Soldadura Láser de Chapas Metálicas: Guía para principiantes

Introducción

La soldadura es un proceso primario en fabricación de chapa metálicaSe caracteriza por una elevada intensidad laboral y unas duras condiciones de trabajo. Por ello, es esencial un alto nivel de competencia.

La automatización de la soldadura y el desarrollo de métodos de unión innovadores han sido puntos de interés constantes para los profesionales del sector. tecnología de soldadura.

Un aspecto fundamental de la automatización de la soldadura es el control de calidad de soldadura y eficacia. Durante el proceso, retos como la alineación del arco y del cordón de soldadura, la uniformidad de las separaciones de los componentes, la penetración de la soldadura y el control del distorsión de soldadura debe abordarse.

Con los rápidos avances en tecnología de soldadura láserEn la actualidad, ha dado un salto importante y ha madurado en su aplicación en diversos sectores, como los electrodomésticos, la electrónica de alta tecnología, la fabricación de automóviles, la producción de trenes de alta velocidad y el mecanizado de precisión.

Las ventajas de la soldadura láser pueden comprenderse comparándola con la soldadura por arco tradicional. Este post profundizará en las proceso de láser soldadura y explorar cómo lograr mejores resultados.

Para evaluar la calidad de una soldadura láser, se tienen en cuenta la relación profundidad-anchura y la morfología de la superficie. Este post examinará los parámetros del proceso que inciden en estos índices.

Experimentos de soldadura láser se realizaron en chapas de acero inoxidable, aluminio y acero al carbono. Los resultados aportan conocimientos prácticos que pueden utilizarse en la producción de soldaduras.

La soldadura láser es una técnica de producción de vanguardia que utiliza un láser de alta densidad energética como fuente de calor para soldar. Se utiliza mucho en la fabricación de chapa metálica debido a sus ventajas, como la alta densidad de energía, la rápida velocidad de soldadura, el respeto por el medio ambiente y la mínima deformación de las placas, entre otras.

La soldadura por láser, basada en las características de la formación del cordón de soldadura, puede dividirse en soldadura por conducción y soldadura de penetración profunda. La soldadura por conducción utiliza una potencia láser baja, lo que se traduce en tiempos de formación del baño de fusión más largos y profundidades de fusión poco profundas.

Se utiliza principalmente para soldar componentes pequeños.

En cambio, la soldadura por penetración profunda tiene una densidad de potencia elevada, en la que el metal de la zona de irradiación láser se funde rápidamente.

Esta fusión va acompañada de una intensa vaporización, consiguiéndose cordones de soldadura con una profundidad significativa y una relación anchura-profundidad de hasta 10:1.

Los componentes de chapa fina pueden unirse mediante diversos métodos de soldadura, como la soldadura láser, la soldadura fuerte, la soldadura atómica con hidrógeno o la soldadura por resistencia, soldadura por arco de plasmay soldadura por haz de electrones.

Cuando se compara la soldadura láser con otras técnicas de soldaduraAdemás, ofrece ventajas significativas en cuanto a la zona afectada por el calor, la deformación térmica, la calidad del cordón de soldadura, la necesidad de material de relleno y el entorno de soldadura.

La comparación entre la soldadura láser y otros métodos de soldadura puede consultarse en la Tabla 1.

Tabla 1 Comparación entre la soldadura láser y otros métodos de soldadura

Soldadura lásermenosmenospreferiblementenoNo hay requisitos especiales
SoldaduracomúnmentecomúnmentecomúnmenteCalefacción general
Soldadura por arco de argónmásmáscomúnmenteElectrodo necesario
Soldadura por resistenciamásmáscomúnmentenoElectrodo necesario
Arco de plasma soldaduracomúnmentecomúnmentecomúnmenteElectrodo necesario
Soldadura por haz de electronesmenosmenospreferiblementenovacío

Características de la soldadura láser

La soldadura láser utiliza un láser que canaliza un haz láser de alta energía en una fibra óptica. Tras la transmisión, se colima en luz paralela mediante una lente colimadora y se enfoca sobre la pieza.

El resultado es una fuente de calor de altísima energía que funde el material en la unión. A continuación, el metal fundido se enfría rápidamente para formar una soldadura de alta calidad. En la figura siguiente se muestra el aspecto de una pieza de chapa soldada por láser.

pieza de chapa soldada con láser
Pieza de chapa soldada por láser

Fácil manejo:

Máquinas de soldadura láser son fáciles de usar. Su funcionamiento es sencillo, fácil de aprender y fácil de usar. El nivel de conocimientos necesarios para los operarios es relativamente bajo, lo que se traduce en un ahorro en costes de mano de obra.

