La soldadura por rayo láser ( LBW ) es una técnica de soldadura que se utiliza para unir piezas de metal o termoplásticos mediante el uso de un láser . El haz proporciona una fuente de calor concentrada, lo que permite soldaduras estrechas y profundas y altas velocidades de soldadura. El proceso se utiliza frecuentemente en aplicaciones de gran volumen y precisión que requieren automatización , como en las industrias automotriz y aeronáutica. Se basa en la soldadura en modo cerradura o penetración.
Al igual que la soldadura por haz de electrones (EBW), la soldadura por haz láser tiene una alta densidad de potencia (del orden de 1 MW/cm 2 ), lo que da como resultado pequeñas zonas afectadas por el calor y altas velocidades de calentamiento y enfriamiento. El tamaño del punto del láser puede variar entre 0,2 mm y 13 mm, aunque para soldar sólo se utilizan tamaños más pequeños. La profundidad de penetración es proporcional a la cantidad de energía suministrada, pero también depende de la ubicación del punto focal : la penetración se maximiza cuando el punto focal está ligeramente por debajo de la superficie de la pieza de trabajo.
Se puede utilizar un rayo láser continuo o pulsado dependiendo de la aplicación. Se utilizan pulsos de milisegundos de duración para soldar materiales delgados, como hojas de afeitar, mientras que se emplean sistemas láser continuos para soldaduras profundas.
LBW es un proceso versátil, capaz de soldar aceros al carbono , aceros HSLA , acero inoxidable , aluminio y titanio . Debido a las altas velocidades de enfriamiento, el agrietamiento es una preocupación al soldar aceros con alto contenido de carbono. La calidad de la soldadura es alta, similar a la de la soldadura por haz de electrones . La velocidad de soldadura es proporcional a la cantidad de energía suministrada pero también depende del tipo y espesor de las piezas de trabajo. La capacidad de alta potencia de los láseres de gas los hace especialmente adecuados para aplicaciones de gran volumen. El LBW es particularmente dominante en la industria del automóvil. [1] [2]
Algunas de las ventajas del BPN en comparación con el PBE son:
Un derivado de LBW, la soldadura láser-híbrida , combina el láser de LBW con un método de soldadura por arco como la soldadura por arco metálico con gas (GMAW). Esta combinación permite una mayor flexibilidad de posicionamiento, ya que GMAW suministra metal fundido para llenar la junta y, debido al uso de un láser, aumenta la velocidad de soldadura sobre lo que normalmente es posible con GMAW. La calidad de la soldadura también tiende a ser mayor, ya que se reduce el potencial de socavación. [5]
Aunque la soldadura por rayo láser se puede realizar a mano, la mayoría de los sistemas están automatizados y utilizan un sistema de fabricación asistida por computadora basado en diseños asistidos por computadora . [6] [7] [8] La soldadura láser también se puede combinar con el fresado para formar una pieza terminada. [9]
En 2016, el proyecto RepRap , que históricamente trabajó en la fabricación de filamentos fundidos , se expandió al desarrollo de sistemas de soldadura láser de código abierto. [10] Dichos sistemas se han caracterizado completamente y pueden usarse en una amplia escala de aplicaciones al tiempo que reducen los costos de fabricación convencionales.
Los láseres de estado sólido operan en longitudes de onda del orden de 1 micrómetro , mucho más cortas que los láseres de gas utilizados para soldar y, como resultado, requieren que los operadores usen gafas especiales o pantallas especiales para evitar daños a la retina. Los láseres Nd:YAG pueden funcionar tanto en modo pulsado como continuo, pero los otros tipos se limitan al modo pulsado. El diseño de estado sólido original y aún popular es un monocristal con forma de varilla de aproximadamente 20 mm de diámetro y 200 mm de largo, y los extremos están rectificados de forma plana. Esta varilla está rodeada por un tubo de destello que contiene xenón o criptón . Cuando se enciende, el láser emite un pulso de luz que dura aproximadamente dos milisegundos. Los cristales en forma de disco están ganando popularidad en la industria y las lámparas de destello están dando paso a los diodos debido a su alta eficiencia. La potencia de salida típica de los láseres de rubí es de 10 a 20 W, mientras que el láser Nd:YAG produce entre 0,04 y 6000 W. Para enviar el rayo láser al área de soldadura, generalmente se emplea fibra óptica.
