Soldadura con haz láser versus soldadura con haz de electrones:elección del proceso óptimo para sus aplicaciones

Los defensores de la soldadura por rayo láser (LBW) y la soldadura por haz de electrones (EBW) elogian cada uno de ellos su tecnología favorita, pero a menudo la mejor solución para un cliente es utilizar ambas tecnologías juntas. Ambos procesos son muy adecuados para unir componentes con geometrías complejas y capaces de satisfacer las demandas más estrictas de características metalúrgicas del ensamblaje final.

Figura 1. Sistema de soldadura láser de estado sólido (Fotografía cortesía de TRUMPF Inc.)

El uso de tecnologías láser y de haz de electrones en una sola instalación puede agilizar el proceso de fabricación cuando el diseño de un componente incorpora múltiples uniones soldadas diseñadas por separado para un proceso u otro. Los ejemplos incluyen sensores, dispositivos médicos y productos que requieren un gas inerte o vacío para sellar dentro de la pieza terminada.

El procesamiento láser se requiere cuando el tamaño del conjunto final es demasiado grande para una cámara de soldadura EB, algún componente de un conjunto es incompatible con el 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 conjunto completo debe sellarse con componentes internos bajo vacío, cuando las penetraciones de soldadura exceden 1⁄2", cuando el material es difícil de iniciar el acoplamiento láser, o cuando la soldadura no debe exponerse a condiciones atmosféricas hasta que se haya enfriado a una temperatura aceptable. Algunos ejemplos son la soldadura aeroespacial de titanio y sus aleaciones, y muchos metales refractarios como tungsteno, niobio, renio y tantalio.

LBW:herramientas más simples y tiempos de ciclo más cortos

Las fuentes de energía de soldadura láser utilizan una salida de fotones de onda continua (CW) o pulsada. En los sistemas CW, el rayo láser está siempre encendido durante el proceso de soldadura. Los sistemas pulsados se modulan para generar una serie de pulsos con un tiempo de inactividad entre esos pulsos. En ambos métodos el rayo láser se enfoca ópticamente sobre la superficie de la pieza a soldar. Estos rayos láser pueden enviarse directamente a la pieza a través de óptica dura clásica o mediante un cable de fibra óptica altamente flexible capaz de entregar la energía láser a estaciones de trabajo distantes.

Es la alta densidad de energía del láser lo que permite que la superficie del material alcance su temperatura líquida rápidamente, lo que permite un tiempo de interacción del haz corto en comparación con los métodos de soldadura tradicionales como GTAW (soldadura TIG) y procesos similares. De este modo, la energía tiene menos tiempo para disiparse en el interior de la pieza de trabajo. Esto da como resultado una zona estrecha afectada por el calor y una menor carga de fatiga para el componente.

La salida de energía del haz se puede controlar y modular en gran medida para producir perfiles de pulso arbitrarios. Las costuras de soldadura se pueden producir superponiendo pulsos individuales, lo que reduce la entrada de calor al introducir un breve ciclo de enfriamiento entre pulsos, una ventaja para producir soldaduras en materiales sensibles al calor.

Salay Stannard, ingeniero de materiales de Joining Technologies, un innovador con sede en East Granby, CT, en aplicaciones de revestimiento láser, haz de electrones y soldadura láser, señala que los láseres CW pueden alcanzar penetraciones de hasta 0,5 pulgadas y superiores, mientras que los láseres pulsados normalmente alcanzan sólo 0,030-0,045 pulgadas. Ella dice:"Estos resultados pueden variar entre sistemas láser y dependen en gran medida de la elección de los parámetros de procesamiento y el diseño de la junta". 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 tipo de proceso de soldadura es la energía de la luz, se debe considerar la reflectividad del material de soldadura. Por ejemplo, el oro, la plata, el cobre y el aluminio requieren un aporte energético más intenso. Una vez fundido, la reflectividad se reduce y la conductancia térmica del proceso avanza hasta lograr la penetración”.

Como se señaló, la alta densidad de potencia del láser da como resultado pequeñas zonas afectadas por el calor y garantiza que los componentes críticos no sufran daños. Esto tiene ventajas particulares para instrumentos quirúrgicos, componentes electrónicos, conjuntos de sensores y muchos otros dispositivos de precisión. A diferencia del EBW, el LBW no genera rayos X y se manipula fácilmente con automatización y robótica. Generalmente, LBW también tiene requisitos de herramientas más simples y no existen limitaciones físicas de una cámara de vacío. Los tiempos de ciclo más cortos se traducen en ventajas de costos sin sacrificar la calidad. La Tabla 1 enumera las ventajas del LBW de onda continua y de pulso.

