Tecnoloxía Laser

1. Principio da soldadura por láser

A soldadura por láser pode realizarse empregando feixes láser continuos ou pulsados. O principio da soldadura por láser divídese en soldadura por conducción de calor e soldadura por penetración profunda con láser. A densidade de potencia inferior a 10 ⁴ ~10⁵ A/CM ² é soldadura por conducción térmica, caracterizada por unha penetración superficial e unha velocidade de soldadura lenta. Cando a densidade de potencia é maior que 10 ⁵ ~10⁷ A/CM ² , a superficie metálica quentase, creando "cavidades" e formando unha soldadura de penetración profunda, que se caracteriza por unha velocidade de soldadura rápida e unha relación elevada entre profundidade e anchura.

O principio da soldadura láser por conducción térmica é o seguinte: a radiación láser quenta a superficie a procesar, e o calor da superficie difúndese cara ao interior mediante conducción térmica. Ao controlar parámetros láser como a anchura, a enerxía, a potencia máxima e a frecuencia de repetición do pulso láser, a peza funde, formando unha poza de fusión específica.

As máquinas de soldadura láser empregadas para a soldadura de engrenaxes e para a soldadura de láminas metálicas finas implican principalmente a soldadura láser de penetración profunda. O principio da soldadura láser de penetración profunda discutirase en detalle a continuación.

A soldadura por penetración profunda con láser normalmente emprega un feixe láser continuo para unir materiais. A súa física metalúrxica é moi semellante á soldadura por feixe de electróns, co mecanismo de conversión de enerxía que se alcanza mediante unha estrutura de "orificio chave". Baixo a irradiación dun láser cunha densidade de potencia suficientemente alta, o material evapórase e forma un orificio chave. Este orificio cheo de vapor actúa como un corpo negro, absorbindo case toda a enerxía do feixe incidente. A temperatura de equilibrio no interior do orificio chave alcanza aproximadamente 2500 °C. O calor transfórmase desde a parede exterior deste orificio de alta temperatura, fundindo o metal que o rodea. O orificio está cheo de vapor de alta temperatura xerado pola evaporación continua do material da parede baixo a irradiación do feixe. As paredes do orificio envolven metal fundido, e o metal líquido envolve o material sólido (na maioría dos procesos convencionais de soldadura e na soldadura por conducción láser, a enerxía depositase primeiro na superficie da peza de traballo e despois transfórmase ao interior). O fluxo líquido e a tensión superficial fóra das paredes do orificio mantén un equilibrio dinámico coa presión de vapor continuamente xerada no interior do orificio. Ao entrar continuamente o feixe láser no orificio, o material fóra do orificio continúa fluíndo. Ao moverse o feixe láser, o orificio mantense nun estado de fluxo estable. Noutras palabras, o orificio e o metal fundido que o rodea móvense cara adiante á mesma velocidade que o feixe guía. O metal fundido enche os baleiros deixados tras o movemento do orificio e logo solidifícase, formando así unha soldadura. Todo isto ocorre tan rapidamente que as velocidades de soldadura poden alcanzar facilmente varios metros por minuto.

2. Parámetros clave do proceso de soldadura por penetración profunda con láser

Potencia do laser

A soldadura por láser implica un limiar de densidade de enerxía láser. Por debaixo dese limiar, a profundidade de penetración é superficial; unha vez que se alcanza ou supera, a profundidade de penetración aumenta significativamente. O plasma xérase só cando a densidade de potencia do láser sobre a peza supera este limiar (dependente do material), o que marca o inicio da soldadura estable de penetración profunda. Se a potencia do láser está por debaixo deste limiar, só ocorre a fusión superficial na peza, o que significa que a soldadura se leva a cabo nun modo estable de conducción de calor. Cando a densidade de potencia do láser está preto da condición crítica para a formación do orificio (keyhole), alternanse a soldadura de penetración profunda e a soldadura por conducción, o que dá lugar a un proceso de soldadura inestable con grandes fluctuacións na profundidade de penetración. Na soldadura láser de penetración profunda, a potencia do láser controla simultaneamente a profundidade de penetración e a velocidade de soldadura. A profundidade de penetración da soldadura está directamente relacionada coa densidade de potencia do feixe e é función da potencia do feixe incidente e do punto focal do feixe. Xeralmente, para un feixe láser dun diámetro determinado, a profundidade de penetración aumenta ao incrementar a potencia do feixe.

Punto focal do feixe

O tamaño do punto do feixe é unha das variables máis importantes na soldadura por láser porque determina a densidade de potencia. Non obstante, a súa medición en láseres de alta potencia é desafiante, a pesar da existencia de moitas técnicas de medición indirectas.

