La evolución de la tecnología de soldadura láser.

La tecnología de soldadura láser ha progresado hasta convertirse en el proceso elegido por los fabricantes y fabricantes de metales debido a su alucinante variedad de aplicaciones.

Nota del editor: Lo siguiente se basa en la “Introducción a la soldadura láser industrial”, presentada por Tom Kugler, gerente de sistemas de fibra, Laser Mechanisms Inc., en FABTECH, del 13 al 16 de septiembre de 2021, Chicago.

La soldadura láser ha permeado la fabricación de metales de precisión de alta gama. La tecnología desempeña un papel vital en la fabricación de automóviles, dispositivos médicos y piezas para la industria aeroespacial y electrónica de precisión. Ahora está apareciendo en más lugares que nunca, desde el OEM más grande hasta el taller de trabajos de chapa de precisión.

A medida que la soldadura láser ha evolucionado, se ha vuelto extraordinariamente flexible. La tremenda variedad de soldaduras que pueden realizar los láseres es realmente alucinante. Comprender cómo los láseres logran todo esto comienza con conocer los fundamentos: cómo un rayo de luz fusiona dos metales.

Los metales, en general, reflejan mucho la luz. Un láser concentra y enfoca esa luz para superar la reflectividad. Cuando se absorbe suficiente energía del haz, el metal comienza a licuarse.

Todo esto comienza cuando la óptica (ya sea un espejo curvo o una lente de superficie curva) enfoca la luz hasta un tamaño de punto que puede oscilar entre decenas y unos pocos cientos de micrones de diámetro. Este enfoque crea una densidad de potencia extrema.

La óptica transparente a utilizar depende del láser y de su longitud de onda. Los láseres de CO2 emiten una longitud de onda de 10,6 micras. El vidrio estándar no es transparente, por lo que estos láseres utilizan materiales de lentes alternativos como el seleniuro de zinc (ZnSe). Los láseres de una micra, incluidos los de fibra, disco y YAG, utilizan sílice fundida o vidrio.

Las lentes de ZnSe que enfocan el haz de 10,6 micrones de un láser de CO2 tienen una excelente conductividad térmica, lo que hace que la óptica sea un poco más tolerante con los desechos. Desafortunadamente, no existe ningún material rentable que presente una conductividad térmica similar a la del láser de 1 micrón, lo que significa que el entorno de enfoque debe permanecer limpio y tener ópticas de vidrio o sílice fundida de buena calidad.

Las aplicaciones de soldadura que requieren altas potencias de láser pueden generar algunos residuos inevitables. En estos casos, se utilizan espejos para enfocar el haz en lugar de ópticas transparentes. Los espejos de enfoque son comunes en aplicaciones de soldadura por láser de CO2 que utilizan 5 kW o más de potencia del láser. Los láseres de una micra, incluidos los de fibra y disco, también utilizan espejos para potencias láser más altas. Una configuración común implica que un haz (horizontal a la superficie de trabajo) golpee un espejo parabólico que refleja el haz hacia abajo.

La óptica láser enfoca el diámetro del haz en bruto para crear una profundidad de enfoque, donde el haz tiene suficiente intensidad para procesar el material. El punto más estrecho de la cintura del haz es el tamaño del punto. La distancia focal es la distancia entre la lente y el punto focal (ver Figura 1).

Todas estas variables se interrelacionan. Cuanto más corta sea la distancia focal, menor será el tamaño del punto y menor será la profundidad de enfoque. Y cada uno de estos parámetros se puede ajustar para optimizar un proceso de soldadura. Por ejemplo, ampliar la distancia focal puede cambiar la posición del enfoque y aumentar la profundidad del enfoque, lo que puede aumentar la penetración de la soldadura.

FIGURA 1. Variables como el diámetro del haz, la profundidad de enfoque, el tamaño del punto y la distancia focal están interrelacionadas.

