¿Cómo crea la soldadura láser uniones más resistentes que los métodos tradicionales?

La necesidad de uniones más fuertes y duraderas es la razón por la que muchas empresas están comenzando a utilizar tecnologías avanzadas como la soldadura láser. Muchas empresas priorizan tanto la resistencia de la unión como la precisión, lo que convierte a la soldadura láser en la mejor solución. Aunque la soldadura MIG, TIG y por resistencia aún se utilizan en la industria, la soldadura láser sigue siendo más ventajosa.

En las industrias automotriz y aeroespacial, se utilizan principalmente soldaduras láser. La precisión que ofrece la soldadura láser se debe a las complejidades físicas del proceso, así como a los cambios que provoca en el material. Este artículo proporcionará las razones por las cuales la resistencia de una soldadura varía según el método utilizado para crearla.

Una introducción a la soldadura láser

El proceso de soldadura que une dos o más piezas de material se realiza mediante un láser. El láser tiene varios modos y se centra en la conducción térmica y la soldadura por fusión superficial, y en la soldadura por penetración profunda. En la soldadura por conducción térmica, que se utiliza para unir láminas extremadamente delgadas de material o aplicaciones que requieren poca o ninguna penetración, la potencia del láser se mantiene relativamente baja (alrededor de 105-106 W/cm ² ). En este caso, la pieza de trabajo se funde, pero no llega a vaporizarse.

El calor superficial se transfiere luego por conducción al interior del material, lo que resulta en la formación de una piscina de soldadura que se solidifica y une las dos piezas. El ancho y la profundidad de la soldadura son más adecuados para fines estéticos que para fines estructurales.

La técnica de soldadura láser denominada soldadura por perforación (keyhole welding) trabaja con densidades de potencia mucho más altas (106 -107 vatios/cm2), lo que mejora los beneficios de la soldadura de penetración profunda (también conocida como soldadura por perforación). Cuando el láser incide en un punto específico del material, rápidamente alcanza el punto de ebullición (umbral de vaporización), entonces el metal se calienta y el vapor metálico es expulsado hacia los lados externos, creando así un orificio estrecho denominado keyhole. El vapor metálico generado empuja el metal líquido hacia los costados y forma una cavidad profunda y estrecha, conocida como keyhole, lo que permite que la energía del láser penetre profundamente en el material, mucho más allá de lo que permitiría la conducción térmica en la superficie del material. Un keyhole es característico de la soldadura de penetración profunda. El metal líquido se calienta en la parte frontal del keyhole, y a medida que el haz láser avanza a lo largo del recorrido de soldadura, fluye alrededor de los bordes y se solidifica en la parte trasera, creando una soldadura excepcionalmente profunda y estrecha.

Las relaciones de aspecto profundidad-ancho de 10:1 con el uso de soldadura láser y perforación de agujero clave son casi imposibles con soldadura tradicional. La importancia de las relaciones de aspecto va más allá de la profundidad de penetración, ofreciendo una geometría de distribución de tensiones más favorable a lo largo de la junta soldada. A diferencia de la soldadura por arco tradicional, que deja cordones poco profundos y anchos que potencialmente concentran tensiones en la superficie, la soldadura láser 'su arco profundo y estrecho permite que las tensiones se distribuyan uniformemente a través del espesor del material. Esto mejora notablemente la resistencia de la junta.

La resistencia de las uniones soldadas por láser no se basa únicamente en la geometría, sino que proviene de los cambios metalúrgicos positivos fundamentales que conservan las características principales de los materiales base. La reducción de las técnicas y métodos operativos de soldadura contribuye al menor tamaño de la zona afectada térmicamente (HAZ), que presenta la soldadura láser, mucho más preferible en comparación con la soldadura MIG y TIG.

Esos pocos segundos con calor producen varios efectos que aumentan la resistencia. Disminuye las tensiones residuales y la distorsión en las piezas soldadas. En otros métodos de soldadura, la entrada de calor hace que los componentes sufran expansiones y contracciones térmicas desequilibradas, lo que resulta en tensiones internas y distorsión. Esta zona de tensiones internas puede comprometer seriamente la integridad estructural del conjunto soldado 'estructural del ensamblaje. Estas tensiones internas también pueden iniciar grietas por fatiga debido a cargas cíclicas. Un componente sometido a cargas cíclicas requiere mucho mecanizado correctivo debido a la distorsión. Esta distorsión, en el caso de la soldadura láser, es mucho menor y, por tanto, podemos centrarnos en otros atributos más que en la resistencia dimensional del componente.

