Introducción:
En el artículo anterior, analizamos los principios y las características de la soldadura por láser de penetración profunda. Aquí nos centraremos en los principales parámetros del proceso. Esto le resultará útil para conocer mejor esta técnica de soldadura.
Principales parámetros del proceso de soldadura láser de penetración profunda
1. Potencia del láser
Existe un valor umbral de densidad de energía láser en la soldadura láser. Por debajo de este valor, la profundidad de penetración es muy escasa. Una vez alcanzado o superado este valor, la profundidad de penetración aumentará considerablemente. Sólo cuando la densidad de energía láser en la pieza supere un valor umbral (en función del material) se generará el plasma. Esto marca el progreso de la soldadura de penetración profunda estable.
Si la potencia del láser está por debajo de este umbral, sólo se produce la fusión superficial de la pieza. Se trata de una soldadura por conducción de calor estable. Sin embargo, cuando la densidad de potencia del láser se aproxima a la condición crítica para la formación de pequeños orificios, la soldadura por penetración profunda y la soldadura por conducción se realizan alternativamente. Esto se convierte en un proceso de soldadura inestable, que da lugar a grandes fluctuaciones en la profundidad de penetración.
Durante la soldadura por penetración profunda con láser, la potencia del láser controla la profundidad de penetración y la velocidad de soldadura al mismo tiempo. La penetración de la soldadura está directamente relacionada con la densidad de potencia del haz y es función de la potencia del haz incidente y del punto focal del haz. En general, para un haz láser de un determinado diámetro, la profundidad de penetración aumenta a medida que lo hace la potencia del haz.
2. Punto focal del haz
El tamaño del punto del haz es una de las variables más importantes en la soldadura láser. Porque determina la densidad de potencia. Pero para los láseres de alta potencia, su medición es difícil. Aunque existen muchas técnicas de medición indirecta.
El tamaño del punto de difracción limitada del haz de enfoque puede calcularse de acuerdo con la teoría de difracción de la luz. Pero debido a la existencia de aberración de la lente de enfoque, el tamaño real del punto es mayor que el valor calculado. El método práctico más sencillo es el método de perfil isotérmico. Consiste en medir el punto focal y el diámetro de perforación tras carbonizar y penetrar una placa de polipropileno con papel grueso. Este método necesita dominar la potencia del láser y el tiempo de acción del haz mediante la práctica de la medición.
3. Valor de absorción del material
La absorción de la luz láser por un material depende de algunas propiedades importantes del material. Como la absortividad, la reflectividad, la conductividad térmica, la temperatura de fusión, la temperatura de evaporación, etc.
Lo más importante es la tasa de absorción.
Los factores que afectan a la tasa de absorción del material al rayo láser incluyen dos aspectos:
- En primer lugar, medir la absorbancia de la superficie pulida del material. Se comprobó que la resistividad del material es proporcional a la raíz cuadrada del coeficiente de resistividad. El coeficiente de resistividad cambia con la temperatura.
- En segundo lugar, el estado de la superficie (o acabado) del material tiene un efecto más importante en la tasa de absorción del haz. Por lo tanto, tiene un efecto significativo en el efecto de la soldadura.
Los materiales no metálicos, como la cerámica, el vidrio, el caucho y los plásticos, tienen un alto índice de absorción a temperatura ambiente. Sin embargo, los materiales metálicos tienen un índice de absorción bajo a temperatura ambiente. Y una vez que el material se funde o incluso se evapora, aumentará bruscamente. El uso de un revestimiento superficial o una película de óxido superficial mejora eficazmente la absorción del haz de luz del material.
4. Velocidad de soldadura
La velocidad de soldadura tiene una gran influencia en la profundidad de penetración. Aumentar la velocidad hará que la penetración sea menor. Pero si la velocidad es demasiado baja, el material se fundirá en exceso y la pieza quedará soldada. Por lo tanto, existe un rango de velocidad de soldadura adecuado para un material específico con una potencia láser y un grosor determinados. La máxima profundidad de penetración puede obtenerse con el valor de velocidad correspondiente.
5. Gas protector
A menudo se utiliza gas inerte para proteger el baño de fusión durante la soldadura láser. Algunos materiales se sueldan independientemente de la oxidación de la superficie, y la protección puede no tenerse en cuenta. Pero para la mayoría de las aplicaciones, el helio, el argón, el nitrógeno y otros gases suelen utilizarse como protección.
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Helio
El helio no se ioniza fácilmente (mayor energía de ionización). Esto permite que el láser lo atraviese sin problemas y que la energía del haz alcance la superficie de la pieza sin obstáculos. Es el gas de protección más eficaz utilizado en la soldadura láser. Pero es más caro.
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Gas argón
El gas argón es más barato y más denso, por lo que el efecto de protección es mejor. Sin embargo, es susceptible a la ionización del plasma metálico a alta temperatura. Esto puede impedir que parte del haz incida en la pieza, reducir la potencia efectiva del láser para soldar y perjudicar la velocidad de soldadura y la penetración. La superficie de la soldadura protegida con argón es más lisa que la protegida con helio.