Otro factor es la calidad del haz o la capacidad de enfoque innata del rayo láser. Esto no se puede ajustar (varía según el tipo y diseño del láser), pero el parámetro sí afecta la forma en que se marca el proceso general. Los láseres con la mayor calidad de haz se denominan láseres monomodo, que tienen un haz puramente gaussiano o TEM00 con un perfil de densidad de potencia muy intenso en el centro y menos intenso cerca de los bordes. La calidad de la luz de carretera ayuda a lograr una mayor profundidad de enfoque, lo que a su vez abre una gran cantidad de posibilidades de procesamiento.

Todos los tipos de láser comunes tienen versiones monomodo con alta calidad de haz, pero el impacto de esa alta calidad de haz depende de la longitud de onda del láser. Un láser monomodo de CO2 de 10,6 micrones tendrá un tamaño de punto 10 veces mayor que un láser de fibra con una longitud de onda de 1 micrón. En general, una longitud de onda más corta también significa un tamaño de punto de enfoque más pequeño.

Nuevamente, el objetivo del enfoque es superar la reflectividad natural del metal. El metal líquido absorbe más energía luminosa que el metal sólido, por lo que cuando el metal entra en su fase líquida, la absorción de energía aumenta enormemente, hasta el punto de que comienza a convertir el baño de soldadura líquido en una forma cóncava. Esa forma cóncava tiende a dirigir la energía hacia el centro del baño de soldadura. Una vez que el baño de soldadura se vuelve profundamente cóncavo, comienza a absorber la mayor parte de la energía del láser y a reflejar solo alrededor del 5%. El punto en el que la reflectividad inicial de un metal cae al 5% o menos es cuando el proceso se acopla al material.

En cierto sentido, la soldadura láser es como un mal corte por láser. En lugar de eliminar el metal, lo licua de forma controlada. Al igual que en el corte, un láser puede utilizar más potencia para soldar más rápido y con mayor espesor. Pero el proceso no depende de la ventaja aerodinámica del flujo de gas auxiliar, que evacua el metal fundido, ni puede aprovechar la reacción de combustión del hierro y el oxígeno. En cambio, una buena soldadura láser debe lograr una fusión controlada y, a menudo, utiliza gases para evitar una oxidación extensa.

La dureza del material no importa. Es más fácil soldar con láser titanio y superaleaciones que aluminio. Por el contrario, la reflectividad y la conductividad térmica son muy importantes porque afectan la forma en que un metal en particular absorbe energía del haz. Los materiales con muy buena conductividad térmica, como el oro y la plata, pueden presentar desafíos en la soldadura láser. Los materiales disipadores de calor como el cobre, que tienen una alta difusividad térmica (qué tan bien un material dispersa el calor) también pueden ser un desafío. Dicho esto, los láseres de fibra y disco modernos tienen suficiente densidad de potencia en sus haces para superar estos problemas.

A diferencia del corte por láser, la soldadura por láser también introduce consideraciones más metalúrgicas. El corte por láser convierte una pieza en dos. La soldadura láser involucra factores metalúrgicos como resistencia, porosidad, fragilidad y microfisuras.

La soldadura láser produce tres tipos comunes de baños de fusión: uno poco profundo producido por soldadura en modo de conducción; una depresión profunda y estrecha creada mediante soldadura en modo de ojo de cerradura; y una depresión momentánea (generalmente en algún lugar entre el modo de ojo de cerradura y de conducción) creada por una soldadura en modo de penetración, que generalmente utiliza un láser pulsado (consulte la Figura 2).

Modo de conducción y modo de ojo de cerradura. Quienes conocen la soldadura por arco metálico con gas (GMAW o MIG) están familiarizados con el baño de fusión en modo de conducción y su sección transversal semicircular. Un tamaño de punto láser pequeño calienta la pieza lo suficiente como para crear una fusión. El calor se conduce desde el centro de la piscina hacia afuera, por lo que la piscina está más caliente en el centro y más fría en los bordes.