Gran flexibilidad:

Los soldadores láser pueden soldar desde cualquier ángulo y son expertos en acceder a zonas de difícil acceso. Son capaces de soldar componentes complejos y piezas de gran tamaño con formas irregulares, por lo que ofrecen una flexibilidad inigualable a la hora de soldar desde cualquier orientación.

Mayor seguridad:

La boquilla de soldadura de alta seguridad sólo se activa al entrar en contacto con el metal y dispone de un interruptor táctil con detección de la temperatura corporal. Deben cumplirse normas de seguridad específicas al utilizar el generador láser especializado, incluido el uso de gafas protectoras para minimizar posibles lesiones oculares.

Superior Calidad del haz láser:

Una vez enfocado, el láser alcanza una alta densidad de potencia. Con una alta potencia y un enfoque láser de modo bajo, el diámetro del punto resultante es minúsculo, lo que favorece considerablemente la automatización en aplicaciones de poco espesor. soldadura de chapas.

Velocidad de soldadura rápida con penetración profunda y distorsión mínima:

Debido a la alta densidad de potencia de la soldadura láser, se forman pequeños poros en el metal durante el proceso. La energía láser penetra en el material a través de estos poros con una dispersión lateral mínima. La profundidad de fusión del material es considerable, y la velocidad de soldadura es rápida, cubriendo una gran superficie en poco tiempo.

Reducción de los costes laborales:

Debido a la mínima aportación de calor durante la soldadura láser, la distorsión posterior es mínima. Esto da como resultado un acabado de soldadura visualmente atractivo, lo que permite reducir el procesamiento posterior a la soldadura, lo que a su vez reduce significativamente o incluso elimina los costes de mano de obra asociados con el alisado y la nivelación.

Capacidad para soldar materiales difíciles:

La soldadura láser no sólo es adecuada para unir una variedad de metales distintos, sino también para soldadura de metales y aleaciones como titanio, níquel, zinc, cobre, aluminio, cromo, oro, plata, acero y aleaciones de corte. Responde bien a las necesidades de desarrollo de nuevos materiales en electrodomésticos.

Especialmente adecuado para soldar chapas finas y componentes estéticos sin revestimiento:

Dada su elevada relación de aspecto en la soldadura, el bajo aporte de calor, la mínima zona afectada por el calor y la reducida distorsión, la soldadura láser es especialmente apta para soldar chapas finas, componentes estéticos no revestidos, piezas de precisión y componentes térmicamente sensibles. Esto puede minimizar aún más las correcciones posteriores a la soldadura y el procesamiento secundario.

Comparación entre la soldadura láser y la soldadura por arco tradicional

Introducción a la soldadura por arco

Tradicional soldadura por arco se pueden clasificar en varios tipos: soldadura por arco con electrodo, soldadura con gas inerte de tungsteno (TIG), soldadura con gas inerte metálico (MIG) y soldadura por arco sumergido.

La soldadura por arco con electrodo consiste en crear un arco entre el electrodo y la pieza, generando calor que funde el metal en el punto de contacto entre el electrodo y la pieza. Se crea así un baño de metal fundido. A continuación, el electrodo se mueve en una dirección determinada, creando nuevos charcos de metal fundido y solidificando los anteriores, lo que da lugar a la formación de una soldadura.

Un diagrama del proceso de soldadura se representa en la figura 1.

Esquema de la soldadura por arco con electrodo

Fig. 1 Esquema de la soldadura por arco con electrodo

La soldadura con gas inerte de tungsteno (TIG) utiliza un electrodo de tungsteno como electrodo de descarga, que no se consume durante el proceso. La zona de soldadura está protegida por un gas inerte, normalmente argón, y el calor generado por el arco se utiliza para fundir tanto el metal base como el metal de aportación. material de soldadura. El resultado es un superficie de soldadura sin apenas salpicaduras.

Gas Arco metálico La soldadura (GMAW) es un proceso en el que se genera un arco entre el hilo de soldadura y el metal base, provocando la fusión del hilo y el metal base. El material fundido se solidifica, formando una soldadura.

