Tecnología Láser

¿Ha experimentado defectos de soldadura, como salpicaduras excesivas, formación poco estética de la soldadura y numerosos poros tras la soldadura? Aunque podría estar preguntándose si se deben a una configuración incorrecta de los parámetros del proceso de soldadura láser, ¿sabía que el uso adecuado del gas de protección también es un factor crucial que afecta la formación y el rendimiento de la soldadura? Elegir el gas de protección óptimo es, de hecho, una forma de mejorar la calidad y la eficiencia de la soldadura.

Dado que el gas de protección es tan importante, ¿cuál es exactamente su función? ¿Cómo debe elegir el tipo de gas de protección? ¿Cómo debe aplicarse el gas de protección durante la soldadura?

La función del gas de protección

En la soldadura por láser, el gas de protección afecta la formación de la soldadura, la calidad de la soldadura, la penetración de la soldadura y el ancho de la soldadura. En la mayoría de los casos, la inyección del gas de protección tiene un efecto positivo sobre la soldadura, pero también puede tener efectos adversos.

Efectos positivos

1) La introducción adecuada del gas de protección protege eficazmente la piscina de soldadura, reduciendo o incluso evitando la oxidación.

2) La introducción adecuada del gas de protección reduce eficazmente las salpicaduras durante la soldadura.

3) La introducción adecuada del gas de protección favorece una distribución uniforme de la piscina de soldadura durante la solidificación, lo que da lugar a una soldadura uniforme y estéticamente atractiva.

4) La introducción adecuada del gas de protección reduce eficazmente el efecto de blindaje que ejercen las plumas de vapor metálico o las nubes de plasma sobre el láser, aumentando así la tasa de utilización efectiva del láser.

5) La introducción adecuada del gas de protección reduce eficazmente la porosidad de la soldadura.

Siempre que se seleccione correctamente el tipo de gas, el caudal del gas y el método de introducción, se pueden lograr resultados ideales.

Sin embargo, el uso inadecuado del gas de protección también puede afectar negativamente la soldadura.

1) Una aplicación incorrecta del gas de protección puede empeorar la soldadura:

① La elección de un tipo de gas inadecuado puede provocar grietas en la soldadura y reducir sus propiedades mecánicas;

② La elección de un caudal de gas inadecuado puede provocar una oxidación más severa de la soldadura (ya sea que el caudal sea demasiado alto o demasiado bajo) y también puede causar una interferencia grave en la piscina de soldadura, lo que resulta en colapso de la soldadura o formación irregular;

③ La elección de un método de aplicación del gas inadecuado puede dar lugar a una protección ineficaz o incluso inexistente, o afectar negativamente la formación de la soldadura;

2) La aplicación del gas de protección puede afectar la penetración de la soldadura, especialmente en la soldadura de chapas finas, reduciendo dicha penetración.

Tipos de gases de protección

Los gases de protección comúnmente utilizados en la soldadura por láser son N₂, Ar y He. Sus propiedades fisicoquímicas difieren y, por tanto, sus efectos sobre la soldadura varían.

Nitrógeno (N2)

El más económico, pero inadecuado para soldar ciertos aceros inoxidables. El nitrógeno (N2) tiene una energía de ionización moderada, mayor que la del argón (Ar), pero menor que la del helio (He). Bajo irradiación láser, su grado de ionización es generalmente bajo, lo que reduce eficazmente la formación de la nube de plasma y, por ende, aumenta la tasa de utilización efectiva del láser. Sin embargo, el nitrógeno puede reaccionar químicamente con las aleaciones de aluminio y el acero al carbono a ciertas temperaturas, formando nitruros. Esto incrementa la fragilidad de la soldadura y reduce su tenacidad, afectando negativamente de forma significativa las propiedades mecánicas de la unión soldada. Por lo tanto, no se recomienda utilizar nitrógeno como gas protector en la soldadura de aleaciones de aluminio y acero al carbono.

Por otro lado, los nitruros generados por la reacción química del nitrógeno con el acero inoxidable pueden aumentar la resistencia de la unión soldada, mejorando así sus propiedades mecánicas. Por consiguiente, el nitrógeno puede utilizarse como gas de protección durante la soldadura de acero inoxidable.

Argón (Ar)

es relativamente económico, tiene una alta densidad y ofrece una buena protección. La superficie de soldadura es más lisa que con helio. Sin embargo, se ioniza fácilmente por el plasma metálico de alta temperatura, lo que puede bloquear parte del haz láser impidiendo que llegue a la pieza de trabajo, reduciendo así la potencia efectiva de soldadura y dificultando la velocidad de soldadura y la penetración. El argón (Ar) tiene la energía de ionización más baja, pero su grado de ionización es relativamente alto bajo irradiación láser, lo que no favorece el control de la formación de nubes de plasma y afectará en cierta medida la tasa de utilización efectiva del láser. No obstante, el argón presenta una reactividad muy baja y difícilmente reacciona químicamente con los metales comunes. Además, el argón es económico. Asimismo, posee una alta densidad, lo que facilita su asentamiento sobre la piscina de soldadura, brindando una mejor protección a esta última. Por lo tanto, puede utilizarse como gas de protección convencional.