Las soldaduras en modo ojo de cerradura son todo lo contrario. Aquí, el láser tiene suficiente intensidad para llevar el metal líquido a su punto de ebullición y expulsar el metal vaporizado de la superficie a alta velocidad. El metal vaporizado empuja el metal líquido hacia abajo, creando un ojo de cerradura estrecho (ver Figura 3).

Ese ojo de cerradura crea efectivamente una especie de canal para el rayo láser, que cambia la forma en que calienta y funde el metal circundante. Un ojo de cerradura de soldadura puede tener 10 mm de profundidad pero sólo 1,5 mm de ancho, por lo que para lograr una soldadura, el proceso solo necesita fundir y volver a solidificar el metal que rodea ese ojo de cerradura de 1,5 mm.

FIGURA 2. La soldadura en modo de conducción (izquierda) crea una masa fundida amplia y poco profunda a medida que el calor se conduce desde el centro de la piscina hacia afuera. La soldadura en modo de penetración crea un baño de soldadura más profundo que el que puede crear una soldadura en modo de conducción, pero no es tan estrecho y profundo como una soldadura en modo de ojo de cerradura.

Compare esto con la soldadura en modo de conducción. El láser produce un charco que puede tener 10 mm de profundidad, pero el calor del haz se conduce hacia afuera para crear un charco de soldadura de 20 mm de ancho donde todo el metal debe licuarse y solidificarse. Por supuesto, esto no hace que la soldadura en modo de conducción sea inherentemente mala. Simplemente se utiliza para lograr diferentes objetivos, como juntas de esquinas estéticamente perfectas y soldaduras en materiales finos. Más allá de la soldadura, el modo de conducción se utiliza para revestimiento láser, logrando de manera efectiva una dilución muy baja entre el material de revestimiento y base, así como para aplicaciones de aditivos.

Modo de penetración. La soldadura en modo de penetración utiliza láseres pulsados, que tienen potencias máximas altas pero potencias promedio bajas. Por ejemplo, un láser pulsado con una potencia media de 150 W podría tener una potencia máxima de 1.500 W. Pensemos en golpear un clavo con un martillo. Si simplemente colocas el martillo sobre la cabeza del clavo, no pasa nada; eso sería como intentar soldar con sólo 150 W de potencia. Si mueves el martillo y golpeas el clavo de la manera correcta, puede penetrar completamente después de un solo golpe; eso es soldadura por impulsos con alta potencia máxima.

La soldadura en modo de penetración no crea una depresión estrecha como la soldadura en modo de ojo de cerradura, pero puede crear un baño de soldadura más profundo que ancho. También ayuda a controlar la entrada de calor mientras crea un baño de soldadura mucho más ancho que el ojo de una cerradura.

Los pulsos se pueden ajustar y moldear para la aplicación. Por ejemplo, un pulso moldeado es una forma temporal en la que la potencia máxima del láser se ajusta con el tiempo. Esto se utiliza a menudo para reducir la velocidad de enfriamiento y minimizar el agrietamiento en materiales con alto contenido de carbono. Otros pulsos con formas mejoran el pico inicial, aumentando la absorción en aluminio y otros materiales altamente reflectantes. A veces, los pulsos iniciales se utilizan para limpiar la superficie del material de residuos, óxidos o aceites antes de que los pulsos posteriores creen el baño de fusión y comiencen a soldar.

La estabilidad del ojo de cerradura es importante, especialmente en soldaduras de penetración parcial. De hecho, muchas aplicaciones especifican una penetración total para mitigar esos problemas de estabilidad del ojo de cerradura.

A veces, debido al diseño de la junta u otras características de la pieza, un ojo de cerradura de penetración total simplemente no es una opción. Sin embargo, un ojo de cerradura de penetración parcial tiene más posibilidades de desviarse, es decir, moverse hacia arriba y hacia abajo a medida que avanza la soldadura. Este movimiento puede dejar huecos que se sellan con líquido y crean un poro.

