Soldadura por haz láser vs. haz de electrones: elección del proceso óptimo para sus aplicaciones

Los defensores de la soldadura por haz láser (LBW) y soldadura por haz de electrones (EBW) alaban cada uno su tecnología favorita, pero a menudo la mejor solución para un cliente es usar ambas tecnologías juntas. Ambos procesos se adaptan bien a la unión de componentes con geometrías complejas y son capaces de cumplir las demandas más estrictas para características metalúrgicas del ensamblaje final.

Cuándo usar cada tecnología

Usar ambas tecnologías en una sola instalación puede agilizar el proceso de fabricación cuando el diseño de un componente incorpora múltiples uniones soldadas adaptadas por separado para un proceso u otro. Ejemplos incluyen sensores, dispositivos médicos, y productos que requieren gas inerte o vacío sellado dentro de la pieza terminada.

El procesamiento láser se requiere cuando el tamaño del ensamblaje final es demasiado grande para una cámara de soldadura EB, algún componente es incompatible con procesamiento al vacío (como un líquido o gas), o cuando la soldadura es inaccesible a una fuente de haz de electrones. El haz de electrones será la opción principal cuando el ensamblaje completado deba sellarse con componentes internos bajo vacío, cuando las penetraciones de soldadura superen 1/2", cuando el material sea difícil de iniciar acoplamiento láser, o cuando la soldadura no deba exponerse a condiciones atmosféricas hasta que se haya enfriado a temperatura aceptable. Ejemplos son soldadura aeroespacial de titanio y sus aleaciones, y muchos metales refractarios como tungsteno, niobio, renio y tantalio.

LBW: Herramientas más simples y ciclos más cortos

Las fuentes de energía de soldadura láser usan salida de onda continua (CW) o pulsada de fotones. Con sistemas CW, el haz láser está siempre encendido durante la soldadura. Los sistemas pulsados se modulan para emitir una serie de pulsos con tiempo muerto entre ellos. Con ambos métodos, el haz láser se enfoca ópticamente en la superficie de la pieza a soldar. Estos haces pueden entregarse directamente a la pieza vía óptica rígida clásica, o a través de cable de fibra óptica altamente flexible capaz de entregar energía láser a estaciones de trabajo distantes.

La alta densidad de energía del láser permite llevar la superficie del material a su temperatura de liquidus rápidamente, permitiendo un tiempo de interacción de haz corto comparado con métodos tradicionales como GTAW (TIG). Así, la energía tiene menos tiempo para disiparse en el interior de la pieza. Esto resulta en una zona afectada por calor estrecha y menos déficit de fatiga al componente.

La salida de energía del haz puede controlarse y modularse altamente para producir perfiles de pulso arbitrarios. Las costuras de soldadura pueden producirse solapando pulsos individuales, lo que reduce la entrada de calor introduciendo un breve ciclo de enfriamiento entre pulsos, una ventaja para producir soldaduras en materiales sensibles al calor.

Salay Stannard, ingeniera de materiales en Joining Technologies, innovadora en revestimiento láser, soldadura por haz de electrones y láser en East Granby, CT, señala que láseres CW pueden lograr penetraciones de hasta y superando 0,5 pulgadas, mientras que láseres pulsados típicamente logran solo 0,030-0,045 pulgadas. Dice: "Estos resultados pueden variar entre sistemas láser y dependen en gran medida de la elección de parámetros de procesamiento y diseño de la unión". La Figura 1 muestra la construcción de un sistema de soldadura láser de estado sólido.

Stannard añade: "Dado que la fuente de calor en este proceso es la energía de la luz, debe considerarse la reflectividad del material de soldadura. Por ejemplo, oro, plata, cobre y aluminio requieren entrada de energía más intensa. Una vez fundidos, la reflectividad se reduce y la conductancia térmica del proceso progresa para lograr penetración".

Como se señaló, la alta densidad de potencia del láser resulta en zonas afectadas por calor pequeñas y asegura que componentes críticos no se dañen. Esto tiene ventaja particular para instrumentos quirúrgicos, componentes electrónicos, ensamblajes de sensores y muchos otros dispositivos de precisión. A diferencia de EBW, LBW no genera rayos X y se manipula fácilmente con automatización y robótica. Generalmente, LBW tiene requisitos de herramientas más simples, y no hay restricciones físicas de una cámara de vacío. Ciclos más cortos se traducen en ventajas de coste sin sacrificar calidad. La Tabla 1 lista ventajas de LBW de onda continua y pulsada.

