Principio de soldadura láser
La soldadura láser implica dirigir un rayo láser de alta intensidad sobre una superficie metálica. El láser interactúa con el metal, lo que hace que absorba la energía del láser y la convierta en calor. Este calor hace que el metal se derrita y eventualmente se enfríe y solidifique, lo que da como resultado una unión soldada.
Existen dos mecanismos de soldadura láser:
1. Soldadura por conducción de calor:
Cuando se dirige un láser a la superficie de un material, parte de la energía del láser se refleja mientras que el resto es absorbida por el material. Esta energía absorbida se convierte en calor, lo que hace que el material se caliente y se derrita.
El calor de la capa superficial del material continúa transfiriéndose mediante conducción de calor a las capas más profundas del material hasta que se unen las dos partes soldadas.
Las máquinas de soldadura por láser pulsado se utilizan comúnmente para este proceso y la relación profundidad-ancho suele ser inferior a 1.
Soldadura de tubos tensados – soldadura continua
2. Soldadura láser de penetración profunda
Cuando un rayo láser de alta densidad de potencia se dirige a la superficie de un material, el material absorbe energía luminosa y la convierte en energía térmica. Como resultado, el material se calienta, se funde y se vaporiza, produciendo una gran cantidad de vapor metálico.
La fuerza de reacción del vapor que se escapa empuja el metal fundido, creando agujeros. Con la irradiación láser continua, los pozos penetran más profundamente en el material.
Cuando se apaga el láser, el metal fundido alrededor de los pozos regresa y se solidifica, lo que da como resultado que las dos partes se suelden entre sí.
Este proceso se usa comúnmente en máquinas de soldadura láser continua y la relación profundidad-ancho es normalmente mayor que 1.
Características de la soldadura láser.
- La soldadura láser es conocida por su rápida velocidad de soldadura, gran profundidad de soldadura y mínima deformación de los materiales a soldar.
- La soldadura láser se puede realizar a temperatura ambiente o en condiciones específicas, y el equipo necesario es relativamente sencillo. Por ejemplo, cuando un láser atraviesa un campo electromagnético, el rayo no se mueve. Además, la soldadura láser se puede realizar en ambientes de vacío, aire y algunos gases, e incluso se puede soldar a través de materiales transparentes como el vidrio.
- La soldadura láser permite soldar materiales refractarios como titanio y cuarzo además de diferentes materiales con excelentes resultados.
- Con las máquinas de soldadura láser de alta potencia, la densidad de potencia es muy alta y la relación profundidad-ancho puede alcanzar 5:1.
- La soldadura láser es capaz de realizar microsoldadura debido a su capacidad de producir un punto pequeño y enfocado que se puede colocar con precisión. Esta característica lo hace ideal para ensamblar y soldar micro y pequeñas piezas producidas en grandes cantidades.
- La soldadura láser puede llegar a piezas inaccesibles para la soldadura sin contacto a larga distancia, proporcionando una mayor flexibilidad a las operaciones de soldadura.
- Los rayos láser se pueden dividir en términos de energía y tiempo, lo que permite la soldadura simultánea en múltiples estaciones y la soldadura en tiempo compartido, lo que mejora en gran medida la eficiencia de la producción y la utilización del equipo.
Clasificación de soldadura láser.
Existen dos tipos de soldadura láser: la soldadura láser pulsada y la soldadura láser de fibra continua, que se clasifican en función del tipo de láser utilizado.
Estas son las diferencias entre los dos métodos:
Estándar de soldadura continua
Soldadura por pulsos
Superposición de puntos de soldadura por impulsos
| Modo de soldadura | Soldadura por pulsos | Soldadura continua |
|---|---|---|
| Penetración | Pequeño | Grande |
| Consumo de energia | Grande | Pequeño |
| Calidad y apariencia de la soldadura. | Normal | Bien |
Soldadura láser clasificada por método de soldadura láser.