La principal preocupación con los láseres de 1 micrón es la dispersión del haz causada por el hollín que flota durante la soldadura. Esto cambia el punto de enfoque y reduce la potencia del láser. El ojo de la cerradura puede moverse hacia la izquierda o hacia la derecha, dependiendo de dónde se encuentren las concentraciones de hollín. Tal movimiento dificulta la vaporización constante del metal, lo que en última instancia puede provocar el colapso del ojo de la cerradura.

En este caso ayuda un flujo de gas adecuado, que evacua las impurezas y otros elementos no deseados de la zona de soldadura. Cuando se utiliza un láser de fibra o de disco, los chorros de gas auxiliar alejan el hollín de la zona de soldadura, a menudo hacia un área de recolección de humos.

Los rayos láser de CO2 no interactúan con el hollín, pero sí con la columna de humo que se encuentra en la parte superior de la soldadura. El problema comienza con la forma en que el haz de 10 micrones interactúa con los electrones libres de la columna. Una vez que la columna absorbe suficientes fotones, se convierte en una bola blanca de plasma que detiene efectivamente la soldadura láser. Para evitar esto, los sistemas de soldadura láser incorporan chorros de gas que empujan la columna hacia el metal solidificado que se encuentra detrás de la zona de soldadura.

Debido a que su fase líquida tiene una vida muy corta, la soldadura láser induce muy poca oxidación, lo que significa que a menudo no es necesario el gas protector. Aún así, algunas aplicaciones, especialmente en la industria médica, requieren una oxidación casi nula, por lo que estas configuraciones de soldadura láser a menudo utilizan algún tipo de gas protector.

FIGURA 3. En la soldadura en modo de ojo de cerradura, la viga vaporiza el metal para crear una depresión estrecha, ya sea parcial o completamente a través de la junta. Minimizar las turbulencias es clave. La turbulencia en el ojo de la cerradura provoca inestabilidad, lo que hace que el metal líquido selle los huecos y cree poros.

En muchos casos, una aplicación de soldadura láser puede no requerir un gas protector, pero sí un gas auxiliar de soldadura, que ayuda a evacuar impurezas y elementos no deseados como el hollín de las soldaduras con láser de fibra y las columnas de plasma de las soldaduras con láser de CO2. Algunas aplicaciones utilizan gas como una especie de protección que suprime la formación de penacho de plasma. Otros utilizan cuchillas de aire que alejan las chispas y otros residuos de la sensible óptica de soldadura.

Gran parte de la soldadura láser se realiza sin metal de aportación, pero algunas aplicaciones lo requieren. Generalmente se agrega metal de aportación para superar un espacio determinado o por razones metalúrgicas, como evitar problemas de agrietamiento.

Una carga de níquel puede superar los problemas de agrietamiento en ciertas aleaciones a base de hierro y aceros inoxidables. Para el aluminio, a veces se utiliza un relleno de la serie 4000 con alto contenido de silicio, como el 4047, para soldar dos aluminios de la serie 6000 entre sí.

Con respecto a los espacios aceptables entre los metales base, la regla general tradicional es no tener un espacio mayor al 10% del espesor del material base más delgado. Es solo una regla general y puede cambiar según el espesor del material y la aplicación. Sin embargo, las nuevas tecnologías láser están permitiendo brechas más grandes, que es donde entra en juego la manipulación del haz.

Quienes producen piezas en bruto soldadas a medida enfrentan un desafío con cada soldadura a tope que realizan: están soldando dos metales base de diferentes espesores. Para optimizar el proceso, algunos han empleado soldadura láser con óptica dual en la que un prisma divide el rayo láser en dos puntos de enfoque. La potencia se puede ajustar de un punto a otro para obtener resultados óptimos, superando cualquier espacio excesivo, así como los desafíos que surgen al soldar dos espesores de material diferentes.

