1. Introducción
La soldadura, como método para lograr conexiones permanentes de materiales, se usa ampliamente en industrias que incluyen fabricación mecánica, petroquímica, puentes, barcos, construcción, ingeniería energética, vehículos de transporte y aeroespacial.
Se ha convertido en una tecnología de procesamiento indispensable en la industria de fabricación mecánica.
Además, con el desarrollo de la economía nacional, su campo de aplicación seguirá ampliándose.
El láser, gran invento de la humanidad desde el siglo XX, después de la energía atómica, los ordenadores y los semiconductores, tiene una alta densidad energética, precisión y adaptabilidad.
Como nuevo método de corte y soldadura aplicado a la producción industrial, tiene un gran potencial de desarrollo. La soldadura láser demuestra plenamente sus características de procesamiento avanzadas, rápidas y flexibles en la producción industrial.
No es sólo una garantía técnica para el desarrollo de nuevos productos industriales, sino también un medio técnico indispensable para una producción de alta calidad y bajo costo.
2. Antecedentes del desarrollo de la soldadura láser
1) desarrollo láser
LÁSER, acrónimo compuesto por la primera letra de cada palabra en “Amplificación de Luz por Emisión Estimulada de Radiación”.
El principio del láser fue descubierto por el famoso físico estadounidense Albert Einstein ya en 1916, pero no fue hasta 1960 que el láser se fabricó con éxito por primera vez.
El láser nació en el contexto de la preparación teórica y la necesidad urgente de una práctica productiva.
Tan pronto como se lanzó, logró un desarrollo extraordinariamente rápido. El desarrollo de los láseres no sólo ha dado nueva vida a la antigua ciencia y tecnología de la óptica, sino que también ha dado lugar al surgimiento de una industria completamente nueva.
Los láseres permiten a las personas utilizar eficazmente métodos y medios avanzados sin precedentes para lograr beneficios y resultados sin precedentes, promoviendo así el desarrollo de la productividad.
2) Desarrollo de Láseres para Soldadura
Dado que los láseres ofrecen ventajas excepcionales, se utilizan en el campo de la soldadura desde los años 70.
Actualmente, la investigación en soldadura láser representa alrededor del 20% del total en metodología de soldadura, sólo superada por la soldadura con protección de gas.
Los láseres para soldadura requieren una alta densidad de potencia (104-105 W/cm 2 ), una distribución de densidad de potencia en modo fundamental y una buena calidad del haz. Los láseres más utilizados para soldar son los siguientes:
(1) láser de gas CO2
Este es un tipo de láser de gas que utiliza CO2 como material de trabajo. Tiene los beneficios de una estructura simple, bajo costo, facilidad de uso, medio de trabajo uniforme, buena calidad del haz y la capacidad de operar de manera continua y estable durante un período prolongado.
Actualmente, es el tipo de láser más diverso y utilizado. El láser de helio-neón es la variante más común.
(2) Láser Nd:YAG, láser YAG de disco;
Estos son tipos de láseres de estado sólido que utilizan cristales de granate de itrio y aluminio como matriz. La fórmula química del granate de itrio y aluminio es Y3Al5O12, comúnmente abreviada como YAG.
(3) Láser de fibra;
(4) Láser semiconductor.
| láser de CO2 | Bombeado por la lámpara Nd:YAG |
Bombeo láser Nd:YAG |
láser de fibra (Bombeo láser) |
Láser tipo disco (Bombeo láser) |
Láser semiconductor | |
| Láser medio | Gas mixto | Vara de cristal | Vara de cristal | Fibra óptica (iterbio) | Disco fino como el cristal | Matriz de semiconductores |
| longitud de onda nm | 10.600 | 1.060 | 1.060 | 1.070 | 1.030 | 800-960 |
| Transmisión del haz de luz | Lente | Fibra óptica | Fibra óptica | Fibra óptica | Fibra óptica | Lente |
| Potencia de salida K.W. |
20 | 4 | 6 | 10 | 4 | 6 |
| Calidad del haz mm. muy |
25 | 12 | 12 | 5 | 2.5 | 80 |
| Eficiencia energetica % |
10 | 3 | 10 | 20 | 20 | 35 |
3) Desarrollo de robots de soldadura
El uso de láseres en robots de soldadura representa un aspecto importante de la soldadura por láser. Con atributos como distintos grados de libertad, programación flexible, alta automatización y adaptabilidad, los robots de soldadura son una parte crucial de las líneas de montaje de soldadura.