Según la combinación de productos, se divide en:
La soldadura a tope normalmente no requiere ningún espacio o, si es necesario, un espacio inferior a 0,05 mm. Cuanto más delgado sea el producto a soldar, más estrictos serán los requisitos de espacio libre.
En el caso de la soldadura por penetración, es importante garantizar una conexión firme entre las capas superior e inferior. A medida que el material de la capa superior se vuelve más delgado, se requiere un ajuste más ajustado para lograr el resultado deseado.
Comparación entre la soldadura láser y otros métodos de soldadura
| Modo de soldadura | soldadura por láser | Soldadura por arco de argón | Soldadura por resistencia | Soldadura | Soldadura por haz de electrones |
| Zona afectada por el calor | Mínimo | Más | Generalmente | Más | Algo menos |
| Deformación térmica | Algo menos | Más | Generalmente | Más | Algo menos |
| Punto de soldadura | Algo menos | Más | Generalmente | Más | Algo menos |
| Calidad y apariencia de la soldadura. | Bien | Generalmente | Generalmente | Generalmente | Preferiblemente |
| Si agregas soldadura | No | No | No | Sí | No |
| Entorno de soldadura | Sin requisitos | Sin requisitos | Sin requisitos | Sin requisitos | Vacío |
| Consumibles | / | Reemplazo de alambre de soldadura o electrodo de tungsteno | electrodo de cobre | Soldadura | Mas rápido |
| Velocidad de soldadura | Mas rápido | Lento | / | / | / |
| Grado de automatización | Alto | Generalmente | Generalmente | Generalmente | Generalmente |
Soldadura pulsada/continua
Características de la soldadura de materiales metálicos.
| Dificultad | Acero inoxidable | Troquel de acero | Acero carbono | aleación de acero | Níquel | Zinc | Aluminio | Oro | Plata | Cobre |
| Acero inoxidable | fácil | |||||||||
| Troquel de acero | fácil | fácil | ||||||||
| Acero carbono | fácil | fácil | fácil | |||||||
| aleación de acero | fácil | fácil | fácil | fácil | ||||||
| Níquel | fácil | fácil | fácil | fácil | fácil | |||||
| Zinc | fácil | fácil | fácil | fácil | fácil | fácil | ||||
| Aluminio | duro | duro | duro | duro | un poco dificil | duro | fácil | |||
| Oro | duro | duro | duro | duro | duro | duro | duro | un poco dificil | ||
| Plata | duro | duro | duro | duro | duro | duro | duro | duro | duro | |
| Cobre | un poco dificil | duro | duro | duro | un poco dificil | duro | un poco dificil | duro | duro | fácil |
Características de la soldadura de acero.
El acero es una aleación de hierro y carbono, con un contenido de carbono que varía entre el 0,04% y el 2,3%. Para garantizar la tenacidad y plasticidad del acero, el contenido de carbono normalmente no supera el 1,7%.
El acero aleado se produce añadiendo intencionalmente elementos de aleación como Mn, Si, Cr, Ni, Mo, W, V, Ti, etc. durante el proceso de fundición. Estos elementos de aleación se pueden utilizar para mejorar las propiedades mecánicas, las propiedades de proceso u otras propiedades especiales del acero, como la resistencia a la corrosión, la resistencia al calor y la resistencia al desgaste.
Clasificación por composición química:
(1) Acero al carbono:
El. Acero con bajo contenido de carbono (C ≤ 0,25%);
B. Acero al carbono medio (C ≤ 0,25 ~ 0,60%);
w. Acero con alto contenido de carbono (C ≤ 0,60% ~ 2,11%).
Cuanto mayor sea el contenido de carbono, más fácil será realizar agujeros de voladura en el baño de soldadura.
(2) Acero aleado:
El. Acero de baja aleación (contenido total de aleación ≤ 5%);
B. Acero de aleación media (contenido total de elementos de aleación > 5 ~ 10%);
w. Acero de alta aleación (contenido total de aleación > 10%).
