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 asombrosa variedad de aplicaciones.

Nota del editor: lo siguiente se basa en "Introducción a la soldadura láser industrial", presentado 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 impregnado la fabricación de metales de precisión de alta gama. La tecnología cumple un papel vital en la fabricación de dispositivos médicos y automotrices y en piezas para la electrónica aeroespacial y de precisión. Ahora está apareciendo en más lugares que nunca, desde el OEM más grande hasta el taller de trabajo de chapa de precisión.

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

Los metales, en general, son muy reflectantes a 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 cientos de micrones de diámetro. Tal enfoque crea una densidad de potencia extrema.

Qué óptica transparente usar depende del láser y su longitud de onda. Los láseres de CO2 emiten una longitud de onda de 10,6 micrones. El vidrio estándar no es transparente a eso, razón por la cual estos láseres usan un material de lente alternativo como el seleniuro de zinc (ZnSe). Los láseres de una micra, incluidos los de fibra, disco y YAG, utilizan sílice o vidrio fundidos.

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

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

La óptica láser enfoca el diámetro del haz sin procesar para crear una profundidad de foco, donde el haz tiene suficiente intensidad para procesar el material. El punto más angosto en 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, extender la distancia focal puede cambiar la posición de enfoque y aumentar la profundidad de enfoque, lo que puede aumentar la penetración de la soldadura.

FIGURA 1. Variables como el diámetro del haz, la profundidad de foco, el tamaño del punto y la distancia focal se interrelacionan.

Otro factor es la calidad del rayo, o la capacidad de enfoque innata del rayo láser. Esto no se puede ajustar, varía según el tipo y el diseño del láser, pero el parámetro afecta la forma en que se marca el proceso general. Los láseres con la calidad de haz más alta se denominan láseres monomodo, que tienen un haz puramente gaussiano o TEM00 con un perfil de densidad de potencia que es muy intenso en el centro y menos intenso cerca de los bordes. La alta calidad del haz 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 micras tendrá un tamaño de punto 10 veces mayor que un láser de fibra con una longitud de onda de 1 micra. En general, una longitud de onda más corta también significa un tamaño de punto de enfoque más pequeño.

Una vez más, el objetivo de enfocar 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, tanto que comienza a convertir el baño de soldadura líquida 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 refleja 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 por láser es como un mal corte por láser. En lugar de remover metal, lo licua de manera controlada. Al igual que en el corte, un láser puede usar más potencia para soldar más rápido y más grueso. Pero el proceso no se basa en 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 por 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 todas afectan la forma en que un metal en particular absorbe la energía del haz. Los materiales con muy buena conductividad térmica, como el oro y la plata, pueden presentar desafíos en la soldadura por láser. Los materiales disipadores de calor como el cobre, que tienen una alta difusividad térmica (lo bien que 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 presenta más consideraciones metalúrgicas. El corte por láser convierte una pieza en dos. La soldadura láser implica factores metalúrgicos como la resistencia, la porosidad, la fragilidad y las microfisuras.

La soldadura láser produce tres tipos comunes de charcos de fusión: uno poco profundo producido por la soldadura en modo de conducción; una depresión profunda y angosta creada por soldadura tipo ojo de cerradura; y una depresión momentánea (generalmente en algún lugar entre el ojo de la cerradura y el modo 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 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 en semicírculo. Un tamaño de punto de 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 angosto (vea la Figura 3).

Ese ojo de cerradura crea efectivamente una especie de canal para el rayo láser, que cambia la forma en que calienta y derrite el metal circundante. Un ojo de cerradura de soldadura puede tener 10 mm de profundidad pero solo 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 un derretimiento ancho y poco profundo 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 una soldadura en modo de conducción, pero no es tan estrecho y profundo como una soldadura en modo 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 volver a solidificarse. Por supuesto, esto no hace que la soldadura en modo conducción sea inherentemente mala. Simplemente se utiliza para lograr diferentes objetivos, como juntas de esquina estéticamente perfectas y soldaduras en materiales delgados. Más allá de la soldadura, el modo de conducción se utiliza para el revestimiento con láser, logrando efectivamente una dilución muy baja entre el revestimiento y el material base, así como 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 promedio de 150 W podría tener una potencia máxima de 1500 W. Piense en golpear un clavo con un martillo. Si solo coloca el martillo en la cabeza del clavo, no pasa nada; eso sería como intentar soldar con solo 150 W de potencia. Si balancea el martillo y golpea el clavo de la manera correcta, puede entrar completamente después de un solo golpe; eso es soldadura por pulsos con un alto pico de potencia.