La soldadura láser también ayuda con los ciclos de calentamiento y enfriamiento, permitiendo el desarrollo de estructuras de grano más finas. El metal con granos más finos suele ser más fuerte y resistente, fortaleciendo así el componente. Un estudio confirmó que la soldadura láser en acero inoxidable implica la formación de una piscina fundida donde ocurre la solidificación. El proceso de solidificación provoca cambios en la microestructura del acero inoxidable 'mejorando así las propiedades mecánicas. Esto es lo opuesto a la técnica tradicional de soldadura, donde un proceso lento de enfriamiento da como resultado estructuras de grano grueso y una junta débil.

Uno de los mejores ejemplos de ventaja en resistencia proviene de la soldadura láser aplicada a los materiales de alta resistencia más modernos sin perder sus propiedades diseñadas. Muchas aleaciones avanzadas de alta resistencia derivan sus propiedades mecánicas de tecnologías térmicas de procesamiento de alto nivel. Estos materiales han sido sometidos a ciclos térmicos mediante soldadura convencional y han tenido sus microestructuras modificadas por ingeniería. Dichos materiales poseen microestructuras deseables que han sido alteradas. En la soldadura láser, se mantienen las propiedades del metal base, ya que se conserva la resistencia del material original y permanece intacta en el conjunto soldado.

Eficiencia de la Producción y Flexibilidad de los Procesos

Además de los claros beneficios técnicos del aumento de la resistencia de la soldadura mediante la colocación de la junta a lo largo del borde de la pieza de trabajo, se ha demostrado que la soldadura láser también ofrece eficiencias significativas en la producción, lo que hace más atractiva la adopción de estos procesos en la fabricación moderna. Los procesos son considerablemente más rápidos que los procesos de soldadura convencionales. Mientras que la soldadura láser puede alcanzar velocidades superiores a 200 pulgadas por minuto, y la soldadura MIG avanza a un ritmo de entre 20 y 40 pulgadas por minuto, la primera puede alcanzar velocidades de más de 200 pulgadas por minuto. Los procesos más rápidos son más veloces que la mayoría de los procesos convencionales, hasta el punto en que un proceso que podría tomar varias horas puede realizarse en pocos minutos con estos otros procesos. Un caso documentado ilustra la adopción de la soldadura láser, en el que el tiempo dedicado a soldar una compuerta, que antes requería unas diez horas, se redujo a 40 minutos.

La historia de la eficiencia es aún más notable cuando observamos la necesidad reducida/la menor cantidad de postprocesamiento. Las soldaduras generalmente requieren muchas operaciones de acabado para obtener una superficie libre de distorsiones. Estas operaciones incluyen lijado, mecanizado y enderezado, y estas fases del proceso de mecanizado no generan ganancia monetaria por la cantidad de valor añadido al proceso. Las láminas laminadas soldadas, cuando se realizan mediante la técnica de haz láser, producen una estructura laminada soldada manteniendo como ventaja bordes y superficies limpios y definidos. Esto suele ser crítico en los casos en que las estructuras soldadas con láser deben recubrirse posteriormente, ya que la aplicación del recubrimiento requiere que ciertas características de la superficie, como los bordes, estén libres de distorsión. Esto, junto con la reducción de procesos secundarios, ahorraría mucho tiempo.

La soldadura láser funciona notablemente bien con configuraciones automatizadas en fábricas, lo que mejora aún más su eficiencia. Los sistemas robóticos pueden dirigir y mover fácilmente el haz láser sin tocar la pieza de trabajo, y se destaca que no tienen contacto físico con la pieza. En muchos casos, una única fuente láser puede servir a múltiples estaciones de trabajo mediante una configuración de división de haz, lo que a su vez ayuda a aumentar la independencia de los sistemas operativos láser en cada estación. Esta autonomía permite a los fabricantes mantener sus líneas de producción inalteradas sin necesidad de muchas pausas. De manera similar, la característica de no contacto del proceso de soldadura láser significa que no existen herramientas desgastadas como las que acompañan a los sistemas tradicionales de soldadura, lo que ayuda al sistema a funcionar mejor durante un período más largo. Esto prolonga el tiempo que el sistema puede operar sin necesidad de mantenimiento, aparte del mantenimiento óptico básico.