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Nitrógeno
El nitrógeno es el gas de protección más barato. Sin embargo, no es adecuado para soldar algunos tipos de acero inoxidable, principalmente debido a problemas metalúrgicos, como la absorción. A veces, esto produce porosidad en la zona solapada.
El uso de gas protector es beneficioso, principalmente en los tres aspectos siguientes:
- Proteger la pieza de la oxidación durante la soldadura.
- Proteja la lente de enfoque de la contaminación por vapor metálico y la pulverización de gotas de líquido, especialmente en la soldadura láser de alta potencia. Debido a que la eyección se vuelve potente, es necesario proteger la lente ahora.
- Disipar el escudo de plasma producido por la soldadura láser de alta potencia. El vapor metálico absorbe el rayo láser y se ioniza formando una nube de plasma. El gas protector que rodea al vapor metálico también se ioniza debido al calor. Si hay demasiado plasma, el rayo láser es consumido en cierta medida por el plasma. El plasma existe en la superficie de trabajo como una segunda energía, lo que hace que la penetración sea poco profunda y la superficie del baño de soldadura se ensanche. La tasa de recombinación de electrones se incrementa aumentando las colisiones de tres cuerpos de electrones con iones y átomos neutros para reducir la densidad de electrones en el plasma. Cuanto más ligeros sean los átomos neutros, mayor será la frecuencia de colisión y la tasa de recombinación. Por otra parte, sólo el gas protector con alta energía de ionización no aumentará la densidad de electrones debido a la ionización del propio gas.
6. Distancia focal del objetivo
El método de enfoque suele utilizarse para condensar el láser durante la soldadura, y generalmente se utiliza una lente con una longitud focal de 63~254 mm. El tamaño del punto de enfoque es proporcional a la distancia focal. Cuanto menor sea la distancia focal, menor será el punto. Sin embargo, la distancia focal también afecta a la profundidad focal. Es decir, la profundidad focal aumenta de forma sincronizada con la distancia focal. Por tanto, una distancia focal corta puede aumentar la densidad de potencia. Debido a la pequeña profundidad focal, la distancia entre el objetivo y la pieza de trabajo debe mantenerse con precisión, y la profundidad de penetración no es grande.
Debido a la influencia de las salpicaduras y el modo láser generados en el proceso de soldadura, la profundidad focal más corta utilizada en la soldadura real suele ser la distancia focal de 126mm (5″). Cuando la junta es grande o es necesario aumentar el cordón de soldadura aumentando el tamaño del punto, puede elegir una lente con una longitud focal de 254mm. En este caso, se requiere una mayor potencia de salida del láser (densidad de potencia) para lograr el efecto de agujero de alfiler de penetración profunda.
Cuando la potencia del láser supera los 2kW(especialmente para el rayo láser de CO2 de 10,6μm), debido al uso de materiales ópticos especiales para formar el sistema óptico, se suele utilizar el método de enfoque por reflexión para evitar el riesgo de daños ópticos en la lente de enfoque. Como reflector se utiliza generalmente un espejo de cobre pulido. Suele recomendarse para enfocar haces láser de alta potencia debido a su eficaz refrigeración.
7. Posición de enfoque
La posición del punto focal es fundamental para mantener una densidad de potencia adecuada al soldar. Los cambios en la posición del punto focal con respecto a la superficie de la pieza afectan directamente a la anchura y profundidad de la soldadura.
En la mayoría de las aplicaciones de soldadura láser, el punto focal suele situarse aproximadamente 1/4 de la profundidad de fusión deseada por debajo de la superficie de la pieza.
8. Posición del rayo láser
Cuando se sueldan con láser materiales distintos, la posición del rayo láser controla la calidad final de la soldadura, especialmente en el caso de uniones a tope que de solapas. Por ejemplo, cuando se suelda un engranaje de acero templado a un tambor de acero dulce, un control adecuado de la posición del haz láser ayudará a producir una soldadura con un componente relativamente resistente al agrietamiento y predominantemente bajo en carbono. En algunas aplicaciones, la geometría de la pieza a soldar requiere que el haz láser se desvíe en un ángulo. Cuando el ángulo de desviación entre el eje del haz y el plano de la junta se encuentra dentro de los 100 grados, la absorción de la energía láser por la pieza de trabajo no se verá afectada.
9. Control de subida y bajada gradual de la potencia del láser en los puntos inicial y final de la soldadura.
Durante la soldadura por penetración profunda con láser, siempre existen pequeños orificios, independientemente de la profundidad de la soldadura. Cuando finalice el proceso de soldadura y se apague el interruptor de alimentación, aparecerá un hoyo al final de la soldadura. Además, cuando la capa de soldadura láser cubre el cordón de soldadura original, se producirá una absorción excesiva del haz láser. Esto provoca el sobrecalentamiento de la soldadura o la generación de poros.
Para evitar que se produzcan los fenómenos anteriores, los puntos de arranque y parada de la potencia pueden programarse para ajustar los tiempos de inicio y fin de la potencia. La potencia inicial se incrementa electrónicamente desde cero hasta el valor de potencia establecido en un breve periodo. Y se puede ajustar el tiempo de soldadura. Por último, la potencia se reduce gradualmente desde la potencia fijada hasta cero cuando finaliza la soldadura.