Soldadura por rayo láser

La soldadura por haz 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 inadecuada, lo que permite realizar soldaduras estrechas y profundas y altas velocidades de soldadura. El proceso se utiliza con frecuencia en aplicaciones que requieren gran volumen y precisión mediante automatización , como en las industrias automotriz y aeronáutica. Se basa en la soldadura en modo de penetración o de ojo de cerradura.

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/cm2 ⁾ , 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 solo se utilizan tamaños más pequeños para la soldadura. La profundidad de penetración es proporcional a la cantidad de potencia 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.

Dependiendo de la aplicación, se puede utilizar un haz láser continuo o pulsado. Los pulsos de milisegundos se utilizan para soldar materiales delgados, como hojas de afeitar, mientras que los sistemas láser continuos se emplean para soldaduras profundas.

La soldadura LBW es un proceso versátil, capaz de soldar aceros al carbono , aceros HSLA , acero inoxidable , aluminio y titanio . Debido a las altas tasas de enfriamiento, el agrietamiento es un problema 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 la soldadura es proporcional a la cantidad de energía suministrada, pero también depende del tipo y el grosor de las piezas de trabajo. La alta capacidad de potencia de los láseres de gas los hace especialmente adecuados para aplicaciones de gran volumen. La soldadura LBW es particularmente dominante en la industria automotriz. ^{[1] [2]}

Algunas de las ventajas del LBW en comparación con el EBW son:

• El rayo láser se puede transmitir a través del aire en lugar de requerir vacío.
• El proceso se puede automatizar fácilmente con maquinaria robótica.
• Los rayos X no se generan
• El LBW produce soldaduras de mayor calidad ^{[3] [4]}

Un derivado de la LBW, la soldadura híbrida por láser , combina el láser de la 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 la GMAW suministra metal fundido para rellenar la unión y, debido al uso de un láser, aumenta la velocidad de soldadura por encima de lo que normalmente es posible con la 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 trabajaba en la fabricación de filamentos fusionados , se expandió al desarrollo de sistemas de soldadura láser de código abierto. ^[10] Dichos sistemas se han caracterizado completamente y se pueden utilizar en una amplia escala de aplicaciones al tiempo que reducen los costos de fabricación convencionales.

• Los dos tipos de láseres comúnmente utilizados son los láseres de estado sólido (especialmente los láseres de rubí y los láseres Nd:YAG ) y los láseres de gas.
• El primer tipo utiliza uno de varios medios sólidos, incluido el rubí sintético ( cromo en óxido de aluminio ), el neodimio en vidrio (Nd:vidrio) y el tipo más común, el neodimio en granate de itrio y aluminio (Nd:YAG).
• Los láseres de gas utilizan mezclas de gases como helio , nitrógeno y dióxido de carbono (láser de CO2 ₎ como medio.
• Sin embargo, independientemente del tipo, cuando el medio se excita, emite fotones y forma el rayo láser.

Los láseres de estado sólido funcionan 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 anteojos especiales o utilicen pantallas especiales para evitar dañar la retina. Los láseres Nd:YAG pueden funcionar tanto en modo pulsado como continuo, pero los otros tipos están limitados al modo pulsado. El diseño original y aún popular de estado sólido es un monocristal con forma de varilla de aproximadamente 20 mm de diámetro y 200 mm de largo, y los extremos están pulidos hasta quedar planos. Esta varilla está rodeada por un tubo de destello que contiene xenón o criptón . Cuando se dispara, el láser emite un pulso de luz que dura aproximadamente dos milisegundos. Los cristales con 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 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 utilizan fibras ópticas.

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 en modo pulsado, y la longitud de onda del haz láser de gas CO2 _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 suministro de lentes y espejos rígidos. Las salidas de potencia para láseres de gas pueden ser mucho más altas que los láseres de estado sólido, llegando a 25  kW . ^[11]

En los láseres de fibra , el medio principal es la propia fibra óptica. Son capaces de alcanzar una potencia de hasta 50 kW y se utilizan cada vez más para la soldadura industrial robótica.

Las máquinas de soldadura láser modernas se pueden agrupar en dos tipos. En el tipo tradicional, la salida del láser se mueve para seguir la costura. Esto se logra generalmente con un robot. En muchas aplicaciones modernas, se utiliza la soldadura láser remota. 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 la mayor 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 aleaciones de aluminio. ^[2] El análisis térmico del proceso de soldadura por láser pulsado puede ayudar a predecir parámetros de soldadura como la profundidad de fusión, las velocidades de enfriamiento y las tensiones residuales. Debido a la complejidad del proceso de láser pulsado, es necesario emplear un procedimiento que implica un ciclo de desarrollo. El ciclo implica construir un modelo matemático, calcular un ciclo térmico utilizando técnicas de modelado numérico como el modelado elemental finito (FEM) o el método de diferencias finitas (FDM) o modelos analíticos con suposiciones simplificadoras, y validar el modelo mediante mediciones experimentales.