EBW: Penetración más profunda y libre de contaminación

Ampliamente aceptada en muchas industrias, EBW permite soldar metales refractarios y disímiles típicamente inadecuados para otros métodos. Como muestra la Figura 2, la pieza es bombardeada con un haz enfocado de electrones viajando a velocidad extremadamente alta. La energía cinética de los electrones se convierte en energía calorífica, que es la fuerza impulsora para la fusión. Generalmente no se requiere ni usa material de aporte añadido, y la distorsión post-soldadura es mínima. La ultra-alta densidad de energía permite penetración profunda y altas relaciones de aspecto, mientras que un entorno de vacío asegura una soldadura libre de contaminación por gases atmosféricos crítica para metales como titanio, niobio, metales refractarios y superaleaciones base níquel.

Sin embargo, la necesidad principal de operar bajo vacío es controlar el haz de electrones con precisión. Ocurre dispersión cuando electrones interactúan con moléculas de aire; al reducir la presión ambiente los electrones pueden controlarse más estrechamente.

Cámaras de vacío modernas están equipadas con sellos de última generación, sensores de vacío y sistemas de bombeo de alto rendimiento que permiten evacuación rápida. Estas características permiten enfocar el haz de electrones a diámetros de 0,3 a 0,8 milímetros.

Incorporando lo último en Control Numérico Computarizado (CNC) y monitorización de sistemas para manipulación superior de piezas, piezas de varios tamaños y masas pueden unirse sin fusión excesiva de componentes más pequeños. El control preciso del diámetro del haz y la velocidad de avance permite fusionar materiales de 0,001" a varias pulgadas de espesor. Estas características hacen de EBW una tecnología extremadamente valiosa.

El proceso aporta una cantidad mínima de calor a la pieza, produciendo la menor distorsión posible y permitiendo unir componentes mecanizados de acabado sin procesamiento adicional. La Tabla 2 lista las principales ventajas de la soldadura EB.

Según John Rugh, gerente de marketing y ventas generales de PTR-Precision Technologies, Inc. en Enfield CT, EBW es un proceso que estará en uso por mucho tiempo. "Dado que la mayoría de soldadura EB se realiza dentro de una cámara de vacío, es un ajuste excelente para unir materiales avanzados usados en industrias como aeroespacial, generación de energía, médica y nuclear, que necesitan producirse en entorno de vacío para protegerlos del oxígeno y nitrógeno en ambiente abierto".

Añade: "La limpieza del entorno de soldadura es una variable de la que simplemente no tienes que preocuparte. Además de proporcionar el entorno ideal, nuevos controles de soldadura EB permiten deflexión electromagnética rápida del haz, permitiendo personalizar la entrada de calor de la soldadura y área circundante para propiedades óptimas del material".

Lo mejor de ambos mundos

Según John Rugh, LBW se usa comúnmente para soldar componentes de chapa de acero y componentes mecanizados bajo 1/3 a 1/2 pulgadas de espesor. La soldadura láser también es útil para unir piezas no aptas para procesamiento en cámara de vacío.

"Algunas piezas y sus accesorios de soldadura pueden ser demasiado grandes para caber en cámaras de soldadura EB disponibles", dijo Rugh. "Además del tamaño, si los componentes contienen líquidos que interferirían con el bombeo de vacío, la soldadura láser sería una buena opción". Tarda minutos en evacuar una cámara de soldadura EB y ese tiempo puede no valer la pena para una soldadura menos sensible.

Si los componentes son de alto valor, hechos de material que se beneficie del entorno de vacío como titanio y aleaciones de níquel, las soldaduras son más profundas de 1/3 a 1/2 pulgada o si el haz láser tiene dificultad acoplando con el material como aleaciones de aluminio, la soldadura EB es a menudo el proceso de elección sobre la soldadura láser.

Aunque cada tecnología tiene sus beneficios, en términos prácticos, muchos diseños de componentes incorporan soldaduras tanto EB como láser. En estos casos, realizar ambos tipos de soldadura en la misma instalación definitivamente agiliza el proceso de fabricación.

Este artículo fue escrito por John Lucas, Técnico de Desarrollo de Proceso, Joining Technologies (East Granby, CT). Para más información, contacte a John en [email protegido] o visite https://info.hotims.com/34454-200.