Aunque la soldadura por arco sigue ocupando una posición dominante en la industria de la soldadura, la creciente demanda de soldaduras eficientes y de alta calidad ha limitado su aplicación en algunos sectores de gama alta. chapa metálica campos de fabricación. Algunas de las desventajas de la soldadura por arco tradicional son:

  • La necesidad de argón de gran pureza como gas protectorque puede resultar caro.
  • Se requiere un alto nivel de destreza y certificación para su correcto funcionamiento, lo que lo hace inaccesible para muchos.
  • La corriente de alta densidad y el calor generado durante la proceso de soldadura puede afectar negativamente a la soldadura de placas metálicas con puntos de fusión bajos.
  • Baja eficiencia de soldadura y baja velocidad.
  • En superficie de soldadura es áspera, lo que requiere un rectificado adicional para obtener una superficie lisa.
  • Limitado resistencia a la soldadura.

Ventajas de la soldadura láser

Las principales técnicas de soldadura láser incluyen la soldadura por autofusión, la soldadura por oscilación, la soldadura por relleno de alambre, la soldadura por galvanómetro y la soldadura compuesta que combina varios métodos de soldadura.

En el cuadro 1 se destacan los ventajas de la soldadura láser en comparación con la soldadura por arco tradicional.

Para las industrias de fabricación de chapas metálicas de gama alta que requieren productos de alto valor añadido con una calidad constante, pequeños espacios de soldadura y alta eficacia, la soldadura láser es una opción de primer orden.

Tabla 1 Comparación de las características entre la soldadura láser y la soldadura al arco

Soldadura por arcoSoldadura láser
Se requiere una corriente de alta densidad, y el efecto térmico es grandeBajo calor de soldadurapequeña deformación y efecto térmico
Penetración superficial y soldadura deficiente fuerzaPenetración profunda y alta resistencia a la soldadura
Tipo de contacto, limitado por el espacioTipo sin contacto, menos limitado por el espacio
Gran corriente de arranque del arco y gran alcance de soldaduraPequeño punto de soldadura, capaz de soldar piezas de precisión
Los operadores tienen unos requisitos muy estrictos y necesitan certificados de operación especiales.Pocos requisitos para los operadores
Baja eficiencia de soldadura y velocidad de soldadura lentaAlta eficacia y rápida velocidad de soldadura
Contaminación y pérdida de electrodosSin pérdida de electrodos
La superficie es rugosa y requiere un rectificado posterior.La morfología de la superficie es estable, y básicamente no hay necesidad de rectificado posterior.

Parámetros del proceso de soldadura láser

Índice de costura de soldadura láser

Los requisitos del efecto de soldadura de las piezas de chapa varían en función de las necesidades del cliente. Estos requisitos se reflejan principalmente en los siguientes indicadores:

  • Morfología de la superficie (cóncava, plana o convexa)
  • La relación profundidad/anchura del baño de soldadura
  • Ausencia de defectos como poros, grietas, impurezas y socavaduras.

La morfología superficial de la soldadura puede modificarse ajustando factores como la potencia de soldadura, desenfocary el modo de empalme. La relación profundidad-anchura del baño de soldadura es un factor importante para determinar la resistencia de la soldadura.

Para los clientes que tienen requisitos de resistencia para sus productos de soldadura, hay que seguir una serie de pasos, como el corte de alambre, la incrustación, el esmerilado y pulido, las pruebas de corrosión y el análisis metalográfico microscópico. Este proceso refleja la dureza de la soldadura, que está estrechamente relacionada con la relación profundidad-anchura. El índice de resistencia a la tracción de la soldadura también puede determinarse mediante un ensayo de resistencia a la tracción. La figura 2 muestra el análisis metalográfico de la relación de penetración.

análisis metalográfico del índice de penetración

Fig. 2 análisis metalográfico de la relación de penetración

En determinados entornos de trabajo, las soldaduras pueden presentar defectos como poros, grietas, impurezas y socavaduras, que pueden suponer graves riesgos para la seguridad. Por ejemplo, algunos productos requieren normas estrictas de estanqueidad al aire y al agua.

La figura 3 muestra una comparación entre soldaduras normales y soldaduras con defectos.

diagrama del cordón de soldadura

Fig. 3 costura de soldadura diagrama

Factores que influyen en la soldadura láser

Hay varios factores que influyen directamente en la soldadura por láser temperatura de soldadurapunto de fusión de los materiales de soldadura, índice de absorción láser de los materiales de soldadura e influencia térmica.

En cuanto al proceso de soldadura, factores como las propiedades del material, potencia del láserSe deben tener en cuenta la velocidad de soldadura, la posición del foco, el gas de protección y la separación de la soldadura.