La capacidad de adaptar la soldadura láser a diversos tipos y espesores de materiales refuerza aún más su utilidad. El proceso maneja desde materiales tan delgados como una fracción de milímetro hasta secciones de acero de 25 mm de espesor en un solo paso. Esta capacidad elimina la necesidad de realizar una serie de pasadas, como ocurre con las técnicas tradicionales de soldadura para materiales más gruesos. Además, es asombrosa la capacidad de la soldadura láser para trabajar con materiales difíciles como el titanio, el aluminio y diferentes combinaciones de metales que otros sistemas de soldadura no pueden manejar.

Otro beneficio importante de la soldadura láser es la calidad constante de la soldadura, que está directamente relacionada con la fiabilidad de la resistencia de la junta. El proceso ofrece un alto nivel de control al operador mediante sensores sofisticados que, en tiempo real, rastrean constantemente componentes importantes del proceso de soldadura. Los sistemas utilizados durante el monitoreo generalmente se dividen en tres categorías. La primera categoría incluye sistemas previos a la soldadura que rastrean la línea de la junta para permitir una colocación precisa del haz láser. En la segunda categoría, durante la fase de soldadura, los sistemas de monitoreo equipados con cámaras rastrean y analizan la piscina de soldadura y el orificio clave. La última categoría, los sistemas posteriores a la soldadura, evalúan la junta para verificar si cumple con los estándares de calidad.

Es mucho más difícil lograr este nivel de control con métodos tradicionales de soldadura, donde la habilidad y la consistencia de los operarios humanos cobran mucha mayor importancia. Los operarios tienen mayor control sobre la soldadura tradicional, pero en el caso de la soldadura láser, la máquina es completamente automatizada. Una vez que la máquina aprende los parámetros de soldadura, estos se replicarán con precisión durante las producciones, ya sea para mil o un millón de componentes. Cada junta soldada tendrá el mismo conjunto de propiedades mecánicas. En sectores donde un fallo en la soldadura no es aceptable, como en dispositivos médicos, piezas de seguridad automotriz o aeroespaciales, la consistencia es más importante y más valorada que las propias piezas soldadas.

El proceso de solidificación controlada durante la soldadura láser minimiza la aparición de varias imperfecciones en la soldadura que podrían debilitar la unión. La porosidad por gas y la segregación de elementos de aleación son defectos que la etapa rápida de enfriamiento del proceso limita. Además, el control de la entrada de energía ayuda a eliminar la mordedura y la quemadura excesiva, especialmente en materiales de chapa delgada. Sí, la soldadura láser requiere un alineamiento más preciso de las juntas que algunas técnicas de soldadura más antiguas. Pero los sistemas modernos utilizan tecnologías como haces láser oscilantes que cierran juntas más grandes y sistemas híbridos que combinan láser y alimentación tradicional de alambre para facilitar esto.

Los expertos del sector aceptan que las técnicas tradicionales de soldadura cuentan con una base sólida de profesionales cualificados y años de conocimiento, mientras que la soldadura láser ofrece resultados más confiables y predecibles debido a un mejor control del proceso. La tecnología láser, en constante avance y cada vez más asequible en el mercado, hace que esto sea cada vez más cierto, ya que los procesos que deben tener cero puntos de fallo pueden utilizar la soldadura láser 'su consistencia como punto clave de venta.

Conclusión

La evidencia demuestra que la soldadura láser es superior a otros métodos en cuanto a penetración, metalurgia y control de proceso, para obtener costuras más resistentes. La soldadura por penetración y el efecto agujero clave permiten una mejor distribución del esfuerzo. La baja distorsión por calor y la entrada mínima de calor también ayudan a preservar las características del material base y minimizan la deformación. Los beneficios combinados de la tecnología láser con eficiencia, calidad y producción en aplicaciones de soldadura con alta resistencia de junta hacen que el argumento sea convincente.

Por supuesto, los métodos tradicionales aún tienen valor —especialmente cuando los costos de equipo son bajos, o el ensamblaje es de bajo volumen y complejo, lo que hace inviable la automatización —pero es difícil argumentar en contra de los resultados de resistencia de la soldadura láser. Los proyectos y productos actuales y futuros en la industria manufacturera exigen que todo sea más ligero, más resistente y más confiable. Esto hará que la necesidad de soldadura láser sea más crítica. Las empresas que utilicen estos proyectos de soldadura láser y desarrollen nuevos productos liderarán sus industrias. Este potencial hará que sus productos sean ejemplares gracias a la avanzada tecnología de unión láser.