O tamaño do punto do feixe limitado pola difracción pode calcularse baseándose na teoría óptica da difracción. Non obstante, debido ás aberracións na lente de enfoque, o tamaño real do punto é maior que o valor calculado. O método de medición práctico máis sinxelo é o método de perfilometría isoterma, que consiste en carbonizar unha folla de papel grosa e perforar unha placa de polipropileno antes de medir o punto focal e o diámetro da perforación. Este método require unha medición práctica para dominar a potencia do láser e a duración do contacto do feixe.

Valor de absorción do material

A absorción da luz láser por un material depende de varias propiedades importantes, como a absortividade, a reflectividade, a condutividade térmica, a temperatura de fusión e a temperatura de evaporación, sendo a absortividade a máis importante.

Os factores que afectan a absortividade dun material respecto dun feixe láser inclúen dous aspectos: en primeiro lugar, a resistividade do material. As medicións da absortividade de superficies pulidas amosan que esta é proporcional á raíz cadrada da resistividade, a cal, por súa vez, varía coa temperatura. En segundo lugar, o estado (ou suavidade) da superficie do material ten un impacto significativo na absortividade do feixe, afectando así de maneira notable o efecto da soldadura.

A lonxitude de onda de saída dun láser de CO₂ é tipicamente 10,6 μ m. Os materiais non metálicos, como cerámicas, vidro, goma e plásticos, teñen altas taxas de absorción á temperatura ambiente, mentres que os materiais metálicos absorben mal a radiación á temperatura ambiente, aumentando a súa absorción só de forma acentuada unha vez que o material se funde ou incluso se vaporiza. Os recubrimentos superficiais ou as películas de óxido son métodos eficaces para mellorar a absorción do feixe láser polo material.

Velocidade de soldadura

A velocidade de soldadura afecta de forma significativa a profundidade de penetración da soldadura. Ao aumentar a velocidade, a penetración fai-se máis superficial, mentres que velocidades excesivamente baixas provocan sobrefusión e perforación. Polo tanto, para un material específico, con unha potencia láser e un grosor determinados, existe un intervalo axeitado de velocidades de soldadura, dentro do cal se pode acadar a máxima penetración. A figura 10-2 mostra a relación entre a velocidade de soldadura e a penetración para o acero 1018.

Gas de proteción

Os gases inertes úsanse comunmente para protexer a poza fundida durante a soldadura por láser. Aínda que a oxidación superficial pode non ser unha preocupación para certos materiais, o helio, o arxón e o nitróxeno úsanse comunmente na maioría das aplicacións para evitar a oxidación da peza de traballo durante a soldadura.

O helio está pouco ionizado (aínda que ten unha enerxía de ionización elevada), o que permite que o feixe láser atraveso sen obstáculos e chegue á superficie da peza de traballo sen interrupcións. Este é o gas protector máis eficaz utilizado na soldadura por láser, pero é relativamente caro.

O arxón é máis barato e ten unha densidade máis alta, o que proporciona unha boa protección. Non obstante, ionízase facilmente polo plasma metálico de alta temperatura, o que bloquea parte do feixe e impide que chegue á peza de traballo, reducindo a potencia láser efectiva e afectando á velocidade de soldadura e á penetración. As soldaduras protexidas con arxón teñen superficies máis lisas ca as protexidas con helio.

O nitróxeno é o gas protector máis barato, pero non é adecuado para soldar certos tipos de aceiro inoxidable, principalmente por problemas metalúrxicos como a absorción, que ás veces pode provocar porosidade na zona da unión.

Unha segunda función dos gases protectores é protexer a lente de focalización da contaminación por vapor metálico e da salpicadura de gotas fundidas. Isto é especialmente importante na soldadura láser de alta potencia, onde o material expulsado se volve moi intenso.

Unha terceira función dos gases de proteción é a súa eficacia na dispersión do plasma xerado pola soldadura láser de alta potencia. O vapor metálico absorbe o feixe láser e ionízase formando unha nube de plasma. O gas protector que rodea o vapor metálico tamén se ioniza debido ao calor. Se hai demasiado plasma, o feixe láser consúmese en certa medida polo plasma. O plasma existe como unha fonte secundaria de enerxía na superficie de traballo, o que resulta nunha penetración de soldadura máis superficial e nunha poza de soldadura máis ancha. A taxa de recombinación de electróns aumenta ao incrementar as colisións entre electróns, ións e átomos neutros, reducindo así a densidade de electróns no plasma. Canto máis lixeiros sexan os átomos neutros, maior será a frecuencia de colisións e a taxa de recombinación; por outra parte, só un gas protector cunha enerxía de ionización elevada pode evitar un aumento da densidade de electróns debida á ionización do propio gas.

