación de rayos láser ha demostrado un acoplamiento mejorado para la soldadura de materiales de alta reflectividad, como el aluminio o el cobre.
– El acoplamiento mejorado se consideró principalmente debido a:
• alterar la reflectividad mediante la ondulación de la superficie causada por el excímero.
• un efecto secundario proveniente del acoplamiento a través del plasma generado por el excímero.