Configuraciones similares pueden producir múltiples puntos de enfoque, ya sea usando un prisma o un espejo facetado, en soldadura continua o en una configuración de soldadura por puntos con un láser pulsado. Algunos cabezales de soldadura tienen prismas que pueden producir tres o incluso cuatro puntos simultáneamente.

Cabezales especiales con óptica difractada o esculpida toman la salida del láser y crean un foco rectangular con una densidad de potencia uniforme. Esto puede funcionar bien en algunas aplicaciones de soldadura, pero es más común en el tratamiento térmico y el revestimiento, especialmente en aplicaciones de revestimiento con láser alimentado por alambre que requieren niveles precisos de dilución entre el metal base y el revestimiento y altas tasas de deposición. Algunas pueden depositar material a velocidades de hasta 20 kg por hora.

Otras aplicaciones utilizan espejos accionados por galvanómetros para mover el punto de enfoque más rápido. Esto es común en configuraciones de soldadura láser remota (donde la distancia de enfoque puede ser de un metro o más) en las que los galvos mueven el punto del haz de un área a la siguiente casi instantáneamente. Otros utilizan dispositivos optomecánicos para mover el punto, como una configuración en la que los prismas de cuña giratorios crean una trayectoria circular de rápido movimiento (consulte la Figura 4).

Ciertas aplicaciones avanzadas mueven el punto en una trayectoria circular pequeña y precisa para crear un punto más grande, y otras escanean el haz para crear una interfaz más grande entre la soldadura y el metal base. Este movimiento a menudo funciona en conjunto con láseres pulsados ​​con alta potencia máxima que ayudan a romper la reflectividad, como cuando se suelda cobre con aluminio.

Otro avance reciente es la soldadura por agitación láser (LSW) o soldadura por oscilación, un proceso que manipula el haz en una trayectoria circular continua o de otro tipo, diseñado para suavizar la superficie de soldadura, aumentar el ancho y eliminar la porosidad. Con una potencia láser alta y una velocidad de rotación lenta, LSW crea un charco fundido continuo con una gran zona de fusión, lo que permite que el gas se evacue y el líquido "curar" los huecos (consulte la Figura 5).

FIGURA 4. Dos prismas de cuña giran para enviar el rayo láser en una trayectoria circular.

En algunas aplicaciones de LSW, la viga gira tan rápidamente que el metal de soldadura literalmente se solidifica justo detrás de ella. En estos casos, el objetivo no es aumentar la resistencia de la soldadura o crear un gran charco de fusión y eliminar la porosidad, sino ajustar las características de resistencia entre los metales base. Soldar de esta manera minimiza la entrada de calor al tiempo que aumenta la sección transversal de la soldadura, lo que reduce la resistencia.

Hoy en día, la soldadura láser es sinónimo de calidad. Como solo un ejemplo, algunos de los sistemas monomodo más avanzados han creado soldaduras de ojo de cerradura precisas que, cuando se examina su microestructura, no parecen soldaduras en absoluto. Sólo existe una línea más tenue entre el metal base y el baño de fusión. Esta calidad provino de un láser de fibra monomodo con un tamaño de punto extremadamente pequeño combinado con una profundidad de enfoque muy alta. Estas soldaduras simplemente no eran posibles hasta hace poco.

A lo largo de los años, los láseres han hecho que lo que antes no era soldable sea soldable, y han hecho que los procesos que antes eran arduos y que consumían mucho tiempo sean más simples y rápidos. Me vienen a la mente las uniones de esquina soldadas en modo de conducción. Los láser las sueldan en una sola pasada y las piezas de trabajo fluyen directamente al ensamblaje final sin necesidad de esmerilar ni pulir. Se ven perfectos tal cual. La soldadura en sí puede ser un poco más rápida, pero es la calidad lo que hace que el láser realmente brille.

FIGURA 5. La soldadura por agitación láser mueve el haz en una trayectoria circular para crear una soldadura más amplia.