La soldabilidad del acero aleado depende de los elementos de la aleación, y la soldabilidad similar a las características del punto de fusión del acero inoxidable es buena.
(3) acero inoxidable
El acero inoxidable se refiere a un tipo de acero que es resistente a medios corrosivos débiles como aire, vapor, agua y medios químicamente corrosivos como ácidos, álcalis y sal. Se divide en diferentes tipos, entre ellos el acero martensítico, el acero ferrítico y el acero austenítico.
El acero inoxidable martensítico suele ser un acero con bajo o alto contenido de carbono con un contenido de cromo que oscila entre el 12% y el 18%, y los principales elementos de aleación son el hierro, el cromo y el carbono. Sin embargo, tiene la peor soldabilidad de todos los aceros inoxidables. Las uniones soldadas suelen ser duras y quebradizas, propensas a agrietarse en frío. Para reducir la probabilidad de agrietamiento y fragilización, se recomienda precalentar y revenir al soldar acero inoxidable con un contenido de carbono superior al 0,1%, como 403, 410, 414, 416, 420, 440A, 440B y 440C.
El acero inoxidable austenítico, por otro lado, se refiere al acero inoxidable con estructura austenítica a temperatura ambiente. Este tipo de acero contiene aproximadamente un 18% de cromo y níquel y tiene una estructura de austenita estable cuando el contenido de cromo está entre el 8% y el 10% y el contenido de carbono es aproximadamente el 0,1%. Generalmente tiene un buen rendimiento de soldadura láser. Sin embargo, la adición de azufre y selenio para mejorar sus propiedades mecánicas aumenta la tendencia al craqueo por solidificación.
El acero inoxidable austenítico tiene una conductividad térmica más baja que el acero al carbono, con una tasa de absorción ligeramente mayor que el acero al carbono. La profundidad de penetración de la soldadura es sólo alrededor del 5-10% de la del acero al carbono ordinario. Sin embargo, la soldadura láser, que tiene un pequeño aporte de calor y una alta velocidad de soldadura, es adecuada para soldar acero inoxidable de la serie Cr Ni. Algunos tipos comunes de acero inoxidable austenítico incluyen 201, 301, 302, 303 y 304.
En general, el acero inoxidable tiene buena soldabilidad, con un charco de soldadura bien formado.
(4) Serie 200 – CrNiMn
Acero inoxidable austenítico, serie 300 – cromo-níquel
El significado de cada letra:
- CR significa cromo
- Ni significa níquel
- Mn significa manganeso
- 1 indica el contenido de carbono (0 en 304 no está libre de carbono, pero el contenido de carbono es inferior al 0,1% y pertenece a la categoría baja en carbono)
- 201: 1Cr17Mn6Ni5N, que indica acero inoxidable austenítico 201 que contiene 1% de carbono, 17% de manganeso, 17% de cromo y 6% de níquel;
- 304: 0Cr19Ni9 (0Cr18Ni9), que indica acero inoxidable austenítico 304 que contiene menos del 0,1 % de carbono, 18 %/19 % de cromo y 9 % de níquel;
El acero inoxidable 201 contiene manganeso, lo que lo hace propenso a la oxidación y al óxido en ambientes húmedos, salados y mal mantenidos (aunque sigue siendo mucho mejor que los productos de hierro y puede tratarse con trefilado o pulido después de la oxidación y el óxido).
A diferencia de los productos de hierro, la capa superficial de galvanoplastia no se puede tratar después de la corrosión.
Por otro lado, el acero inoxidable 304 no contiene manganeso, pero tiene un mayor contenido de cromo y níquel, lo que lo hace más resistente a la oxidación y al óxido.
El precio del acero inoxidable 201 es de 3 a 4 veces mayor que el de los materiales para muebles a base de hierro (cromados o rociados), mientras que el precio del acero inoxidable 304 es más de la mitad o casi el doble del precio del acero inoxidable 201.
