¿Qué es la soldadura láser?

La soldadura láser es un aspecto importante de la tecnología de procesamiento de materiales mediante láser y, a menudo, se la denomina máquina de soldadura láser. Se suele clasificar, según su modo de funcionamiento, en máquinas de soldadura por molde láser (máquinas de soldadura manuales), máquinas de soldadura láser automáticas, máquinas de soldadura por puntos láser y máquinas de soldadura láser de fibra. La soldadura láser utiliza pulsos láser de alta energía para calentar localmente pequeñas áreas del material. La energía de la radiación láser se difunde en el material a través de la conducción térmica, fundiendo el material y formando un baño de fusión específico para lograr el propósito de la soldadura.

En la década de 1970, la soldadura láser se utilizaba principalmente para soldar materiales de paredes delgadas y para soldaduras de baja velocidad. El proceso es de tipo de conducción de calor, lo que significa que la radiación láser calienta la superficie de la pieza de trabajo y luego el calor se difunde hacia el interior a través de la conducción. Al controlar parámetros como el ancho del pulso láser, la energía, la potencia máxima y la frecuencia de repetición, la pieza de trabajo se funde para formar un baño de fusión específico. Debido a sus ventajas únicas, la soldadura láser se ha aplicado con éxito a la soldadura precisa de piezas micro y pequeñas.

La aparición de láseres de CO2 y YAG de alta potencia ha abierto nuevos campos para la soldadura láser, dando lugar a la soldadura de penetración profunda basada en la teoría del efecto de orificio pequeño. Esto ha dado lugar a aplicaciones cada vez más extendidas en industrias como la maquinaria, la automoción y el acero.

En comparación con otras tecnologías de soldadura, las principales ventajas de la soldadura láser son:

1. Alta velocidad, gran profundidad y deformación mínima.:El proceso es rápido, consigue soldaduras profundas con mínima deformación.

2.Versatilidad en condiciones de soldadura:La soldadura se puede realizar a temperatura ambiente o en condiciones especiales, con una configuración sencilla del equipo. Por ejemplo, los láseres pueden funcionar a través de campos electromagnéticos sin deflexión del haz; la soldadura se puede realizar en entornos de vacío, aire o ciertos gases, y a través de materiales transparentes como el vidrio.

3. Capacidad para soldar materiales difíciles de fundirLa soldadura láser puede manejar materiales como titanio y cuarzo y lograr buenos resultados con materiales diferentes.

4.Alta densidad de potencia:Después de enfocar, el láser tiene una alta densidad de potencia. En aplicaciones de soldadura de alta potencia, la relación profundidad-ancho puede alcanzar hasta 5:1 y, en algunos casos, hasta 10:1.

5. Capacidad de micro soldadura:El rayo láser se puede enfocar para lograr puntos muy pequeños y un posicionamiento preciso, lo que lo hace adecuado para piezas micro y pequeñas en producción automatizada de gran volumen.

6.Acceso a zonas de difícil acceso:La soldadura láser permite realizar soldaduras remotas sin contacto con gran flexibilidad. Los recientes avances en la tecnología láser YAG, como la tecnología de transmisión por fibra, han ampliado aún más la aplicación de la soldadura láser.

7. Procesamiento de haces múltiples:Los rayos láser se pueden dividir espacial y temporalmente, lo que permite el procesamiento simultáneo con múltiples rayos y múltiples estaciones de trabajo, proporcionando condiciones para una soldadura más precisa.

Sin embargo, la soldadura láser también tiene ciertas limitaciones:

1.Requisito de alta precisión:La pieza de trabajo debe ensamblarse con alta precisión y el rayo láser debe posicionarse con precisión sobre la pieza de trabajo. Dado que el punto láser es muy pequeño después de enfocar y la costura de soldadura es estrecha, es fundamental garantizar que el ensamblaje de la pieza de trabajo y la posición del rayo sean precisos para evitar defectos de soldadura.

2. Alto costo:El coste de los láseres y sistemas relacionados es relativamente alto, lo que representa una inversión inicial significativa.

1.Densidad de potencia

La densidad de potencia es uno de los parámetros más críticos en el procesamiento láser. Una mayor densidad de potencia puede calentar la superficie hasta su punto de ebullición en microsegundos, lo que provoca una vaporización significativa. Por lo tanto, una alta densidad de potencia es beneficiosa para los procesos de eliminación de material, como la perforación, el corte y el grabado. Para densidades de potencia más bajas, la temperatura de la superficie tarda varios milisegundos en alcanzar el punto de ebullición. Antes de que la superficie se vaporice, las capas subyacentes alcanzan el punto de fusión, lo que facilita una buena soldadura por fusión. En la soldadura láser de tipo conducción, la densidad de potencia suele oscilar entre 10410^4104 y 10610^6106 W/cm².