EBW:penetración de soldadura más profunda y libre de contaminación

Ampliamente aceptado en muchas industrias, EBW permite soldar metales refractarios y diferentes que normalmente no son adecuados para otros métodos. Como se muestra en la Figura 2, la pieza de trabajo es bombardeada con una corriente concentrada de electrones que viajan a una velocidad extremadamente alta. La energía cinética de los electrones se convierte en energía térmica, que a su vez es la fuerza impulsora de la fusión. Por lo general, no se requiere ni utiliza material de relleno agregado y la distorsión posterior a la soldadura es mínima. La densidad de energía ultraalta permite una penetración profunda y altas relaciones de aspecto, mientras que un entorno de vacío garantiza una soldadura libre de contaminación por gas atmosférico, algo fundamental para metales como el titanio, el niobio, los metales refractarios y las superaleaciones a base de níquel.

Figura 2. Soldadura por haz de electrones

Sin embargo, la principal necesidad para operar bajo vacío es controlar con precisión el haz de electrones. La dispersión ocurre cuando los electrones interactúan con las moléculas de aire; Al reducir la presión ambiental, los electrones se pueden controlar más estrictamente.

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

Al incorporar lo último en control numérico por computadora (CNC) por microprocesador y sistemas de monitoreo para una manipulación superior de piezas, se pueden unir piezas de diversos tamaños y masas sin que se derritan excesivamente los componentes más pequeños. El control preciso tanto del diámetro del haz de electrones como de la velocidad de desplazamiento permite fusionar materiales desde 0,001” hasta varias pulgadas de espesor. Estas características hacen de EBW una tecnología extremadamente valiosa.

El proceso pone una cantidad mínima de calor en la pieza de trabajo, lo que produce la menor cantidad posible de distorsión y permite que los componentes mecanizados con acabado se unan sin procesamiento adicional. La Tabla 2 enumera las principales ventajas de la soldadura EB.

Según John Rugh, gerente general de marketing y ventas de PTR-Precision Technologies, Inc., con sede en Enfield CT, EBW es un proceso que se utilizará durante mucho tiempo. "Dado que la mayor parte de la soldadura EB se realiza dentro de una cámara de vacío, es una opción excelente para unir materiales avanzados utilizados en industrias como la aeroespacial, de generación de energía, médica y nuclear, que deben producirse en un ambiente de vacío para protegerlos del oxígeno y el nitrógeno que se encuentran en un ambiente al aire libre".

Y añade:"La limpieza del entorno de soldadura es una variable de la que no hay que preocuparse. Además de proporcionar el entorno de soldadura ideal, los nuevos controles de soldadura EB permiten una rápida deflexión electromagnética del haz, lo que permite personalizar la entrada de calor de la soldadura y el área circundante para obtener propiedades óptimas del material".

La boquilla de alimentación de polvo coaxial continua permite el revestimiento láser multidireccional donde se requiere una alta eficiencia del polvo. También ofrece excelentes capacidades de protección atmosférica para materiales altamente susceptibles a la oxidación extrema, como el titanio.

Por ejemplo, esta rápida deflexión permite precalentar, soldar y poscalentar simultáneamente simplemente moviendo rápidamente la ubicación del haz, el enfoque y los niveles de potencia. Esto proporciona la capacidad de soldar aleaciones difíciles o “imposibles de soldar”.

Según Geoffrey Young, director general de Cambridge Vacuum Engineering, con sede en Massachusetts, “las piezas EBW requieren un mínimo de mecanizado posterior a la soldadura y tratamiento térmico y, a diferencia de otros procesos de soldadura por fusión, EBW no requiere gases protectores”. Y añade:"La calidad de la soldadura es excepcional, el proceso es extremadamente eficiente (normalmente 95 por ciento), todos los parámetros del proceso se controlan cuidadosamente y el proceso está totalmente automatizado".

Lo mejor de ambos mundos

Según John Rugh, el LBW se usa comúnmente para soldar componentes de chapa de acero y componentes mecanizados de menos de 1/3 a 1⁄2 pulgadas de espesor. La soldadura láser también es útil para unir piezas que no son aptas para procesar dentro de una cámara de vacío.

"Algunas piezas y sus accesorios de soldadura asociados pueden ser demasiado grandes para caber en las cámaras de soldadura EB disponibles", dijo Rugh. "Aparte del tamaño, si los componentes que se van a soldar contienen líquidos que podrían interferir con el bombeo de vacío, la soldadura láser sería una buena opción". Se necesitan unos minutos para 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, están hechos de un material que se beneficiaría del entorno de vacío, como las aleaciones de titanio y níquel, las soldaduras tienen una profundidad de más de 1/3 a 1/2 pulgada o si el rayo láser tiene dificultades para acoplarse con el material que se está soldando, como las aleaciones de aluminio, la soldadura EB suele ser el proceso preferido frente a la soldadura láser.

Si bien cada tecnología tiene sus ventajas, en términos prácticos, muchos diseños de componentes incorporan soldaduras EB y 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 procesos, Joining Technologies (East Granby, CT). Para obtener más información, comuníquese con John en Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Necesita activar JavaScript para verlo. O visite http://info.hotims.com/34454-200 .