Los láseres de gas utilizan fuentes de energía de alto voltaje y baja corriente para suministrar la energía necesaria para excitar la mezcla de gases utilizada como medio láser. Estos láseres pueden funcionar tanto en modo continuo como pulsado, y la longitud de onda del rayo láser de gas CO 2 es de 10,6 μm, infrarrojo profundo, es decir, "calor". El cable de fibra óptica absorbe y es destruido por esta longitud de onda, por lo que se utiliza un sistema de entrega de lentes rígidas y espejos. La potencia de salida de los láseres de gas puede ser mucho mayor que la de los láseres de estado sólido, alcanzando los 25 kW . [11]
En los láseres de fibra , el medio principal es la propia fibra óptica. Tienen una potencia de hasta 50 kW y se utilizan cada vez más para la soldadura industrial robótica.
Las máquinas de soldadura por rayo láser modernas se pueden agrupar en dos tipos. En el tipo tradicional, la salida del láser se mueve para seguir la costura. Esto normalmente se logra con un robot. En muchas aplicaciones modernas, se utiliza la soldadura por rayo láser remoto. En este método, el rayo láser se mueve a lo largo de la costura con la ayuda de un escáner láser , de modo que el brazo robótico ya no necesita seguir la costura. Las ventajas de la soldadura láser remota son la mayor velocidad y precisión del proceso de soldadura.
La soldadura por láser pulsado tiene ventajas sobre la soldadura por láser de onda continua (CW). Algunas de estas ventajas son una menor porosidad y menos salpicaduras. [12] La soldadura por láser pulsado también tiene algunas desventajas, como provocar grietas en caliente en las aleaciones de aluminio. [2] El análisis térmico del proceso de soldadura por láser pulsado puede ayudar a predecir los parámetros de soldadura, como la profundidad de fusión, las velocidades de enfriamiento y las tensiones residuales. Debido a la complejidad del proceso del láser pulsado, es necesario emplear un procedimiento que implique un ciclo de desarrollo. El ciclo implica construir un modelo matemático, calcular un ciclo térmico utilizando técnicas de modelado numérico como el modelado de elementos finitos (FEM) o el método de diferencias finitas (FDM) o modelos analíticos con supuestos simplificadores y validar el modelo mediante mediciones experimentales.
Una metodología que combina algunos de los modelos publicados implica: [13] [14] [15]
No toda la energía radiante se absorbe y se convierte en calor para soldar. Parte de la energía radiante se absorbe en el plasma creado al vaporizar y luego ionizar el gas. Además, la absortividad se ve afectada por la longitud de onda del haz, la composición de la superficie del material que se está soldando, el ángulo de incidencia y la temperatura del material. [12]
La suposición de fuente puntual de Rosenthal deja una discontinuidad de temperatura infinitamente alta que se aborda asumiendo una distribución gaussiana. La energía radiante tampoco se distribuye uniformemente dentro del haz. Algunos dispositivos producen distribuciones de energía gaussianas, mientras que otros pueden ser bimodales. [12] Se puede aplicar una distribución de energía gaussiana multiplicando la densidad de potencia por una función como esta: [14] , donde r es la distancia radial desde el centro del haz, = radio del haz o tamaño del punto.
El uso de una distribución de temperatura en lugar de una suposición de fuente puntual permite calcular más fácilmente las propiedades del material que dependen de la temperatura, como la absortividad. En la superficie irradiada, cuando se forma un ojo de cerradura, se produce una reflexión de Fresnel (la absorción casi completa de la energía del haz debido a la reflexión múltiple dentro de la cavidad del ojo de cerradura) y puede modelarse mediante , donde ε es una función de la constante dieléctrica, la conductividad eléctrica, y frecuencia del láser. θ es el ángulo de incidencia. [13] Comprender la eficiencia de absorción es clave para calcular los efectos térmicos.