El montaje de láseres en robots de soldadura mejora la calidad de la soldadura y amplía el alcance de su uso, lo que los hace cada vez más esenciales en las líneas de producción de automóviles y construcción naval.
La Figura 4 ilustra una representación esquemática de un robot de soldadura láser de CO2 en acción.
3. Principios y procesos de soldadura láser
La soldadura de materiales metálicos con láser implica esencialmente una interacción compleja entre el láser y sustancias opacas.
Este proceso, a nivel microscópico, es cuántico y, macroscópicamente, se manifiesta como fenómenos de reflexión, absorción, fusión y vaporización.
La soldadura láser se puede realizar utilizando un rayo láser continuo o pulsado, y los principios de la soldadura láser se pueden dividir en soldadura por conducción de calor y soldadura láser de penetración profunda.
Para densidades de potencia inferiores a 10 4 -10 5 C/cm 2 se trata de soldadura por conducción de calor, lo que da como resultado una profundidad de fusión poco profunda y velocidades de soldadura más lentas.
Para densidades de potencia superiores a 10 5 -10 7 C/cm 2, la superficie del metal bajo el efecto de calentamiento forma un "ojo de cerradura", lo que da como resultado una soldadura de penetración profunda, caracterizada por velocidades de soldadura rápidas y una alta relación profundidad-anchura del cuerpo.
Durante la interacción entre el láser y la pieza de trabajo, puede producirse un efecto de autooscilación, lo que provoca cambios periódicos en el baño de soldadura, pequeños agujeros en el baño de soldadura y fenómenos de flujo de metal.
La frecuencia de esta oscilación está relacionada con los parámetros del rayo láser, las propiedades termofísicas del metal y las características dinámicas del vapor metálico.
Los cambios periódicos en el baño de soldadura pueden generar dos fenómenos únicos en la soldadura: Uno es la formación de poros llenos de gas, que debido a los cambios periódicos, y a medida que el metal en el baño fluye de adelante hacia atrás alrededor de él, combinado con la perturbación causado por la evaporación del metal puede potencialmente dividir el pequeño orificio, dejando vapor en la costura de soldadura y formando un poro después de la solidificación.
El otro es el cambio periódico en la profundidad de la fusión en la raíz de la soldadura, que está relacionado con los cambios periódicos en el orificio pequeño.
Los factores importantes que afectan la calidad de la soldadura láser incluyen la densidad de potencia, la forma de onda del pulso, la cantidad de desenfoque, la velocidad de soldadura y el soplado suplementario. Su coordinación orgánica determina la calidad final de la soldadura.
En comparación con otros procesos de soldadura tradicionales, la soldadura láser tiene muchas ventajas. Uno de sus principales beneficios es la capacidad de concentrar el rayo láser en un área muy estrecha, generando así una fuente de calor de alta densidad energética.
A continuación, esta fuente de calor concentrada barre rápidamente la costura de soldadura. En este sentido, la soldadura por láser se puede comparar con la soldadura por haz de electrones.
Al mismo tiempo, la fuerte concentración del rayo láser, la efectiva transferencia de calor a la pieza de trabajo y la estrecha zona afectada por el calor presentan desafíos en el ensamblaje de juntas.
Una pequeña desviación en el montaje puede provocar cambios significativos en las condiciones de soldadura, e incluso espacios estrechos (≤0,1 mm) pueden provocar defectos en el acoplamiento de la radiación láser y una disminución de la eficiencia térmica.
Para resolver los problemas de alta precisión del ensamblaje de juntas y requisitos de holgura en la soldadura láser, así como defectos comunes como porosidad, grietas, socavados y alta inversión en equipos con baja tasa de conversión de energía, una de las tendencias recientes en la soldadura láser es la Uso de tecnología láser compuesta.