La absortividad del láser de los materiales de soldadura afecta a la calidad de la soldadura. Materiales como el aluminio y el cobre tienen una mayor absorción láser, mientras que el acero al carbono y el acero inoxidable tienen una menor absorción láser. Los materiales de soldadura con alta absorción suelen requerir más energía para fundirse y formar un baño de soldadura estable.

La potencia del láser es la fuente de energía para la soldadura láser y desempeña un papel fundamental en la determinación del efecto de la soldadura. Cuanto mayor sea la potencia del láser, mejor será el efecto de la soldadura. Sin embargo, una potencia láser excesiva puede provocar inestabilidad en el baño de soldadura y reducir la profundidad. Por lo tanto, es crucial elegir el valor de potencia láser adecuado.

Existe una relación inversa entre la velocidad de soldadura y la penetración. Las velocidades de soldadura más rápidas dan lugar a un menor aporte de energía, mientras que las velocidades más lentas pueden provocar sobrecalentamiento, sobre todo en materiales sensibles al calor como el aluminio.

La posición del foco afecta directamente a la penetración y la anchura de la soldadura. Cuando el foco está situado en la superficie del material de soldadura, se denomina foco cero. Cuando el foco está por encima o por debajo del material de soldadura, se denomina foco excéntrico. El punto de foco cero es el más pequeño y tiene la mayor densidad de energía, mientras que la soldadura con foco excéntrico tiene una densidad de energía menor pero un punto de luz mayor, lo que la hace adecuada para soldar piezas con un alcance mayor.

El tipo y el método de gas de protección también afectan al proceso de soldadura. La función del gas de protección no es sólo evitar la oxidación durante la soldadura, sino también suprimir la nube de plasma generada durante la soldadura láser. La elección del gas de protección puede influir en el aspecto y el color de la superficie soldada.

La separación de la pieza a soldar está relacionada con la penetración, la anchura y la morfología de la soldadura. Una separación de soldadura demasiado grande puede dificultar la fusión y la combinación, así como exponer el láser y dañar potencialmente el utillaje o la pieza de trabajo. Aumentar el punto de luz o la oscilación puede mejorar la soldadura, pero la mejora es limitada.

Análisis de ensayos de soldadura

La prueba de soldadura se realizó con un robot Yaskawa GP25, láser Prima, ospri junta de soldadura (diámetro del núcleo 100μm, longitud focal 300mm), y alimentador de alambre WSX. El efecto de la soldadura se probó en placas de acero al carbono Q235 de 1,5 mm, acero inoxidable SS304 y aluminio de la serie 3. placa de aleación.

Basándose en la experiencia, se puede proporcionar la siguiente referencia para el proceso de prueba:

Para la soldadura de prueba de una placa delgada de 1 mm, se puede utilizar una potencia inicial de 1 kW y una velocidad de soldadura de 30 mm/s. La potencia de referencia puede calcularse como P=A-X, donde A es un coeficiente constante (A≥0) y X es el espesor de la placa. A medida que aumenta el espesor de la chapa, el coeficiente constante A disminuye gradualmente y también se ve influido por la método de soldadura.

Análisis del proceso de soldadura de chapa de acero al carbono

Véanse en la Tabla 2 los parámetros del proceso de soldadura oscilante de Q235 chapa de acero al carbono de 1,5 mm de espesor.

Tabla 2 parámetros del proceso de soldadura oscilante del carbono Q235 chapa de acero

NO.Potencia del láser
(kW)
Velocidad de soldadura
(mm/s)
Rango de oscilación
(mm)
Velocidad de oscilación
(mm/s)
Efecto de soldadura
11.6321143bien
21.6311148bien
31.6301148bien
41.7331151bien
51.7321152bien
61.7341150bien
71.8351153bien
81.8351154bien
91.8361154bien
101.9361156bien
111.9371155bien
121.9371160bien

Los datos de la prueba demuestran que cuando la oscilación soldadura de acero al carbono placas, la potencia del láser debe incrementarse con el aumento de la velocidad de soldadura, asegurándose al mismo tiempo de que el rango de oscilación permanece invariable. Si la velocidad de oscilación es demasiado lenta, la soldadura será irregular.

En general, se requiere menos energía para la soldadura por autofusión del acero al carbono en comparación con la soldadura por oscilación de autofusión del acero al carbono, y se requiere menos energía para la soldadura por oscilación de autofusión del acero al carbono en comparación con la soldadura de relleno de alambre oscilante del acero al carbono. La energía requerida depende principalmente de la potencia y la velocidad, ya que una mayor potencia y una velocidad más rápida requieren más energía.