Una metodología que combina algunos de los modelos publicados implica: ^{[13] [14] [15]}

1. Determinación de la eficiencia de absorción de potencia.
2. Cálculo de la presión de retroceso en función de las temperaturas y una ecuación de Clausius-Clapeyron.
3. Calcule las velocidades de flujo de fluido utilizando el método del volumen de fluido (VOF).
4. Cálculo de la distribución de temperatura.
5. Aumente el tiempo y repita los pasos 1 a 4.
6. Validación de resultados

No toda la energía radiante se absorbe y se convierte en calor para la soldadura. Parte de la energía radiante se absorbe en el plasma creado al vaporizar y luego ionizar el gas. Además, la capacidad de absorción 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 hipótesis de la fuente puntual de Rosenthal deja una discontinuidad de temperatura infinitamente alta que se aborda suponiendo en su lugar 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.${\displaystyle f(r)=\exp(-r^{2}/a_{o}^{2})}$${\displaystyle a_{o}}$

El uso de una distribución de temperatura en lugar de una suposición de fuente puntual permite un cálculo más sencillo de las propiedades del material dependientes de la temperatura, como la capacidad de absorción. En la superficie irradiada, cuando se forma un ojo de cerradura, se produce la 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 se puede modelar mediante , donde ε es una función de la constante dieléctrica, la conductividad eléctrica y la frecuencia del láser. θ es el ángulo de incidencia. ^[13] Comprender la eficiencia de absorción es clave para calcular los efectos térmicos.${\displaystyle \alpha _{\theta }=1-R_{\theta }=1-0.5{{1+(1-\epsilon \cos \theta )^{2} \sobre {1+{1+\epsilon \cos \theta )^{2}}}}+{{{\epsilon ^{2}}-2\epsilon \cos \theta +2\cos ^{2}\theta } \sobre {\epsilon ^{2}}+2\epsilon \cos \theta +2\cos ^{2}\theta }}}$

Los láseres pueden soldar en uno de dos modos: conducción y ojo de cerradura. El modo que está en funcionamiento depende de si la densidad de potencia es lo suficientemente alta como para provocar la evaporación. ^[12] El modo de conducción se produce por debajo del punto de vaporización, mientras que el modo ojo de cerradura se produce por encima del punto de vaporización. El ojo de cerradura es análogo a una bolsa de aire. La bolsa de aire está en un estado de flujo. Fuerzas como la presión de retroceso del metal evaporado abren el ojo de 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 más altas, el vapor puede ionizarse para formar un plasma.

La presión de retroceso se determina utilizando 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. Utilizando el supuesto de 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.${\displaystyle {dP \sobre dT}={d\Delta H_{LV} \sobre dT\Delta V_{LV}}\thickapprox {d\Delta H_{LV} \sobre T_{LV}V_{LV}}}$${\displaystyle P_{r}\approxeq 0.54P_{o}exp(\Delta H_{LV}{T-T_{LV} \sobre RTT_{LV}})}$

Esto se refiere a los perfiles de ojo de cerradura. Las velocidades de flujo de fluido están determinadas por ^[13]

${\displaystyle \bigtriangledown *{\overrightarrow {v}}=0}$

${\displaystyle {\partial {\overrightarrow {v}} \sobre \parcial t}+({\overrightarrow {v}}*\bigtriangledown ){\overrightarrow {v}}=-{1 \sobre \rho }\bigtriangledown P+v\bigtriangledown {\overrightarrow {v}}+\beta {\overrightarrow {g}}\Delta T}$

${\displaystyle {\parcial F \sobre \parcial t}+({\overrightarrow {v}}*\bigtriangledown )F=0}$

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 del fluido en una celda de la cuadrícula de simulación.${\displaystyle {\overrightarrow {v}}}$${\estilo de visualización v}$

Para determinar la temperatura límite en la superficie de impacto del láser, se aplicaría una ecuación como esta. , ^[15] donde kn = conductividad térmica normal a la superficie sobre la que incide el láser, h = coeficiente de transferencia de calor convectivo para el aire, σ es la constante de Stefan-Boltzmann para la radiación, y ε es la emisividad del material que se suelda, q es el flujo de calor del rayo láser.${\displaystyle k_{n}{\parcial T \sobre \parcial n}-q+h(T-T_{o})+\sigma \epsilon (T^{4}-T_{o}^{2})=0}$

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 de paso que multiplique el flujo de calor por uno cuando el haz está encendido, pero multiplique 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 = delta de Kronecker, qe = flujo de calor determinado experimentalmente. El problema con este método es que no le 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:${\displaystyle q=\delta *qe}$

${\displaystyle f(n)={\begin{cases}1,&{\text{if }}n/v\leq t\leq n/v+\tau \\0,&{\text{if }}n/v+\tau \leq t\leq (n+1)/v\end{cases}}}$

donde v= frecuencia del pulso, n=0,1, 2,...,v-1), τ= duración del 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.${\displaystyle \rho C_{p}({\partial T \over \partial t}+{\overrightarrow {v}}\bigtriangledown T)=k\bigtriangledown T}$${\displaystyle {\overrightarrow {v}}}$

El incremento se realiza discretizando las ecuaciones gobernantes 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 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 de los materiales, como el calor específico, se ignora para minimizar el tiempo de cálculo.

La temperatura del líquido se puede sobreestimar si no se tiene en cuenta la cantidad de pérdida de calor debido a la pérdida de masa del vapor que sale de la interfaz líquido-metal. ^[14]

• Deposición de metales por láser

• Cary, Howard B. y Scott C. Helzer (2005). Tecnología de soldadura moderna . Upper Saddle River, Nueva Jersey: Pearson Education. ISBN 0-13-113029-3 . 
• Weman, Klas (2003). Manual de procesos de soldadura . Nueva York: CRC Press LLC. ISBN 0-8493-1773-8 . 
• Kalpakjian, Serope y Schmid, Steven R. (2006). Ingeniería y tecnología de fabricación, 5.ª ed. Upper Saddle River, Nueva Jersey: Pearson Education. ISBN 0-13-148965-8 

• Soldadura láser de doble haz; artículo de investigación del Welding Journal de 2002
• Morfología de la soldadura y modelado térmico en la soldadura láser de doble haz; artículo de investigación del Welding Journal de 2002
• Artículos sobre soldadura láser de la revista Industrial Laser Solutions