2. Forma de onda del pulso láser

La forma de onda del pulso láser es un aspecto importante en la soldadura láser, especialmente en la soldadura de láminas delgadas. Cuando un haz láser de alta intensidad incide sobre la superficie del material, entre el 60 % y el 98 % de la energía láser se refleja y la reflectividad varía con la temperatura de la superficie. Durante un solo pulso láser, la reflectividad del metal cambia significativamente.

3.Duración del pulso láser

La duración del pulso es un parámetro crucial en la soldadura láser pulsada. Distingue entre la eliminación y la fusión del material y también es un factor clave para determinar el costo y el tamaño del equipo de procesamiento.

4. Impacto de la distancia de enfoque en la calidad de la soldadura

La soldadura láser suele requerir un cierto grado de desenfoque porque la densidad de potencia en el punto focal del láser es muy alta, lo que puede provocar la formación de agujeros debido a la evaporación. En los planos alejados del punto focal del láser, la distribución de la densidad de potencia es relativamente uniforme.

Existen dos tipos de desenfoque: desenfoque positivo y desenfoque negativo. El desenfoque positivo se produce cuando el plano focal está por encima de la pieza de trabajo, mientras que el desenfoque negativo se produce cuando el plano focal está por debajo de la pieza de trabajo. Según la teoría de la óptica geométrica, cuando el desenfoque positivo y negativo son iguales, la densidad de potencia en los planos correspondientes es aproximadamente la misma. Sin embargo, las formas de los baños de fusión obtenidos son diferentes.

El desenfoque negativo puede dar como resultado una mayor profundidad de fusión, lo que está relacionado con el proceso de formación del baño de fusión. Los experimentos han demostrado que cuando el láser calienta el material durante 50 a 200 microsegundos, el material comienza a fundirse, formando metal líquido y vaporización, creando vapor a alta presión que se expulsa a velocidades muy altas, produciendo una luz blanca brillante. Simultáneamente, la alta concentración de gas hace que el metal líquido se mueva hacia el borde del baño de fusión, formando una depresión en el centro del baño. Durante el desenfoque negativo, la densidad de potencia dentro del material es mayor que en la superficie, lo que conduce a una fusión y vaporización más fuertes, lo que permite que la energía de la luz penetre más profundamente en el material. Por lo tanto, en aplicaciones prácticas, el desenfoque negativo se utiliza cuando se requiere una mayor profundidad de fusión, mientras que el desenfoque positivo se prefiere para soldar materiales delgados.

1. Soldadura entre láminas

Esto incluye cuatro métodos de proceso: soldadura a tope, soldadura de borde, soldadura por fusión con penetración central y soldadura por fusión con perforación central.

2. Soldadura entre alambres

Esto incluye cuatro métodos de proceso: soldadura a tope de cable a cable, soldadura transversal, soldadura traslapada paralela y soldadura de unión en T.

3. Soldadura de alambres metálicos a componentes de bloques

La soldadura láser permite unir con éxito cables metálicos a componentes de bloques, y el tamaño de estos últimos es flexible. Durante la soldadura, se debe prestar atención a las dimensiones geométricas de los componentes de cables.

4.Soldadura de diferentes metales

La soldadura de distintos tipos de metales implica tener en cuenta la soldabilidad y la variedad de parámetros de soldadura. La soldadura láser entre distintos materiales solo es posible para combinaciones de materiales específicas.

Algunas conexiones entre componentes no son aptas para la soldadura por fusión láser, pero pueden beneficiarse del uso de láseres como fuente de calor para la soldadura blanda y la soldadura dura, que ofrecen ventajas similares a la soldadura por fusión láser. Existen varios métodos de soldadura, y la soldadura blanda láser se utiliza principalmente para soldar placas de circuitos impresos, en particular en el ensamblaje de componentes tipo lámina. En comparación con otros métodos, la soldadura blanda láser ofrece las siguientes ventajas:

1.Calefacción localizada:Como el calentamiento es localizado, los componentes tienen menos probabilidades de sufrir daños térmicos y la zona afectada por el calor es pequeña, lo que permite realizar soldaduras blandas cerca de componentes sensibles al calor.

2.Calefacción sin contacto:Con calentamiento sin contacto y una amplia zona de fusión, no se requieren herramientas adicionales. Este método permite el procesamiento después de que los componentes se hayan montado en ambos lados de una placa de circuito impreso de doble cara.

3. Repetibilidad estable:La estabilidad de las operaciones repetitivas es alta. El fundente tiene una contaminación mínima de las herramientas de soldadura y el tiempo de exposición al láser y la potencia de salida se controlan fácilmente, lo que da como resultado un alto rendimiento de los productos soldados con láser.

4. Fácil división del hazLos rayos láser se pueden dividir fácilmente utilizando componentes ópticos como espejos semitransparentes, reflectores, prismas y espejos de escaneo, lo que permite una soldadura simétrica simultánea en múltiples puntos.