Los láseres pueden soldar en uno de dos modos: conducción y ojo de cerradura. El modo en funcionamiento depende de si la densidad de potencia es lo suficientemente alta como para provocar la evaporación. [12] El modo de conducción ocurre por debajo del punto de vaporización, mientras que el modo de ojo de cerradura ocurre por encima del punto de vaporización. El ojo de la cerradura es análogo a una bolsa de aire. La bolsa de aire está en estado de cambio. Fuerzas como la presión de retroceso del metal evaporado abren el ojo de la cerradura [13] , mientras que la gravedad (también conocida como fuerzas hidrostáticas) y la tensión superficial del metal tienden a colapsarlo. [15] A densidades de potencia aún mayores, el vapor se puede ionizar para formar un plasma.
La presión de retroceso se determina mediante la ecuación de Clausius-Clapeyron. [14] , donde P es la presión de vapor de equilibrio, T es la temperatura de la superficie del líquido, H LV es el calor latente de vaporización, T LV es la temperatura de equilibrio en la interfaz líquido-vapor. Suponiendo que el flujo de vapor está limitado a velocidades sónicas, [8] se obtiene que , donde Po es la presión atmosférica y Pr es la presión de retroceso.
Esto se aplica a los perfiles de ojo de cerradura. Las velocidades del flujo de fluido están determinadas por [13]
donde es el vector de velocidad, P = presión, ρ = densidad de masa, = viscosidad, β = coeficiente de expansión térmica, g = gravedad y F es la fracción de volumen de fluido en una celda de cuadrícula de simulación.
Para determinar la temperatura límite en la superficie de impacto del láser, se aplicaría una ecuación como esta. , [15] donde kn = la conductividad térmica normal a la superficie incidida por el láser, h = coeficiente de transferencia de calor por convección para el aire, σ es la constante de Stefan-Boltzmann para la radiación y ε es la emisividad del material que se está soldando. , q es el flujo de calor del rayo láser.
A diferencia de la soldadura láser CW (onda continua), que implica un ciclo térmico en movimiento, el láser pulsado implica incidir repetidamente en el mismo punto, creando así múltiples ciclos térmicos superpuestos. [15] Un método para abordar esto es agregar una función escalonada que multiplica el flujo de calor por uno cuando el haz está encendido pero multiplica el flujo de calor por cero cuando el haz está apagado. [14] Una forma [15] de lograr esto es utilizando un delta de Kronecker que modifica q de la siguiente manera: , donde δ= el delta de Kronecker, qe=flujo de calor determinado experimentalmente. El problema con este método es que no permite ver el efecto de la duración del pulso. Una forma [14] de resolver esto es utilizar un modificador que sea una función dependiente del tiempo, como por ejemplo:
donde v= frecuencia de pulso, n=0,1, 2,...,v-1), τ= duración de pulso.
A continuación, aplicaría esta condición de contorno y resolvería la segunda ley de Fourier para obtener la distribución de temperatura interna. Suponiendo que no hay generación de calor interno, la solución es , donde k = conductividad térmica, ρ = densidad, Cp = capacidad calorífica específica, = vector de velocidad del fluido.
El incremento se realiza discretizando las ecuaciones rectoras presentadas en los pasos anteriores y aplicando los siguientes pasos de tiempo y longitud.
Los resultados pueden validarse mediante observaciones experimentales específicas o tendencias de experimentos genéricos. Estos experimentos han implicado la verificación metalográfica de la profundidad de la fusión. [9]
La física del láser pulsado puede ser muy compleja y, por lo tanto, es necesario hacer algunas suposiciones simplificadoras para acelerar el cálculo o compensar la falta de propiedades de los materiales. La dependencia de la temperatura de las propiedades del material, como el calor específico, se ignora para minimizar el tiempo de cálculo.
La temperatura del líquido puede sobreestimarse si no se tiene en cuenta la cantidad de pérdida de calor debida a la pérdida de masa del vapor que sale de la interfaz líquido-metal. [14]