Lo ideal, para equilibrar calidad y eficacia, es aumentar la velocidad de soldadura todo lo posible. Sin embargo, una soldadura demasiado rápida puede causar inestabilidad y estar limitada por la potencia del láser y propiedades del material. Por lo tanto, normalmente se busca un equilibrio entre potencia y velocidad.

Análisis del proceso de soldadura de chapa de aluminio

En la prueba, el diámetro del núcleo de la fibra óptica seleccionada fue de 100μm. Para soldar materiales muy reflectantes y absorbentes del calor, como el aluminio y el cobre, se necesita una mayor densidad de potencia para la fusión. En este caso, es necesaria la soldadura de foco cero.

La soldadura de foco cero permite obtener la máxima densidad de potencia con la mínima potencia, lo que la hace ideal para soldar piezas pequeñas y fundir el metal para formar un baño de fusión. La Tabla 3 proporciona los parámetros del proceso de soldadura para diferentes materiales.

Tabla 3 Comparación de los parámetros del proceso de soldadura de diferentes materiales

NO.Potencia del láser
(kW)
Velocidad de soldadura
(mm/s)
Espesor de la placaRango de oscilación
(mm)
Velocidad de oscilación
(mm/s)
Efecto blanqueadorMaterial
11.52.11.51300BienAcero al carbono Q235
21.51.81.51300Bien3 serie aluminio aleación
322.021300BienAcero al carbono Q235
421.721300BienAleación de aluminio serie 3

Los datos de la prueba indican que, manteniéndose constantes los demás parámetros, el efecto de soldadura ideal para la aleación de aluminio de la serie 3 requiere una velocidad de soldadura más lenta en comparación con el acero al carbono Q235, ya que se necesita más calor.

Análisis del proceso de soplado de blanco de acero inoxidable

La tabla 4 muestra la comparación de los parámetros del proceso de blanqueamiento para soldadura de acero inoxidable costuras con un espesor de 1,5 mm. La comparación del efecto de la soldadura puede verse en la figura 4.

Los parámetros de soldadura de las tres soldaduras de la figura 4 (de izquierda a derecha) corresponden a los números de serie 1, 2 y 3 de la tabla 4, respectivamente.

Comparación del efecto de la soldadura

Fig. 4 Comparación del efecto de la soldadura

Tabla 4 Comparación de los parámetros de proceso de soldadura de acero inoxidable blanqueamiento de costuras

NO.Potencia del láser
(kW)
Velocidad de soldadura
(mm/s)
Espesor de la placaRango de oscilación
(mm)
Velocidad de oscilación
(mm/s)
Efecto blanqueador
11.21.71.51300pobre
21.51.81.51300bien
31.61.81.51300pobre

Para obtener una superficie blanqueada en acero inoxidable, es necesario enfriar y cristalizar rápidamente el metal en una atmósfera de gas de protección tras la fusión por láser. Si la potencia es demasiado alta, se retendrá mucho calor en la placa de metal, lo que provocará un enfriamiento lento y un mayor riesgo de oxidación y decoloración. Si la potencia es demasiado baja, es posible que el metal no se funda completamente.

Si la velocidad es demasiado rápida, el utillaje de soplado puede no ser suficiente, afectando al efecto de soplado. Si la velocidad es demasiado lenta, se producirá una acumulación excesiva de calor. Para conseguir una superficie blanqueada, es importante encontrar un equilibrio entre potencia, velocidad y soplado.

Si no es posible conseguir una superficie blanqueada en un solo intento, puede lograrse soldando una capa a una potencia ligeramente superior y reduciendo después la potencia para una segunda capa.

Conclusión

Durante el proceso de soldadura láser, para garantizar una altasoldadura de calidad es importante tener en cuenta una serie de factores, como las propiedades del material, la potencia del láser, la velocidad de soldadura, la posición del foco, el gas de protección y la separación de la soldadura.

Para los materiales de uso común, como el acero al carbono, el acero inoxidable y las chapas de aluminio, los parámetros de prueba iniciales mencionados anteriormente pueden utilizarse como referencia y, a continuación, ajustarse según las características específicas del material y los requisitos del cliente para conseguir el efecto de soldadura deseado.

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Shane
Autor

Shane

Fundador de MachineMFG

Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.

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