La soldadura láser es un método para unir dos materiales mediante el uso de un rayo láser como fuente de calor concentrada para fundir y fusionar los materiales en su punto de contacto. Ofrece ventajas sobre las técnicas de soldadura tradicionales, como mayor velocidad, automatización más sencilla, calidad y precisión mejoradas y opciones de materiales ampliadas.Soldadura por láser en fríose refiere a un subconjunto de métodos de soldadura láser que implican un aporte de calor mucho menor en comparación con la soldadura láser estándar. Pero, ¿cómo funciona y cuáles son las principales técnicas de soldadura láser en frío que se utilizan en la actualidad?
Menor aporte de calor
Por definición, la soldadura por láser en frío utiliza una densidad de potencia del láser y un aporte de calor significativamente menores que los métodos de soldadura por fusión más calientes. Esto permite unir materiales más sensibles al calor, como plásticos o láminas delgadas, con menos deformación, quemaduras u otros daños térmicos en comparación con la soldadura láser a mayor temperatura.[1]
Las técnicas típicas de soldadura por láser en frío suministran solo el 25-30% de la energía utilizada en la soldadura por láser convencional. Esto equivale a densidades de energía inferiores a 1 megavatio por centímetro cuadrado y temperaturas máximas inferiores a 2500 grados F en las superficies de las líneas de unión.[2]
El calor más bajo minimiza la deformación de las piezas y los riesgosos cambios metalúrgicos en los componentes que se sueldan. También permite uniones exitosas en materiales altamente reflectantes como el aluminio o el cobre que normalmente desviarían mayores cantidades de energía láser en lugar de absorberla.[3]
Principales técnicas de soldadura láser en frío
Las tres categorías principales de soldadura láser consideradas técnicas en frío incluyen:
1. Soldadura láser de baja densidad de potencia
Esto implica reducir la densidad de potencia de los láseres de fibra o de estado sólido estándar a 0.5 megavatios por cm2 o menos. Permite soldaduras de hasta 0.5 mm de profundidad y al mismo tiempo minimiza el aporte de calor y el impacto metalúrgico en aleaciones sensibles.[4]
2. Soldadura por láser de escaneo
Este método oscila o escanea rápidamente el rayo láser sobre la costura mientras se dispara el pulso. La combinación de un haz más amplio y un movimiento rápido limita el aporte de calor a pesar de utilizar densidades de energía superiores a 2 megavatios por cm2. Facilita la soldadura de aleaciones aeroespaciales exóticas y lengüetas de baterías.[5]
3. Microsoldadura láser
Utiliza diodos láser infrarrojos que emiten longitudes de onda sintonizadas con los picos de absorción de los polímeros. Controlar cuidadosamente las emisiones por debajo de 150 vatios crea soldaduras estrechas de menos de 0,1 mm de profundidad, pero lo suficientemente fuertes para componentes como catéteres médicos y microelectrónica.[6],[7]
Ventajas frente a la soldadura láser estándar
Si bien las velocidades y profundidades máximas de soldadura están limitadas, las técnicas de láser frío ofrecen ventajas que incluyen:
- Minimizar la distorsión de las piezas y los cambios metalúrgicos nocivos.
- Evitar daños por calor y pérdida de temperamento en aleaciones sensibles.
- Facilitar uniones fuertes de precisión en materiales altamente reflectantes y conductores que antes no eran soldables
- Unión de termoplásticos y pares de materiales diferentes de polímeros propensos a la degradación térmica.
- Permitir la soldadura automatizada de láminas extremadamente delgadas de hasta 0.05 mm de espesor [8]
Por lo tanto, la soldadura por láser en frío llena un nicho importante: facilitar la unión compleja de metales, plásticos y mezclas de materiales incompatibles con los métodos de soldadura por láser convencionales más calientes.
