La soldadura láser se puede realizar mediante un generador láser continuo o pulsado. El principio de la soldadura láser se divide en soldadura por conducción de calor y soldadura por fusión profunda. La soldadura por conducción de calor se realiza con una densidad de potencia inferior a 10⁴~10⁵ W/cm², lo que resulta en una profundidad de fusión y una velocidad de soldadura lentas. Cuando la densidad de potencia supera los 10⁵~10⁷ W/cm², la superficie del metal se cóncava formando "ojos" bajo la acción del calor, lo que da lugar a una soldadura por fusión profunda, caracterizada por una alta velocidad de soldadura y una gran relación profundidad-anchura.
Hoy, abordaremos principalmente el conocimiento de los factores más importantes que afectan la calidad de la soldadura por fusión profunda láser.
1. Potencia del láser
En la soldadura por fusión profunda láser, la potencia del láser controla tanto la profundidad de penetración como la velocidad de soldadura. La profundidad de soldadura está directamente relacionada con la densidad de potencia del haz y depende de la potencia del haz incidente y del punto focal del mismo. En general, para un haz láser de un diámetro determinado, la profundidad de penetración aumenta con el incremento de la potencia del haz.
2. Punto focal
El tamaño del punto del haz es una de las variables más importantes en la soldadura láser, ya que determina la densidad de potencia. Sin embargo, medirlo resulta un desafío para los láseres de alta potencia, aunque existen numerosas técnicas de medición indirecta.
El tamaño del punto focal del haz, limitado por la difracción, se puede calcular según la teoría de la difracción, pero el tamaño real del punto es mayor que el valor calculado debido a la escasa reflexión focal. El método de medición más sencillo es el del perfil de temperatura constante, que mide el diámetro del punto focal y la perforación tras quemar y penetrar la placa de polipropileno con papel grueso. Mediante la práctica, este método permite determinar la potencia del láser y el tiempo de acción del haz.
3. Gas protector
El proceso de soldadura láser suele emplear gases protectores (helio, argón, nitrógeno) para proteger el baño de fusión y evitar la oxidación de la pieza durante la soldadura. Otro motivo para utilizar gas protector es proteger la lente de enfoque de la contaminación por vapores metálicos y la pulverización catódica por gotas de líquido. En la soldadura láser de alta potencia, donde la eyección es muy potente, resulta fundamental proteger la lente. El tercer efecto del gas protector es su gran eficacia para dispersar el plasma generado por la soldadura láser de alta potencia. El vapor metálico absorbe el haz láser y se ioniza, formando una nube de plasma. El gas protector que rodea el vapor metálico también se ioniza debido al calor. Si hay demasiado plasma, este puede absorber parte del haz láser. Como energía secundaria, el plasma se acumula en la superficie de trabajo, lo que reduce la profundidad de la soldadura y amplía la superficie del baño de fusión.
¿Cómo elegir el gas de protección adecuado?
4. Tasa de absorción
La absorción láser del material depende de algunas propiedades importantes del mismo, como la tasa de absorción, la reflectividad, la conductividad térmica, la temperatura de fusión y la temperatura de evaporación. Entre todos estos factores, el más importante es la tasa de absorción.
Dos factores influyen en la tasa de absorción del material por el haz láser. El primero es el coeficiente de resistencia del material. Se ha observado que la tasa de absorción es proporcional a la raíz cuadrada de dicho coeficiente, el cual varía con la temperatura. En segundo lugar, el estado superficial (o acabado) del material tiene una influencia importante en la tasa de absorción del haz, lo cual repercute significativamente en el resultado de la soldadura.
5. Velocidad de soldadura
La velocidad de soldadura influye considerablemente en la profundidad de penetración. Aumentar la velocidad reduce la profundidad de penetración, pero una velocidad demasiado baja provoca una fusión excesiva del material y la soldadura completa de la pieza. Por lo tanto, existe un rango de velocidad de soldadura óptimo para un material específico con una potencia láser y un espesor determinados, y la máxima profundidad de penetración se obtiene con la velocidad correspondiente.
6. Distancia focal del objetivo de enfoque
Generalmente, se instala una lente de enfoque en el cabezal de la pistola de soldar, con una distancia focal de 63 a 254 mm (diámetro de 2,5" a 10"). El tamaño del punto de enfoque es proporcional a la distancia focal: cuanto menor sea la distancia focal, menor será el punto. Sin embargo, la distancia focal también afecta la profundidad de enfoque, es decir, la profundidad de enfoque aumenta sincrónicamente con la distancia focal. Por lo tanto, una distancia focal corta puede mejorar la densidad de potencia, pero debido a la pequeña profundidad de enfoque, la distancia entre la lente y la pieza de trabajo debe mantenerse con precisión, y la profundidad de penetración no es grande. Debido a la influencia de las salpicaduras y el modo láser durante la soldadura, la profundidad de enfoque más corta utilizada en la soldadura real suele ser de 126 mm (diámetro de 5"). Se puede seleccionar una lente con una distancia focal de 254 mm (diámetro de 10") cuando la soldadura es grande o se necesita aumentar el tamaño del punto de soldadura. En este caso, se requiere una mayor potencia de salida del láser (densidad de potencia) para lograr el efecto de penetración profunda.
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Fecha de publicación: 27 de septiembre de 2022