5. Flexibilidad de longitud de onda:La soldadura láser utiliza habitualmente láseres con una longitud de onda de 1,06 µm como fuente de calor, que pueden transmitirse a través de fibras ópticas. Esto permite procesar zonas difíciles de soldar con métodos convencionales, ofreciendo una mayor flexibilidad.

6.Buena capacidad de enfoque:La capacidad de enfoque es excelente, lo que facilita la automatización con dispositivos multiestación.

Procesos metalúrgicos y principios teóricos

Los procesos metalúrgicos y físicos de la soldadura por penetración profunda con láser son muy similares a los de la soldadura por haz de electrones, donde el mecanismo de conversión de energía se logra a través de una estructura de "agujero pequeño". Bajo la irradiación de un haz con una densidad de potencia suficientemente alta, el material se evapora para formar un pequeño agujero. Este pequeño agujero lleno de vapor actúa como un cuerpo negro, absorbiendo casi toda la energía de la luz incidente, con una temperatura de equilibrio dentro de la cavidad que alcanza aproximadamente 25,000 grados Celsius. El calor se transfiere desde la pared de la cavidad de alta temperatura, lo que hace que el metal circundante se derrita. El pequeño agujero se llena con vapor de alta temperatura generado por la evaporación continua del material de la pared debajo del haz. Las paredes del pequeño agujero están rodeadas de metal fundido y el metal líquido está recubierto por material sólido. El flujo de líquido fuera del agujero y la tensión superficial de la capa de la pared equilibran la presión de vapor continua dentro de la cavidad, manteniendo el equilibrio dinámico. El haz entra continuamente en el pequeño agujero y el material fuera del agujero fluye continuamente. A medida que el haz se mueve, el pequeño agujero permanece en un estado de flujo estable. En otras palabras, el pequeño orificio y el metal fundido circundante se mueven hacia adelante con el haz principal, y el metal fundido llena el espacio dejado por el pequeño orificio y posteriormente se solidifica, formando así la soldadura.

Factores de influencia

Los factores que influyen en la soldadura de penetración profunda con láser incluyen: la potencia del láser, el diámetro del rayo láser, la capacidad de absorción del material, la velocidad de soldadura, el gas de protección, la distancia focal de la lente, la posición del punto focal, la posición del rayo láser y el aumento y la disminución gradual de la potencia del láser en los puntos de inicio y final de la soldadura.

Características y ventajas de la soldadura por penetración profunda con láser

Características:

1. Alta relación profundidad-anchura:El metal fundido se forma y se extiende alrededor de la cavidad cilíndrica de vapor de alta temperatura, dando como resultado una soldadura profunda y estrecha.

2. Entrada mínima de calor:Debido a la temperatura muy alta en la cavidad fuente, el proceso de fusión ocurre extremadamente rápido, con un aporte de calor muy bajo a la pieza de trabajo, lo que genera una distorsión térmica mínima y una zona afectada por el calor.

3.Alta densidad:El pequeño orificio lleno de vapor a alta temperatura facilita la agitación del baño de fusión y el escape de gas, lo que da como resultado soldaduras sin poros. La alta velocidad de enfriamiento después de la soldadura también ayuda a refinar la microestructura de la soldadura.

4. Soldaduras fuertes:Las soldaduras resultantes son robustas y duraderas.

5. Control preciso:El proceso permite un control preciso sobre los parámetros de soldadura.

6. Proceso de soldadura atmosférica sin contacto:El proceso de soldadura no implica contacto directo y se realiza en un ambiente atmosférico.

Ventajas:

1. Alta velocidad de soldadura y mínima distorsión.:El haz láser enfocado tiene una densidad de potencia mucho mayor en comparación con los métodos convencionales, lo que da como resultado velocidades de soldadura más rápidas, zonas afectadas por el calor más pequeñas y menos distorsión. También permite soldar materiales difíciles como el titanio y el cuarzo.

2. Reducción del tiempo de inactividad y aumento de la eficiencia:La facilidad de transmisión y control del haz, junto con la menor necesidad de reemplazos frecuentes de antorchas o boquillas, disminuye significativamente el tiempo de inactividad de las operaciones auxiliares, lo que genera una mayor eficiencia y productividad.

3. Soldaduras resistentes con un alto rendimiento general:El efecto purificador y la alta tasa de enfriamiento dan como resultado soldaduras fuertes con un alto rendimiento general.

4. Alta precisión y menores costos de retrabajo:El bajo aporte de calor y la alta precisión de procesamiento reducen la necesidad de retrabajo, y los costos operativos de la soldadura láser son relativamente bajos, lo que ayuda a reducir los costos de producción.

5. Facilidad de automatización:El proceso facilita la automatización con un control efectivo sobre la intensidad del haz y un posicionamiento preciso.