Por ejemplo, el método combinado de soldadura láser + arco integra las ventajas de la soldadura láser, como una gran relación profundidad-ancho de soldadura, pequeña zona afectada por el calor, velocidad de soldadura rápida, baja energía de línea en la soldadura, soldadura de pequeña deformación, diámetro pequeño. del punto de luz enfocado y alta densidad de energía, con los beneficios de la soldadura por arco, como baja inversión en equipos, insensibilidad a espacios y capacidad de llenado de metal.
Esta combinación logró una mayor tasa de absorción del láser, una mayor profundidad de fusión y estabilización del arco. Además de láser + arco, la tecnología de compuestos láser también ha desarrollado otras técnicas integrales como la soldadura láser-HF, la soldadura por compresión láser y la soldadura fuerte por láser, ampliando la gama de aplicaciones y efectos de uso de la soldadura láser y promoviendo el desarrollo de la tecnología de soldadura láser.
4. Aplicación de la soldadura láser en la industria del automóvil
El avance de la industria automotriz ha establecido estándares más altos para la calidad de la carrocería de los vehículos.
Las técnicas de soldadura y corte por láser no solo superan los métodos de fabricación tradicionales en términos de calidad de procesamiento, sino que también mejoran significativamente la eficiencia de la producción.
Como se ilustra en la Figura 7, las tecnologías de corte y soldadura por láser desempeñarán sin duda un papel fundamental en el campo de la fabricación de automóviles en el siglo XXI.
Todo el proceso de soldadura láser en la fabricación de automóviles incluye principalmente tres tipos: soldadura láser a tope de placas de espesor desigual; soldadura láser de conjuntos y subconjuntos de carrocería; y soldadura láser de piezas de automoción.
La soldadura a tope fue inicialmente una técnica adoptada por Honda Motor Company en Japón en la década de 1960 para utilizar chatarra para las placas internas de la carrocería de los vehículos. Desde mediados de la década de 1980, la soldadura a tope por láser como nueva tecnología recibió amplia atención en Europa, Estados Unidos y Japón.
La soldadura a tope por láser, en el diseño y fabricación de carrocerías, combina placas de diferentes espesores, materiales y propiedades en un todo mediante tecnología de corte y ensamblaje por láser, y luego se transforman en componentes específicos de la carrocería mediante estampado.
La tecnología de soldadura por láser de penetración profunda, con su alta velocidad de soldadura y excelente calidad de conexión, ha mejorado enormemente la aplicación de la tecnología de soldadura por láser en la fabricación de carrocerías.
El uso de tecnología de soldadura láser en carrocerías de automóviles mejora significativamente la rigidez, resistencia y sellado del automóvil; reduce el peso corporal y logra objetivos de ahorro de energía; aumenta la precisión del montaje, aumentando la rigidez de la carrocería en un 30%, mejorando así la seguridad; reduce los costos de estampado y ensamblaje en el proceso de fabricación de la carrocería, reduce el número de piezas de la carrocería y mejora el grado de integración de la carrocería; hace que toda la carrocería sea más fuerte y segura, además de reducir el ruido y las vibraciones durante el funcionamiento del vehículo, mejorando el confort de conducción.
El uso de soldadura láser en lugar de la soldadura tradicional para piezas de automóviles da como resultado casi ninguna deformación en el sitio de soldadura, una velocidad de soldadura más rápida y elimina la necesidad de un tratamiento térmico posterior a la soldadura.
Actualmente, la soldadura láser se utiliza ampliamente en la fabricación de diversas piezas de automóviles, incluidos engranajes de transmisión, vástagos de válvulas, bisagras de puertas, ejes de transmisión, ejes de dirección, tubos de escape de motores, embragues, ejes de ruedas de turbocompresores y chasis, convirtiéndose en un proceso estándar. en la fabricación de piezas de automoción.
5. Conclusión
Con el desarrollo de la tecnología de soldadura láser hasta la fecha, su tendencia a reemplazar gradualmente los métodos de soldadura tradicionales, como la soldadura por arco y la soldadura por resistencia, es irreversible.
En el siglo XXI, la tecnología de soldadura láser desempeñará un papel crucial en el campo de la unión de materiales.
