Soldadura láser gruesa con tecnología de modelado de haz dinámico

Esta ilustración conceptual muestra una placa de 70 mm de espesor de soldadura por láser de haz dinámico en una sola pasada.

En FABTECH 2022 en Atlanta, los asistentes podían sentarse en una estación de trabajo en el stand de Civan Lasers, hacer clic en algunos puntos en una pantalla y personalizar un perfil de energía del haz de soldadura láser y la profundidad de enfoque, gracias a lo que Civan llama láser de haz dinámico, o DBL, tecnología.

DBL ha llevado a algunos logros sorprendentes, el más reciente anunciado el 9 de febrero, cuando la compañía dijo que completó una soldadura de un solo paso de 70 mm de profundidad, realizada a presión atmosférica, sin necesidad de vacío.

La compañía israelí no manipula su láser mecánicamente, confiando en espejos galvanométricos que tambalean el punto del haz. En cambio, la manipulación ocurre dentro del propio láser.

"Tenemos más de 30 fibras y el objetivo es controlar el patrón de difracción. Con esto, puede diseñar cualquier distribución de energía que desee en la pieza de trabajo".

Eso fue Ami Spira, gerente de marketing de Civan, describiendo los conceptos básicos detrás de la tecnología de combinación de haz coherente (CBC) y matriz en fase óptica (OPA) de la compañía, los dos componentes básicos detrás de DBL. "Esto permite al usuario realizar muchas aplicaciones que antes no eran posibles con un láser".

En el stand, los asistentes podían hacer clic en un patrón de cuadrícula para definir un perfil de viga en estilo de forma libre. "Esa es la forma, pero también podemos controlar la densidad", explicó Spira. "Por ejemplo, digamos que quiero crear más energía en esta área". Señaló un área ligeramente descentrada dentro del perfil del haz. "Simplemente puedo agregar un clic aquí, y ahora tengo mucha más energía en esa área".

Otro parámetro de control implica el patrón de difracción. "Tiene que ver con la forma en que generamos el láser", dijo. "Nuestro cabezal óptico tiene varios haces que emiten luz y se superponen para generar ese patrón de difracción. Y al controlar las fases de cada láser, podemos [cambiar las características del haz] en las direcciones X, Y y Z".

El eje Z es especialmente crítico porque otorga nuevos niveles de control a la profundidad de enfoque del haz. "Por ejemplo, usando una distancia focal de 1,5 m, podríamos tener una profundidad de enfoque de casi 30 mm. Y si tenemos 3 m [distancia focal], entonces la profundidad de enfoque sería más del doble".

Tal profundidad de enfoque, combinada con otras mejoras en los parámetros del haz, han llevado a Civan a aplicaciones novedosas. Uno de los más recientes involucra la soldadura de un solo paso de material extremadamente grueso en una configuración de junta a tope. Una asociación entre Civan y AMET, una empresa en Rexburg, Idaho, que se especializa en sistemas de soldadura automatizados, incluidos aquellos que involucran juntas de soldadura muy gruesas, ayuda a que esto sea posible.

"[Civan] estaba buscando un socio en los EE. UU. para proporcionar sistemas integrados", dijo Don Schwemmer, presidente de AMET, durante una entrevista en FABTECH. "Queríamos trabajar con un proveedor [y] desarrollador de láser. Y el lado del control es realmente nuestra fortaleza. Con la posibilidad de manipular la forma del haz y las distancias focales en el láser, podemos agregar eso a nuestro paquete [de control]. . Ahora tenemos una enorme caja de herramientas con la que trabajar, en lugar de solo un par de llaves. Es realmente una buena opción".

El láser de haz dinámico utiliza tecnología de matriz de fase óptica y combinación de haz coherente (que se muestra aquí) para crear un haz personalizado para la aplicación.

En FABTECH, Civan exhibió muestras de trabajo que mostraron la capacidad del DBL para producir soldaduras fuertes en material sensible a las grietas, poros reducidos y salpicaduras gracias a las formas de los haces que estabilizan el ojo de la cerradura y la capacidad de controlar las propiedades de materiales diferentes.

Según un libro blanco de Civan, la tecnología DBL altera las características del haz de cuatro maneras. La primera es a través de la conformación del haz, donde los usuarios diseñan una forma específica para que coincida con una aplicación específica. Esto brinda a los ingenieros la capacidad de probar "múltiples formas para optimizar la mejor forma para la soldadura específica. Por ejemplo, al soldar metales diferentes, DBL permitiría el uso de dos puntos láser que se mueven al mismo tiempo (imagine el movimiento de una cocina mezclador) para proporcionar una soldadura homogénea.

