Soldadura Láser Explicada: Técnicas, Tipos y Aplicaciones Industriales

¿Qué es la Soldadura Láser?

La soldadura por haz láser (LBW) es una técnica de soldadura usada para unir piezas de metal o termoplásticos mediante un láser. El haz proporciona una fuente de calor concentrada, permitiendo soldaduras estrechas, profundas y altas tasas de soldadura. Se basa en soldadura por modo de ojo de cerradura (keyhole) o penetración.

La soldadura láser opera en dos modos fundamentalmente diferentes: soldadura por conducción limitada y soldadura por ojo de cerradura. El modo en que el haz interactúa con el material depende de la densidad de potencia en el haz que golpea la pieza.

Los procesos se usan frecuentemente en aplicaciones de alto volumen con automatización, como en la industria automotriz. La principal ventaja, por su alta densidad de energía, es su capacidad de fundir el área en los bordes de la junta sin afectar una gran área de la pieza.

La soldadura láser es un proceso de fusión de alta densidad de potencia que produce soldaduras de alta relación de aspecto con aporte de calor relativamente bajo comparado con procesos de soldadura por arco. Además, puede realizarse "fuera de vacío" y la entrega por fibra óptica de haces láser de estado sólido de infrarrojo cercano proporciona mayor flexibilidad comparado con otras tecnologías de unión.

Equipo de Máquina de Haz Láser

Las partes principales o equipo de soldadura por haz láser son:

• Máquina Láser: Produce el láser para soldar. Sus componentes principales se muestran abajo.
• Fuente de Alimentación: Alto voltaje aplicado a la máquina láser para producir el haz.
• CAM: Fabricación asistida por computadora donde la máquina láser se integra con computadoras para realizar el proceso. Todo el control durante la soldadura lo hace CAM. Acelera el proceso considerablemente.
• CAD: Diseño asistido por computadora. Usado para diseñar el trabajo de soldadura. Computadoras diseñan la pieza y cómo se realiza la soldadura.
• Gas de Protección: Puede usarse durante la soldadura para prevenir oxidación de la pieza.

¿Cómo Funciona la Soldadura por Haz Láser?

La soldadura láser une metales o termoplásticos usando un haz láser para formar una soldadura. Al ser fuente de calor concentrada, en materiales delgados puede realizarse a altas velocidades de metros por minuto, y en materiales gruesos produce soldaduras estrechas y profundas entre partes con bordes cuadrados.

Funciona en el principio de que cuando electrones de un átomo son excitados recibiendo energía. Tras un tiempo, al retornar a su estado fundamental, emiten un fotón de luz.

La concentración de este fotón emitido aumenta por emisión estimulada de radiación y se obtiene un haz láser de alta energía enfocado. La amplificación de luz por emisión estimulada de radiación se llama láser.

Inicialmente, la máquina se configura (entre dos piezas a unir) en la ubicación deseada. Luego, se aplica alto voltaje a la máquina láser para operar.

Una lente enfoca el láser en el área donde se requiere soldadura. CAM controla la velocidad del láser y mesa de pieza durante la soldadura.

Arranca la lámpara de destello y emite fotones. La energía es absorbida por átomos de cristal de rubí y electrones son excitados a niveles superiores. Al retornar a estado fundamental, emiten fotón.

Este fotón estimula electrones del átomo y produce dos fotones. Este proceso continúa y obtenemos un haz láser enfocado usado en la ubicación deseada para soldar múltiples piezas.

Tipos de Láseres Usados

1. Láseres de gas: Usan mezclas de gases como medio láser. Mezclas como nitrógeno, helio y CO₂.
2. Láseres de estado sólido: Usan medios sólidos como cristal de rubí sintético (cromo en óxido de aluminio), neodimio en vidrio (Nd:vidrio), y neodimio en granate de aluminio y itrio (Nd:YAG, el más usado).
3. Láser de fibra: El medio láser es la propia fibra óptica.

Ventajas de la Máquina de Haz Láser

El control preciso del haz ofrece varios beneficios sobre TIG, MIG y soldadura por puntos:

• Resistencia de soldadura: La soldadura es estrecha con excelente relación profundidad-ancho y mayor resistencia.
• Zona afectada por calor: Limitada, y por enfriamiento rápido, el material circundante no se recocido.
• Metales: Soldan con éxito acero al carbono, acero alta resistencia, acero inoxidable, titanio, aluminio, metales preciosos y materiales disímiles.
• Trabajo de precisión: El haz pequeño y controlado permite micro-soldadura precisa de componentes miniatura.
• Deformación: Piezas con deformación o contracción mínima.
• Sin contacto: Sin contacto físico entre material y cabezal láser.
• Soldadura unilateral: Puede reemplazar soldadura por puntos requiriendo acceso desde un solo lado.
• Desperdicio: Controlable y genera bajos volúmenes de desecho.

Desventajas de la Máquina de Haz Láser

• Equipo costoso, alto coste del proceso.
• Si se necesita material de aporte, cantidad limitada producida con su uso, relativamente costoso.
• Algunas operaciones post-soldadura.
• Juntas deben posicionarse con precisión lateral bajo el haz.
• Posición final de la junta debe alinearse con precisión con punto de impacto del haz.
• Espesor máximo de junta soldable por haz láser es algo limitado.
• Materiales con alta conductividad térmica y reflectividad como Al y aleaciones Cu pueden afectar soldabilidad con láseres.
• Dispositivo de control de plasma apropiado debe emplearse para asegurar reproducibilidad en soldadura láser de potencia moderada a alta.
• Láseres tienden a baja eficiencia de conversión energética, menos del 10%.
• Porosidad y fragilidad en soldadura pueden esperarse, consecuencia de solidificación rápida característica del LBM.

Aplicación de la Máquina de Haz Láser

• Destaca en industria automotriz. Usada donde se requiere producción en gran volumen.
• Empleada para soldaduras de alta precisión. Al no usar electrodo, la soldadura final es ligera pero fuerte.
• Frecuentemente usada en joyería.
• En industrias médicas para unir metales a pequeña escala.