La superficie del acero inoxidable 304 es blanca con un brillo metálico, similar a una placa de plástico.
El acero inoxidable ferrítico, con una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo, normalmente contiene entre un 11% y un 30% de cromo y no contiene níquel (aunque puede contener pequeñas cantidades de Mo, Ti, Nb y otros elementos).
Este tipo de acero tiene alta conductividad térmica, bajo coeficiente de expansión, buena resistencia a la oxidación y excelente resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión.
Un ejemplo es el acero inoxidable 430.
En comparación con los aceros inoxidables austeníticos y martensíticos, los aceros inoxidables ferríticos tienen menos probabilidades de producir grietas en frío y en caliente cuando se sueldan con láser.
Soldadura de la estructura del sistema de dirección del automóvil – soldadura continua
Características de soldadura de aleación de aluminio.
Debido a la alta reflectividad de la superficie y la alta conductividad térmica, la soldadura de aluminio requiere una alta densidad de potencia, lo que dificulta la formación de un baño fundido estable.
Muchas aleaciones de aluminio contienen elementos volátiles como silicio y magnesio, lo que provoca la formación de muchos poros en la soldadura.
La baja viscosidad y tensión superficial del aluminio líquido facilitan el desbordamiento del metal líquido hacia el baño de soldadura, afectando la formación de la soldadura.
Algunas aleaciones de aluminio pueden experimentar agrietamiento en caliente durante la solidificación, lo que está relacionado con el tiempo de enfriamiento y la protección de la soldadura.
Cuanto mayor sea la pureza del aluminio, mejor será la calidad de la soldadura.
Soldar aluminio Serie 3 es generalmente aceptable, mientras que soldar aluminio de baja pureza puede producir perforaciones y grietas.
Características del proceso de soldadura láser.
Hay varios parámetros del proceso que afectan la calidad de la soldadura láser, incluida la densidad de potencia, las características del haz, el desenfoque, la velocidad de soldadura, la forma de onda del pulso láser y el flujo de gas auxiliar.
1. Densidad de potencia
La densidad de potencia es un parámetro crítico en la soldadura láser.
Una alta densidad de potencia puede calentar rápidamente el metal hasta su punto de fusión en microsegundos, lo que da como resultado una soldadura de alta calidad.
La densidad de potencia está determinada por la potencia máxima y el área de la junta de soldadura.
Densidad de potencia = potencia máxima ÷ área de unión soldada
Al soldar materiales altamente reflectantes como el aluminio y el cobre, es necesario aumentar la densidad de potencia. Esto se puede lograr utilizando una corriente o potencia más alta y soldando lo más cerca posible del punto focal.
2. Forma de onda del pulso láser
La forma de onda del pulso láser es un factor crítico en la soldadura por láser, especialmente en la soldadura de chapa.
Cuando el rayo láser de alta intensidad interactúa con la superficie del material, entre el 60% y el 90% de la energía del láser se pierde debido a la reflexión y la reflectividad cambia con la temperatura de la superficie.
La reflectividad del metal cambia significativamente durante un pulso láser.
Cuando el metal está en estado sólido, la reflectividad del láser es alta.
Sin embargo, cuando la superficie del material se funde, la reflectividad disminuye y la absorción aumenta, permitiendo una reducción gradual de la corriente o potencia.
Por lo tanto, la forma de onda del pulso generalmente está diseñada para adaptarse a estos cambios, como por ejemplo:
3. Cantidad de desenfoque
El término "cantidad de desenfoque" se refiere a la desviación de la superficie de la pieza de trabajo desde el plano focal.
La posición del desenfoque impacta directamente el efecto ojo de cerradura durante la soldadura personalizada.
Hay dos modos de desenfoque: positivo y negativo.