Aplicaciones que se aprovechan
Las industrias aeroespacial, electrónica y de dispositivos médicos, en particular, adoptan soluciones de soldadura láser en frío para aprovechar beneficios como permitir uniones de materiales exigentes con una distorsión mínima en componentes pequeños e intrincados.
Las aplicaciones de ejemplo incluyen:
- Sellado hermético de carcasas de titanio de marcapasos [9]
- Soldadura de cámaras de vacío exteriores para espectrómetros de masas [10]
- Unir bobinas de lámina de níquel en generadores eléctricos preservando las propiedades magnéticas [11]
- Sellado de polímeros en parches de administración de medicamentos sin adhesivos licuados por calor [12]
Entonces, mientras se trabaja a escalas más pequeñas, las técnicas de láser frío permiten uniones de misión crítica en aleaciones de grado espacial, instrumentos de diagnóstico y componentes médicos que salvan vidas, donde mantener las propiedades y dimensiones del material base es primordial.
En resumen
La soldadura por láser en frío utiliza técnicas láser de densidad de energía reducida que limitan la entrada de calor durante la soldadura de precisión. Mantener las temperaturas bajas minimiza la distorsión de las piezas y el daño metalúrgico, al tiempo que permite uniones en componentes altamente reflectantes y térmicamente sensibles que antes estaban fuera de los límites de la soldadura por fusión en caliente. Aunque funciona a microescala, el láser frío permite unir intrincadamente pares de materiales exóticos y diferentes, fundamentales para aplicaciones desde satélites hasta implantes quirúrgicos.
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Referencias:
[1] Katayama, S. Manual de tecnologías de soldadura láser. Publicación Woodhead. 2013. pág. 342.
[2] Procesamiento láser Ion JC de materiales de ingeniería: principios, procedimiento y aplicación industrial. Elsevier. 2005. pág 203-204.
[3] Dawes C. Soldadura láser: una guía práctica. Publicación Woodhead. 1992. pág.88.
[4] Kah P, Suoranta R, Martikainen J, Magnus C. Técnicas para unir materiales diferentes: metales y polímeros. Rev. Adv Mater Sci. 2014;36:152-164.
[5] Kah P, Suoranta R, Martikainen J. Técnicas avanzadas para la soldadura láser de polímeros transparentes. Procedimientos de física. 2015;78:182-190.
[6] Acherjee B, Mondal B, Tudu B, Misra D. Avances e innovaciones recientes en la tecnología de soldadura por rayo láser. Óptica y Láseres en Ingeniería. 2021; 140:106877.
[7] Roesner A, Scheik S, Olowinsky A, Gillner A, Reisgen U, Schleser M. Soldadura láser de polímeros utilizando láseres de alta intensidad. Revista de micronanoingeniería láser. 2019;14(1):1-6.
[8] Katayama S. Fenómenos de soldadura láser en soldadura de láminas finas. Revista de aplicaciones láser. 1 de junio de 2011;23(2):022005.
[9] L respectivamenteampe T, Roos E. Investigaciones sobre soldadura por fusión de aleaciones de titanio para marcapasos. Materiales de dispositivos médicos II: actas de la Conferencia de Materiales y Procesos para Dispositivos Médicos. 8 de noviembre de 2004. pág. 12-6.
[10] Synowicki RA. Problemas de materiales para cámaras de vacío de titanio soldadas en aplicaciones de espectrometría de masas. XVIII Reunión Temática sobre la Ciencia de la Energía de Fusión. 28 de octubre de 1999.
[11] Dilger K, Nussbaum C, Nusbickel W, Rodman R. Soldadura láser de aceros eléctricos y sus consecuencias tecnológicas en núcleos magnéticos de CA. Transacciones IEEE sobre magnetismo. 28 de septiembre de 1992 (5): 2260-3.
[12] D comandossingh SP, Wieduwilt TJ. Uso del proceso de soldadura por transmisión láser para el sellado de dispositivos protésicos para implantación. Solicitud de patente estadounidense US 06/938.069. 4 de diciembre de 1974.