¡Productos secos! Interpretación de los parámetros comunes del proceso de soldadura láser.

La soldadura láser es uno de los aspectos más importantes de la aplicación de la tecnología de procesamiento láser, y también la tecnología de soldadura más llamativa y prometedora del siglo XXI. En comparación con los métodos de soldadura tradicionales, la soldadura láser ofrece numerosas ventajas, como una mayor calidad y una mayor eficiencia. Actualmente, la tecnología de soldadura láser se utiliza ampliamente en la fabricación, la metalurgia de polvos, la industria automotriz, la electrónica, la biomedicina y otros campos.

Según el mecanismo de formación del baño de soldadura, la soldadura láser presenta dos mecanismos básicos: soldadura por conducción térmica y soldadura por penetración profunda (pequeños orificios). El calor generado por la soldadura por conducción se difunde a la pieza de trabajo mediante transferencia térmica, fundiendo la superficie de la soldadura y prácticamente sin vaporización. Este método se utiliza frecuentemente en la soldadura de componentes de pared delgada a baja velocidad. La soldadura por fusión profunda vaporiza el material y genera una gran cantidad de plasma. Debido a la alta temperatura, se forman orificios en el extremo frontal del baño de fusión. La soldadura por penetración profunda permite soldar la pieza de trabajo de forma completa, requiere una gran cantidad de energía y alcanza una alta velocidad de soldadura, siendo el modo de soldadura láser más utilizado.

Existen muchos parámetros de proceso que afectan la calidad de la soldadura láser, como la densidad de potencia, la forma de onda del pulso láser, el desenfoque, la velocidad de soldadura y el gas de soplado auxiliar.

1. Densidad de potencia del láser. La densidad de potencia es uno de los parámetros más críticos en el procesamiento láser. Con una mayor densidad de potencia, la capa superficial puede calentarse hasta el punto de ebullición en un rango de tiempo de microsegundos, generando una gran cantidad de vaporización. Por lo tanto, la alta densidad de potencia es muy ventajosa para procesos de remoción de material, como punzonado, corte y grabado. Con una baja densidad de potencia, la temperatura superficial tarda varios milisegundos en alcanzar el punto de ebullición, y antes de que la capa superficial se vaporice, la capa inferior alcanza el punto de fusión, lo que facilita la formación de una buena soldadura por fusión. Por lo tanto, en la soldadura láser por conducción de calor, el rango de densidad de potencia es de 10⁴ a 10⁶ W/cm².

2. Forma de onda del pulso láser

La forma de onda del pulso láser no solo es un parámetro importante para distinguir entre la remoción y la fusión de material, sino también un parámetro clave para determinar el volumen y el costo del equipo de procesamiento. Cuando el haz láser de alta intensidad incide sobre la superficie del material, esta experimenta entre un 60 % y un 90 % de reflexión y pérdida de energía láser. En particular, el oro, la plata, el cobre, el aluminio, el titanio y otros materiales presentan una fuerte reflexión y una rápida transferencia de calor. La reflectancia de un metal varía con el tiempo durante la señal del pulso láser. Cuando la temperatura superficial del material alcanza el punto de fusión, la reflectividad disminuye rápidamente, y cuando la superficie se encuentra en estado de fusión, la reflectancia se estabiliza en un valor determinado.

3. Ancho de pulso El ancho de pulso es un parámetro importante en la soldadura láser pulsada. Este ancho se determina por la profundidad de penetración y la zona afectada por el calor. Cuanto mayor sea el ancho de pulso, mayor será la zona afectada por el calor, y la profundidad de penetración aumentará con la mitad del ancho de pulso. Sin embargo, el aumento del ancho de pulso reduce la potencia pico, por lo que se suele utilizar para la soldadura por conducción de calor, lo que resulta en una soldadura ancha y poco profunda, especialmente adecuada para la soldadura a solape de placas delgadas y gruesas. No obstante, una menor potencia pico genera un exceso de calor, y cada material tiene un ancho de pulso óptimo que maximiza la penetración.

4. La soldadura láser con desenfoque generalmente requiere una cierta cantidad de desenfoque, ya que la densidad de potencia del láser en el centro del punto es demasiado alta, lo que facilita la evaporación en agujeros. La distribución de la densidad de potencia es relativamente uniforme en cada plano alejado del foco del láser. Existen dos métodos de desenfoque: desenfoque positivo y desenfoque negativo. Si el plano focal se encuentra sobre la pieza de trabajo, se trata de desenfoque positivo; de lo contrario, es desenfoque negativo. Según la teoría de la óptica geométrica, cuando la distancia entre los planos de desenfoque positivo y negativo y el plano de soldadura es igual, la densidad de potencia en el plano correspondiente es aproximadamente la misma, pero la forma del baño de soldadura obtenido es diferente. En el caso del desenfoque negativo, se puede obtener una mayor penetración, lo cual está relacionado con el proceso de formación del baño de fusión.

5. Velocidad de soldadura: La velocidad de soldadura determina la calidad de la superficie soldada, la penetración, la zona afectada por el calor, etc. La velocidad de soldadura influye en el aporte térmico por unidad de tiempo. Si la velocidad de soldadura es demasiado lenta, el aporte térmico es excesivo, lo que provoca que la pieza se queme por completo. Si la velocidad de soldadura es demasiado rápida, el aporte térmico es insuficiente, lo que resulta en una soldadura opaca. Generalmente, se reduce la velocidad de soldadura para mejorar la penetración.

6. El soplado auxiliar de gas protector es un proceso esencial en la soldadura láser de alta potencia. Por un lado, evita que los materiales metálicos se dispersen y contaminen el espejo de enfoque; por otro lado, evita que el plasma generado en el proceso de soldadura se concentre demasiado y que el láser alcance la superficie del material. En el proceso de soldadura láser, se suelen utilizar helio, argón, nitrógeno y otros gases para proteger el baño de fusión, de modo que la pieza de trabajo esté protegida de la oxidación durante la soldadura. Factores como el tipo de gas protector, el tamaño del flujo de aire y el ángulo de soplado influyen considerablemente en el resultado de la soldadura. Los diferentes métodos de soplado también influyen en la calidad de la soldadura.

El helio no se ioniza fácilmente (tiene una alta energía de ionización), lo que permite que el láser pase sin problemas y que la energía del haz llegue a la superficie de la pieza sin obstáculos. Este es el gas protector más eficaz utilizado en la soldadura láser, pero su precio es relativamente elevado. El argón es más barato y denso, por lo que ofrece una mejor protección. Sin embargo, se ioniza fácilmente con plasma metálico a alta temperatura, lo que protege parte del haz de la pieza, reduce la potencia efectiva del láser de soldadura y también perjudica la velocidad y la penetración de la soldadura. Las superficies de las soldaduras protegidas con argón son más lisas que las protegidas con helio. El nitrógeno es el gas protector más económico, pero no es adecuado para algunos tipos de soldadura de acero inoxidable, principalmente debido a problemas metalúrgicos, como la absorción, que a veces crea poros en la zona de solape.

Como nueva tecnología de soldadura, la soldadura láser se caracteriza por su alta densidad energética, alta velocidad, alta precisión, penetración profunda y gran adaptabilidad. Su aplicación es cada vez más extensa, lo que permite no solo mejorar la eficiencia de la producción, sino también la calidad de la soldadura. La tecnología de soldadura láser desempeñará, sin duda, un papel cada vez más importante en el campo del procesamiento de materiales.