O tamaño da nube de plasma varía segundo o gas protector empregado, sendo o helio o que produce a nube máis pequena, seguido do nitróxeno e, por último, o arxón, que produce a nube máis grande. Unha nube de plasma máis grande resulta nunha penetración da soldadura máis superficial. Esta diferenza débese principalmente aos distintos graos de ionización das moléculas do gas, así como ás diferenzas na difusión do vapor metálico causadas polas distintas densidades dos gases protectores.

O helio ten a menor ionización e densidade, o que lle permite desprazar rapidamente o vapor metálico ascendente da poza de metal fundido. Polo tanto, o uso de helio como gas protector suprime ao máximo o plasma, aumentando así a penetración da soldadura e a velocidade de soldadura; ademais, o seu baixo peso permite que se escape facilmente, reducindo a probabilidade de porosidade. Non obstante, segundo os nosos resultados reais de soldadura, comprobouse que o uso de arxón como gas protector é bastante eficaz.

O impacto da nube de plasma na penetración da soldadura é máis pronunciado a baixas velocidades de soldadura. O seu efecto diminúe á medida que aumenta a velocidade de soldadura.

O gas protector expúlsase a unha certa presión a través dunha boquilla e alcanza a superficie da peça de traballo. A forma hidrodinámica da boquilla e o diámetro da súa saída son cruciais. O gas protector debe ser suficientemente amplo para cubrir a superficie de soldadura, pero o tamaño da boquilla debe limitarse para protexer eficazmente a lente e evitar a contaminación polos vapores metálicos ou os danos causados polo salpicado metálico. Tamén debe controlarse o caudal; doutro modo, o fluxo laminar do gas protector converterase en turbulento, producirase a entrada de aire atmosférico na poza fundida e, finalmente, formaranse poros.

Para mellorar o efecto de protección, pode empregarse un método adicional de soplado lateral, no que o gas protector inxéctase directamente na folla do cordón de soldadura de penetración profunda mediante unha boquilla de menor diámetro e cun determinado ángulo. O gas protector non só suprime a nube de plasma na superficie da peça de traballo, senón que tamén inflúe no plasma presente na folla e na formación desta, aumentando así a profundidade de penetración e conseguindo un cordón de soldadura cunha relación ideal entre profundidade e anchura. Non obstante, este método require un control preciso do caudal e da dirección do gas; doutro modo, pódense producir facilmente turbulencias que danen a poza fundida e tornen inestable o proceso de soldadura.

Lonxitude focal da lente

Durante a soldadura, o láser normalmente enfócase, xeralmente mediante lentes cunhas lonxitudes focais de 63–254 mm (2,5 ”~10”o tamaño do punto focalizado é directamente proporcional á lonxitude focal; canto máis curta sexa a lonxitude focal, máis pequeno será o punto. Non obstante, a lonxitude focal tamén afecta á profundidade de foco, é dicir, a profundidade de foco aumenta proporcionalmente coa lonxitude focal. Polo tanto, unha lonxitude focal máis curta pode aumentar a densidade de potencia, pero, debido á reducida profundidade de foco, a distancia entre a lente e a peça de traballo debe manterse con precisión, e a profundidade de penetración tamén queda limitada. Debido á influencia das salpicaduras e do modo láser xerados durante a soldadura, a lonxitude focal máis curta que se emprega realmente na soldadura é, con frecuencia, de 126 mm (5 ”cando a unión é grande ou cando é necesario aumentar o tamaño da soldadura incrementando o tamaño do punto, pódese seleccionar unha lente cunha lonxitude focal de 254 mm (10 ”) pode ser seleccionada. Neste caso, para lograr o efecto de chaveiro de penetración profunda, requírese unha potencia de saída láser máis elevada (densidade de potencia).

Cando a potencia láser supera os 2 kW, especialmente para 10,6 μ os feixes de láser de CO₂ de 10,6 µm, debido ao uso de materiais ópticos especiais no sistema óptico, adoitan empregar a focalización por reflexión para evitar danos ópticos na lente de focalización. Normalmente úsanse espellos de cobre pulido como reflectores. Debido ás súas eficaces propiedades de refrigeración, recoméndanse frecuentemente para focalizar feixes de láser de alta potencia.

Posición de enfoque

Durante a soldadura, a posición do foco é crucial para manter unha densidade de potencia suficiente. Os cambios na posición relativa do foco respecto da superficie da peza afectan directamente a anchura e a profundidade da soldadura. A figura 2-6 mostra o efecto da posición do foco na profundidade de penetración e na anchura da soldadura do acero 1018.

Na maioría das aplicacións de soldadura con láser, o foco sitúase normalmente aproximadamente a un cuarto de distancia por debaixo da superficie da peza para acadar a profundidade de penetración desexada.

