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 atractiva y prometedora del siglo XXI. En comparación con los métodos de soldadura tradicionales, ofrece numerosas ventajas, como una mayor calidad y una mayor eficiencia. Actualmente, se utiliza ampliamente en la fabricación, la pulvimetalurgia, la industria automotriz, la electrónica, la biomedicina y otros campos.
Según el mecanismo de formación del baño de soldadura, la soldadura láser tiene dos mecanismos básicos: soldadura por conducción de calor y soldadura por penetración profunda (agujero pequeño). El calor generado por la soldadura por conducción de calor se difunde a la pieza de trabajo a través de la transferencia de calor, de modo que la superficie de la soldadura se funde, básicamente sin fenómeno de vaporización, que se utiliza a menudo en la soldadura de componentes de pared delgada de baja velocidad. La soldadura por fusión profunda vaporiza el material y forma una gran cantidad de plasma. Debido a la gran cantidad de calor, habrá agujeros en el extremo frontal del baño de fusión. La soldadura por penetración profunda puede soldar la pieza de trabajo a fondo, y la energía de entrada es alta, la velocidad de soldadura es rápida, es el modo de soldadura láser más ampliamente utilizado.
Hay muchos parámetros del 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 densidad de potencia más alta, la capa superficial puede calentarse hasta el punto de ebullición en un rango de microsegundos, generando una gran cantidad de vaporización. Por lo tanto, una alta densidad de potencia es muy ventajosa para procesos de eliminación de material, como punzonado, corte y grabado. Con una densidad de potencia baja, 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 104-106 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 rayo láser de alta intensidad incide sobre la superficie de un material, esta presenta entre el 60 % y el 90 % de la reflexión y pérdida de energía láser, especialmente en oro, plata, cobre, aluminio, titanio y otros materiales, que presentan una fuerte reflexión y una rápida transferencia de calor. La reflectancia de un metal varía con el tiempo durante la señal de 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 reflexión se estabiliza en un valor determinado.
3. Ancho de pulso. El ancho de pulso es un parámetro importante de la soldadura láser pulsada. Este 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 aumenta con la mitad de la potencia del ancho de pulso. Sin embargo, el aumento del ancho de pulso reduce la potencia de pico, por lo que se utiliza generalmente para la soldadura por conducción de calor, lo que resulta en una soldadura ancha y poco profunda, especialmente adecuada para la soldadura por solape de placas delgadas y gruesas. Sin embargo, una potencia de pico menor genera un exceso de entrada de calor, y cada material tiene un ancho de pulso óptimo que maximiza la penetración.
4. La soldadura láser con desenfoque suele requerir un cierto grado de desenfoque, ya que la densidad de potencia del foco láser en el centro del punto es demasiado alta y se evapora fácilmente en los agujeros. La distribución de la densidad de potencia es relativamente uniforme en cada plano alejado del foco láser. Existen dos métodos de desenfoque: desenfoque positivo y desenfoque negativo. Si el plano focal se encuentra por encima de la pieza de trabajo, se trata de un desenfoque positivo; de lo contrario, se trata de un 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 real del baño de soldadura obtenida es diferente. En el caso del desenfoque negativo, se puede obtener una mayor penetración, lo que 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 de soldadura, la penetración, la zona afectada por el calor, etc. La velocidad de soldadura afecta la entrada de calor por unidad de tiempo. Si la velocidad de soldadura es demasiado lenta, la entrada de calor es demasiado alta, lo que provoca que la pieza de trabajo se queme. Si la velocidad de soldadura es demasiado rápida, la entrada de calor es demasiado baja, lo que resulta en una pieza de trabajo opaca. Generalmente, se reduce la velocidad de soldadura para mejorar la penetración.
6. El gas protector de soplado auxiliar es un proceso esencial en la soldadura láser de alta potencia. Por un lado, evita que los materiales metálicos se pudran y contaminen el espejo de enfoque; por otro, evita que el plasma generado durante la soldadura se enfoque demasiado y que el láser alcance la superficie del material. En la soldadura láser, se suelen utilizar helio, argón, nitrógeno y otros gases para proteger el baño de fusión, protegiendo así la pieza de trabajo de la oxidación. Factores como el tipo de gas protector, la magnitud 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 ionizante), lo que permite que el láser pase suavemente y la energía del haz alcance la superficie de la pieza de trabajo sin obstáculos. Este es el gas protector más efectivo utilizado en la soldadura láser, pero su precio es relativamente alto. El argón es más económico y denso, por lo que ofrece una mejor protección. Sin embargo, se ioniza fácilmente con el plasma metálico de alta temperatura, protegiendo así parte del haz de la pieza de trabajo, reduciendo la potencia efectiva del láser de soldadura, pero también perjudicando 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 de energía, alta velocidad, alta precisión, penetración profunda y gran adaptabilidad. Su aplicación es cada vez más extensa, lo que no solo mejora 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.
Hora de publicación: 28 de marzo de 2023
