Fundamentos de la Soldadura Láser: Dominando Técnicas de Fusión Sin Contacto

Fundamentos de la Soldadura Láser

La soldadura láser es un proceso sin contacto que requiere acceso a la zona de soldadura desde un lado de las piezas a unir.

• La soldadura se forma cuando la intensa luz láser calienta rápidamente el material, típicamente en milisegundos.
• Existen típicamente tres tipos de soldaduras:
  • Modo de conducción
  • Modo conducción/penetración
  • Modo de penetración o "llave" (keyhole)

Modo de conducción: Se realiza a baja densidad de energía, formando una soldadura poco profunda y ancha.

Modo conducción/penetración: Ocurre a densidad de energía media, mostrando mayor penetración que el modo de conducción.

Modo de penetración o keyhole: Caracterizado por soldaduras profundas y estrechas. En este modo, la luz láser forma un filamento de material vaporizado conocido como "llave" (keyhole) que se extiende hacia el material, proporcionando un conducto para que la luz láser se entregue eficientemente en el interior. Esta entrega directa de energía no depende de la conducción para lograr penetración, minimizando el calor en el material y reduciendo la zona afectada por el calor (HAZ).

Soldadura por Conducción

La unión por conducción describe una familia de procesos en los que el haz láser se enfoca:

• Para dar una densidad de potencia del orden de 10³ W/mm²
• Funde el material para crear una unión sin vaporización significativa.

La soldadura por conducción tiene dos modos:

• Calentamiento directo
• Transmisión de energía

Calentamiento Directo

• Durante el calentamiento directo, el flujo de calor se rige por la conducción térmica clásica desde una fuente de calor superficial, y la soldadura se realiza fundiendo porciones del material base.
• Las primeras soldaduras por conducción se realizaron a principios de los años 60, usando láseres de rubí pulsados de baja potencia y CO₂ para conectores de alambre.
• Las soldaduras por conducción pueden realizarse en una amplia gama de metales y aleaciones en forma de alambres y láminas delgadas, usando láseres CO₂, Nd:YAG y diodo con potencias del orden de decenas de vatios.
• El calentamiento directo por haz láser CO₂ también puede usarse para soldaduras solapadas y a tope en láminas de polímero.

Soldadura por Transmisión

• La soldadura por transmisión es un medio eficiente para unir polímeros que transmiten la radiación infrarroja cercana de láseres Nd:YAG y diodo.
• La energía se absorbe mediante métodos novedosos de absorción interfacial.
• Los compuestos pueden unirse siempre que las propiedades térmicas de la matriz y el refuerzo sean similares.
• El modo de transmisión de energía se usa con materiales que transmiten radiación infrarroja cercana, principalmente polímeros.
• Se coloca tinta absorbente en la interfaz de una junta solapada. La tinta absorbe la energía del haz láser, que se conduce a un espesor limitado del material circundante formando una película interfacial fundida que se solidifica como junta soldada.
• Juntas solapadas de secciones gruesas pueden hacerse sin fundir las superficies exteriores.
• Soldaduras a tope pueden hacerse dirigiendo la energía hacia la línea de junta en ángulo a través del material en un lado, o desde un extremo si el material es altamente transmisivo.

Soldadura Blanda y Soldadura Fuerte con Láser

• En los procesos de soldadura blanda y fuerte con láser, el haz se usa para fundir un material de aporte, que moja los bordes de la junta sin fundir el material base.
• La soldadura blanda láser ganó popularidad a principios de los años 80 para unir terminales de componentes electrónicos a través de agujeros en placas de circuito impreso. Los parámetros del proceso se determinan por las propiedades del material.

Soldadura Láser de Penetración (Keyhole)

• A altas densidades de potencia, todos los materiales se evaporan si la energía puede absorberse. Así, al soldar de esta forma, usualmente se forma un orificio por evaporación.
• Este "orificio" se desplaza a través del material con las paredes fundidas sellándose detrás de él.
• El resultado es una "soldadura keyhole", caracterizada por su zona de fusión de lados paralelos y anchura estrecha.

Eficiencia de la Soldadura Láser

• Un término para definir este concepto de eficiencia es la "eficiencia de unión" (joining efficiency).
• No es una eficiencia verdadera, pues tiene unidades de (mm² unidos / kJ suministrados).
• Eficiencia = V·t / P (recíproco de la energía específica en corte), donde V = velocidad de avance (mm/s), t = espesor soldado (mm), P = potencia incidente (kW).

Eficiencia de Unión

• Cuanto mayor sea el valor de la eficiencia de unión, menos energía se gasta en calentamiento innecesario.
• Ventajas: Menor zona afectada por calor (HAZ) y menor distorsión.
• La soldadura por resistencia es la más eficiente en este aspecto, ya que la energía de fusión y HAZ solo se genera en la interfaz de alta resistencia a soldar.
• El láser y el haz de electrones también tienen buenas eficiencias y altas densidades de potencia.

Variaciones del Proceso

Soldadura Láser Aumentada por Arco (Arc Augmented Laser Welding)

• El arco de una antorcha TIG montada cerca del punto de interacción del láser se bloquea automáticamente sobre el punto caliente generado por el láser.
• La temperatura requerida es alrededor de 300°C sobre la temperatura ambiente.
• El efecto estabiliza un arco inestable por su velocidad de avance o reduce la resistencia de un arco estable.
• El bloqueo solo ocurre en arcos con corriente baja (catodo lento), es decir, corrientes menores a 80A.
• El arco está del mismo lado de la pieza que el láser, permitiendo duplicar la velocidad de soldadura con un modesto aumento en costo de capital.

Soldadura Láser de Doble Haz (Twin Beam Laser Welding)

• Si se usan dos haces láser simultáneamente, es posible controlar la geometría del baño de fusión y la forma del cordón.
• Con dos haces de electrones, la keyhole puede estabilizarse, causando menos ondas en el baño y dando mejor penetración y forma de cordón.
• Una combinación de láser excímero y CO₂ mostró acoplamiento mejorado para soldar materiales de alta reflectividad como aluminio o cobre.
• El acoplamiento mejorado se debió principalmente a: alterar la reflectividad por ondulación superficial causada por el excímero, y un efecto secundario por acoplamiento a través del plasma generado por el excímero.