Posición do feixe de láser

Cando se soldan diferentes materiais con láser, a posición do feixe láser controla a calidade final da soldadura, especialmente nas xuntas de encaixe, onde é máis sensible que nas xuntas de solapamento. Por exemplo, cando se solda un engranaxe de aceiro endurecido a un tambor de aceiro de baixo contido en carbono, o control axeitado da posición do feixe láser dará lugar a unha soldadura composta principalmente por compoñentes de baixo contido en carbono, que presenta unha mellor resistencia ás fisuras. En algunhas aplicacións, a xeometría da peça a soldar require que o feixe láser sexa desviado cun ángulo. Cando o ángulo de desviación entre o eixe do feixe e o plano da xunta é inferior a 100 graos, a absorción de enerxía láser pola peça non resulta afectada.

Control do aumento e diminución da potencia do láser nos puntos inicial e final da soldadura

Durante a soldadura por penetración profunda con láser, independentemente da profundidade da soldadura, o fenómeno do orificio (pinhole) está sempre presente. Cando se finaliza o proceso de soldadura e se apaga o interruptor de alimentación, aparece unha fosa na extremidade da soldadura. Ademais, cando a capa de soldadura láser cubre a soldadura orixinal, pode producirse unha absorción excesiva do feixe láser, o que leva ao sobrecalentamento ou á porosidade da peza soldada.

Para evitar estes fenómenos, os puntos de inicio e fin da potencia poden programarse para facer que os tempos de inicio e fin da potencia sexan axustables. É dicir, a potencia inicial aumenta electronicamente de cero ata o valor de potencia establecido nun curto período de tempo, e axústase o tempo de soldadura. Finalmente, ao rematar a soldadura, a potencia redúcese gradualmente desde o valor establecido ata cero.

3. Características, vantaxes e desvantaxes da soldadura por penetración profunda con láser

Características da soldadura por penetración profunda con láser

1) Alta relación de aspecto. 1) **Soldadura profunda e estreita:** Dado que o metal fundido se forma arredor da cavidade cilíndrica de vapor a alta temperatura e se estende cara á peça de traballo, a soldadura resulta profunda e estreita.

2) **Mínima entrada de calor:** Debido á temperatura extremadamente elevada no interior da abertura, o proceso de fusión ocorre moi rapidamente, o que dá lugar a unha entrada de calor moi baixa na peça de traballo, minimizando a deformación térmica e a zona afectada polo calor.

3) **Alta densidade:** A abertura chea de vapor a alta temperatura facilita a agitación da poza de soldadura e a fuxión dos gases, o que produce unha soldadura sen porosidades e totalmente penetrada. A alta velocidade de arrefriamento despois da soldadura refina ademais a microestrutura da soldadura.

4) **Soldadura forte:** A intensa fonte de calor e a absorción completa dos compoñentes non metálicos reducen o contido de impurezas e alteran o tamaño e a distribución das inclusións na poza de soldadura. O proceso de soldadura non require electrodos nin arame de aportación, o que reduce a contaminación na zona fundida, facendo que a resistencia e a tenacidade da soldadura sexan polo menos iguais ou incluso superiores ás do metal base.

5) **Control preciso:** Como o punto focal é moi pequeno, a soldadura pode posicionarse con precisión. A saída do láser non ten "inercia", o que permite paradas e reinicios rápidos a altas velocidades. A tecnoloxía CNC de movemento do feixe permite soldar pezas complexas. 6) Proceso de soldadura atmosférica sen contacto. Como a enerxía provén dun feixe de fotóns, non hai contacto físico coa peza de traballo, polo que non se aplica ningunha forza externa sobre ela. Ademais, a magnetismo e o aire non afectan ao láser.

Vantaxes da soldadura por penetración profunda con láser

1) Debido á moita maior densidade de potencia dos láseres focalizados en comparación cos métodos convencionais, a velocidade de soldadura é elevada, a zona afectada polo calor e a deformación son pequenas, e pode soldar materiais de difícil soldadura, como o titano.

2) Como o feixe é fácil de transmitir e controlar, e non é necesario cambiar con frecuencia as tochas e os bocais de soldadura, nin realizar o baleirado necesario na soldadura por feixe de electróns, o tempo de inactividade redúcese considerablemente, o que resulta nun alto factor de carga e nunha elevada eficiencia produtiva.

3) Debido ao efecto de purificación e á alta velocidade de arrefriamento, a soldadura presenta unha alta resistencia, tenacidade e rendemento global.

4) Debido á baixa entrada media de calor, a precisión do procesamento é elevada, o que reduce os custos de reprocesamento; ademais, os custos operativos da soldadura láser tamén son máis baixos, reducindo así os custos de procesamento das pezas.

5) A intensidade do feixe e o posicionamento preciso poden controlarse de maneira efectiva, o que facilita a operación automatizada.

Desvantaxes da soldadura láser de penetración profunda

1) Profundidade de soldadura limitada.

2) Requisitos elevados para a montaxe da peça de traballo.

3) Investimento inicial elevado en sistemas láser.