Otra variable es la frecuencia de la forma, o la capacidad de crear la forma en diferentes intervalos. Cuanto mayor es la frecuencia, más cerca de "estático" se comporta el haz. "Las frecuencias rápidas como 50 MHz, por ejemplo, son tan rápidas que el haz se comporta en una forma cuasiestática", afirma el libro blanco, y agrega que una frecuencia tan rápida produce resultados completamente diferentes a las frecuencias en el rango de hercios o kilohercios.

El tercer parámetro es la secuenciación del haz, que permite que el láser cambie entre formas de haz tan rápido como en un microsegundo. "Esto significa que puede crear una serie de formas diferentes y programar el láser para que las atraviese en orden, a diferentes velocidades, en los intervalos que elija".

El cuarto parámetro es la dirección de enfoque. Una vez más, según el libro blanco, "esto significa que puede cambiar la posición focal en el eje Z dentro del material en cualquier momento y a cualquier velocidad durante el proceso. La dirección del enfoque es especialmente beneficiosa cuando se sueldan materiales más gruesos, lo que permite una soldadura más suave y soldadura más consistente".

Esta dirección de enfoque está siendo utilizada por AMET y otros para la soldadura de placas gruesas de una sola pasada. También es así como Civan logró esa soldadura de un solo paso en material de 70 mm de espesor en la aplicación anunciada a principios de este año.

La soldadura de placas gruesas es solo una de las áreas de aplicación que la empresa ha abordado en los últimos años. En el otro extremo del espectro de espesores, la compañía participó en el Proyecto Eureka en el Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser en Alemania, trabajando en la soldadura de velocidad de avance ultra alta de placas bipolares en celdas de combustible, un proyecto que involucra láminas de solo 0,1 mm de espesor. y velocidades de soldadura de 1.500 mm/segundo.

Para este proyecto, los investigadores moldearon el haz de tal manera que combinara puntos de alta intensidad con áreas adicionales de menor intensidad energética, una disposición que permitió un precalentamiento y un poscalentamiento muy breves del material. Esto ayudó a controlar cómo se formaba y solidificaba el charco derretido. También cambiaron la forma del haz (que puede ocurrir a mitad del proceso) a un óvalo para reducir la velocidad de flujo del charco derretido detrás del ojo de la cerradura. Esto permitió a los investigadores aumentar la velocidad de soldadura sin crear defectos.

Aunque Civan se ha centrado en gran medida en la soldadura por láser, también ha profundizado en otros procesos industriales por láser. Por ejemplo, la empresa se asoció con Smart Move GmbH en Alemania para desarrollar una nueva tecnología de soldadura por láser y fusión de lecho de polvo por láser para la fabricación aditiva.

La compañía también ha publicado algunos artículos que detallan los resultados de las pruebas de una aplicación de corte por láser que ejemplifica los beneficios de la dirección de enfoque. Específicamente, la compañía cortó acero inoxidable 304L de 15 mm de espesor con un láser de enfoque de alta profundidad, monomodo y de 8 kW. La viga tenía la forma de una espiral con dos puntos en una orientación vertical. Según el documento, la dirección de enfoque se produjo con los puntos "ubicados en el centro del material y dirigidos hacia arriba y hacia abajo a ± 8 mm a través del eje Z. La frecuencia de dirección de enfoque se fijó en 5,4 a 16 Hz a una velocidad de alimentación de 15 a 18 mm/segundo... la dirección de enfoque mejora el control sobre el material fundido y permite una aspereza más suave con menos escoria".

Una interfaz en FABTECH permitió a los asistentes hacer clic y personalizar un perfil de haz.

Más allá de esto, Civan se asoció con SLTL (Sahajanand Laser Technology Limited), una empresa india, para crear una máquina que realiza soldadura y corte por láser 3D. Según un comunicado de prensa de Civan, "Este proyecto creará un sistema completo de extremo a extremo con láseres dinámicos de modelado de haces".

La tecnología de Civan podría ser un presagio. El rayo láser industrial ya no es estático. Ha evolucionado hasta convertirse en una verdadera navaja suiza de fabricación de metal, capaz de moldearse, secuenciarse y enfocarse de múltiples maneras y frecuencias, todo optimizado para la aplicación en cuestión.

El láser de haz dinámico de Civan se puede personalizar con perfiles para adaptarse a una aplicación específica.