Helio (He)

Es más caro, pero tiene el mejor efecto, permitiendo que el láser pase directamente sin obstáculos hasta la superficie de la pieza de trabajo. Posee la energía de ionización más alta, pero su grado de ionización es muy bajo bajo irradiación láser, lo que permite controlar eficazmente la formación de nubes de plasma. El láser actúa bien sobre los metales, y el helio (He) presenta una reactividad muy baja, prácticamente sin reaccionar químicamente con los metales. Es un excelente gas de protección para soldaduras. Sin embargo, el He es demasiado costoso y, por lo general, no se utiliza en producción en masa. Se emplea habitualmente en investigación científica o en productos de alto valor añadido.

Métodos de inyección de gas de protección

Actualmente existen dos métodos principales para introducir gases de protección: uno es el soplado lateral descentrado del gas de protección... Gas protector soplado lateral paralelo

Otro tipo es el gas protector coaxial.

Gas de protección coaxial

La elección entre ambos métodos de soplado depende de una combinación de factores, aunque generalmente se recomienda el soplado lateral del gas de protección.

Principios para la selección de los métodos de soplado de gas protector

En primer lugar, es importante aclarar que el término «oxidación de la soldadura» es una expresión coloquial. Teóricamente, se refiere a una reacción química entre la soldadura y componentes nocivos del aire, lo que provoca una disminución de la calidad de la soldadura. Ejemplos comunes incluyen la reacción del metal soldado con el oxígeno, el nitrógeno y el hidrógeno presentes en el aire a ciertas temperaturas.

La prevención de la oxidación de la soldadura implica reducir o evitar el contacto entre estos componentes nocivos y el metal soldado a altas temperaturas. Esta alta temperatura no se refiere únicamente al metal del baño fundido, sino también al período completo desde que el metal soldado se funde hasta que se solidifica y su temperatura desciende por debajo de un determinado nivel.

Por ejemplo, en la soldadura de aleaciones de titanio, el hidrógeno se absorbe rápidamente por encima de 300 °°C, el oxígeno por encima de 450 °°C y el nitrógeno por encima de 600 °C. Por lo tanto, las soldaduras de aleación de titanio requieren una protección eficaz tras la solidificación y durante el período en que la temperatura desciende por debajo de 300 °°C; de lo contrario, se "oxidarán".

Como aclara la descripción anterior, el gas de protección soplado no solo debe proteger oportunamente la piscina de soldadura, sino también la zona recién solidificada. Por lo tanto, generalmente se utiliza el método de soplado lateral descentrado del gas de protección mostrado en la figura 1, ya que ofrece un rango de protección más amplio que el método de protección coaxial mostrado en la figura 2, especialmente proporcionando una mejor protección para la zona de soldadura recién solidificada.

Para aplicaciones industriales, el soplado lateral descentrado del gas de protección no es adecuado para todos los productos. Para ciertos productos específicos, únicamente puede utilizarse el gas de protección coaxial. La elección debe adaptarse a la estructura del producto y al tipo de junta.

Selección específica del método de soplado del gas de protección

1) Soldaduras rectas

Como se muestra en la figura 3, la forma de la soldadura del producto es recta. El tipo de junta puede ser una junta a tope, una junta en traslape, una junta en ángulo o una soldadura superpuesta. Para este tipo de producto, se prefiere el método de gas protector lateral descentrado que se muestra en es preferido.

2) Soldaduras planas de forma cerrada

La forma de la soldadura del producto es una forma cerrada, como un círculo plano, un polígono plano o una línea plana de múltiples segmentos. El tipo de junta puede ser una junta a tope, una junta en traslape o una junta de soldadura superpuesta. Para este tipo de producto, se prefiere el gas protector coaxial.

Soldadura plana de forma cerrada

La selección del gas de protección afecta directamente la calidad, la eficiencia y el costo de la producción de soldadura. Sin embargo, debido a la diversidad de los materiales de soldadura, la selección del gas de soldadura en la práctica es bastante compleja. Es necesario considerar de forma integral el material de soldadura, el método de soldadura, la posición de soldadura y el efecto de soldadura requerido. Solo mediante ensayos de soldadura se puede seleccionar un gas de soldadura más adecuado para lograr mejores resultados de soldadura.