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

Los pulsos se pueden ajustar y moldear para la aplicación. Por ejemplo, un pulso con forma es una forma temporal en la que la potencia máxima del láser se ajusta con el tiempo. Esto a menudo se usa para reducir la velocidad de enfriamiento y minimizar el agrietamiento en materiales con alto contenido de carbono. Los pulsos de otras 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 desechos, 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 la penetración total para mitigar esos problemas de estabilidad del ojo de la 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 una mayor probabilidad de desviarse, moviéndose hacia arriba y hacia abajo a medida que avanza la soldadura. Este movimiento puede dejar vacíos que se sellan con líquido, creando 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 en sí puede moverse hacia la izquierda o hacia la derecha, dependiendo de dónde se encuentren las concentraciones de hollín. Dicho movimiento dificulta la vaporización constante del metal, lo que en última instancia puede provocar el colapso del ojo de la cerradura.

El flujo de gas correcto ayuda aquí, evacuando 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 interactúan con el penacho 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 pluma. Una vez que el penacho absorbe suficientes fotones, se convierte en una bola blanca de plasma que detiene efectivamente la soldadura láser. Para evitar esto, los sistemas de soldadura por láser incorporan chorros de gas que empujan el penacho hacia el metal solidificado que sigue a 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 el gas de protección a menudo no es necesario. Aún así, algunas aplicaciones, especialmente en la industria médica, requieren una oxidación casi nula, por lo que estas configuraciones de soldadura láser a menudo usan algún tipo de gas de protección.

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

En muchos casos, es posible que una aplicación de soldadura láser no requiera un gas de protección, pero sí requiere un gas auxiliar de soldadura, que ayuda a evacuar las impurezas y los elementos no deseados, como el hollín de las soldaduras láser de fibra y las columnas de plasma de las soldaduras láser de CO2. Algunas aplicaciones usan gas como un tipo de protección que suprime la formación de penachos de plasma. Otros utilizan cuchillas de aire que expulsan chispas y otros desechos de las sensibles ópticas de soldadura.

Gran parte de la soldadura por láser ocurre sin metal de aporte, pero algunas aplicaciones lo requieren. El metal de aporte generalmente se agrega para superar un cierto espacio o por razones metalúrgicas, como para evitar problemas de agrietamiento.

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

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 grosor del material y la aplicación. Sin embargo, las nuevas tecnologías láser permiten espacios más grandes, que es donde entra en juego la manipulación del haz.

Aquellos que producen piezas en bruto soldadas a la medida enfrentan un desafío con cada soldadura de unión 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.

Los 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 revestimiento, especialmente en aplicaciones de revestimiento con láser alimentado por alambre que requieren niveles precisos de dilución entre el revestimiento y el metal base y altas tasas de deposición. Algunos pueden depositar material a velocidades de hasta 20 kg por hora.

Otras aplicaciones usan espejos impulsados ​​por galvanómetros para mover el punto de enfoque más rápido. Esto es común para las configuraciones de soldadura láser remotas (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 usan dispositivos optomecánicos para mover el punto, como una configuración en la que los prismas de cuña giratorios crean una trayectoria circular de movimiento rápido (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 junto con láseres pulsados ​​con un pico de potencia alto que ayuda a romper la reflectividad, como cuando se suelda cobre con aluminio.

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

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

En algunas aplicaciones de LSW, el haz gira tan rápido que el metal de soldadura literalmente se solidifica justo detrás de él. 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 marcar las características de resistencia entre los metales base. La soldadura de esta manera minimiza la entrada de calor al mismo 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. Solo existe la línea más tenue entre el metal base y el baño de fusión. Tal 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 se podía soldar se pueda soldar, y han hecho que los procesos que antes eran arduos y lentos fueran más simples y rápidos. Me vienen a la mente las juntas de esquina soldadas en modo de conducción. Los láseres 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 como están. 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 con láser mueve el haz en una trayectoria circular para crear una soldadura más ancha.