Si el plano focal está situado encima de la pieza de trabajo, se considera desenfoque positivo, y si está situado debajo de la pieza de trabajo, se considera desenfoque negativo.
Cuando el desenfoque positivo y negativo son iguales, la densidad de potencia del plano correspondiente es aproximadamente la misma, pero la forma del baño fundido es diferente.
Un desenfoque negativo puede dar lugar a una mayor penetración, lo que está relacionado con la formación de charcos de fusión.
Los resultados experimentales muestran que cuando el calentamiento por láser alcanza de 50 a 200 μS, el material comienza a fundirse, formando metal en fase líquida y vaporizándose parcialmente para formar vapor a alta presión. Esto da como resultado un rocío de alta velocidad de luz blanca deslumbrante.
Al mismo tiempo, el gas de alta concentración mueve el metal líquido hacia el borde del baño de soldadura, creando una depresión en el centro del baño.
Durante el desenfoque negativo, la densidad de potencia interna del material es mayor que la de la superficie, lo que provoca una fusión y gasificación más fuertes. Esto permite que la energía luminosa se transmita a la parte más profunda del material.
Por lo tanto, en aplicaciones prácticas, se debe utilizar un desenfoque negativo cuando se requiere una penetración profunda y un desenfoque positivo cuando se sueldan materiales delgados.
Posición de enfoque:
El punto más pequeño con mayor energía se puede lograr mediante soldadura por puntos. Por otro lado, cuando se necesita un punto pequeño y la potencia es baja, también se puede utilizar la soldadura por puntos.
Posición de desenfoque negativo:
Un punto ligeramente más grande es adecuado para soldadura continua de penetración profunda y soldadura por puntos de penetración profunda. A medida que aumenta la distancia de enfoque, aumenta el tamaño del punto.
Posición de desenfoque positivo:
Un punto ligeramente más grande es adecuado para soldadura de sellado de superficie continua o situaciones donde se requiere baja penetración. A medida que aumenta la distancia de enfoque, también aumenta el tamaño del punto.
4. Velocidad de soldadura
La calidad de la superficie de soldadura, la penetración, la zona afectada por el calor y otros factores están determinados por la velocidad de soldadura.
La penetración se puede mejorar reduciendo la velocidad de soldadura o aumentando la corriente de soldadura.
La reducción de la velocidad de soldadura se utiliza comúnmente para mejorar la penetración y aumentar la vida útil del equipo.
5. Golpe auxiliar
El soplado auxiliar es un proceso crucial en la soldadura láser de alta potencia.
En primer lugar, ayuda a evitar que las salpicaduras de metal contaminen el espejo de enfoque mediante el uso de gas protector coaxial.
En segundo lugar, evita la acumulación de plasma de alta temperatura generado durante el proceso de soldadura y evita que el láser alcance la superficie del material mediante soplado lateral.
En tercer lugar, utiliza gas protector para aislar el aire y proteger el charco de soldadura de la oxidación.
La elección del gas auxiliar y el volumen de aire soplado influyen en gran medida en los resultados de la soldadura, y los diferentes métodos de soplado también pueden tener un impacto significativo en la calidad de la soldadura.
6. Configuración de fibra óptica y junta de soldadura
Por ejemplo, si el diámetro de la fibra óptica es de 0,6 mm y la distancia focal de enfoque es de 120 mm con un enfoque por colimación de 150 mm, el diámetro de enfoque se puede calcular de la siguiente manera:
Diámetro de enfoque = 0,6 x 120/150 = 0,48 mm
La configuración específica se determina en función del material, espesor, penetración y espacio de ajuste del producto.
Funciones de enfoque prolongado:
- La distancia de trabajo es considerable, lo que permite evitar interferencias del dispositivo, reduce el impacto de las fluctuaciones de altura del producto y minimiza la contaminación por salpicaduras en las lentes protectoras.
- Para lograr el mismo nivel de penetración, los requisitos de potencia de los equipos serán mayores.
