T-1-12D

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN

-CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

TTeemmaa 11..1122dd

CCOORRTTEE YY SSOOLLDDEEOO LLÁÁSSEERR

AAccttuuaalliizzaaddoo ppoorr:: RRaaffaaeell BBeerrmmeejjoo GGuuiillllaammóónn

Septiembre 2004


-CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 1.12d -1-

ÍNDICE

1.- DEFINICIÓN

2.- GENERACIÓN DEL HAZ LÁSER

3.- PARAMETROS DEL HAZ LÁSER

4.- TIPOS DE LÁSER EN EL PROCESADO DE MATERIALES

5.- EL CORTE LÁSER

6.- SOLDEO LÁSER

7. TRATAMIENTOS SUPERFICIALES CON LÁSER

8.- SEGURIDAD E HIGIENE


1.- DEFINICIÓN

LASER: Light – Amplification – Stimulated – Emission - Radiation

Una traducción literal nos diría lo siguiente: Luz amplificada por emisión estimulada de la radiación.

El láser es una fuente de luz intensa de carácter monocromático (radiación electromagnética de una longitud de onda definida) de haces esencialmente paralelos, lo que permite que sea transferido a largas distancias (baja divergencia).

El haz láser puede concentrarse en un foco de reducidas dimensiones (del orden de décimas del milímetro), alcanzándose, de esta forma, altas densidades de potencia (del orden de 106-108 W/cm2 para un láser de CO2) y en consecuencia altas temperaturas en su interacción con la materia.

2.- GENERACIÓN DEL HAZ LÁSER

La generación del haz láser precisa de un medio activo, que tras un ciclo de excitación – desexcitación, emita fotones de una determinada longitud de onda.

El medio activo puede ser un gas, como por ejemplo CO2, un sólido, como los iones de neodimio embebidos en un cristal de itrio-granate-aluminio, o un líquido.

En la figura 1 se muestra esquemáticamente el medio activo en un láser de CO2: las moléculas de CO2.

Las mosu nivel ese muestr

Las moespontánetraduce e

Los fotexcitadasconoce co

-CURSO DE

CO2

N2

He000

001

Energía

CO2

N2

He000

001

Energía

FIGURA 1

léculas de CO2 son excitadas mediante una descarga eléctrica, provocando que estas abandonen nergético cuántico inferior (000) y se posicionen en su nivel cuántico superior (001). En la figura 2 an los estados cuánticos de la molécula de CO2.

léculas de CO2 en su estado cuántico superior (001) transmiten parte de su energía por emisión a, poblando entonces niveles inferiores de energía (100). El salto energético que produce, se

n la emisión de un fotón cuya longitud de onda es de λ=10.6 µm.

ones así emitidos impactan con moléculas de CO2 en estado cuántico superior (001) (moléculas ), provocando la emisión de un nuevo fotón en fase con el primero. A este mecanismo se le mo emisión estimulada.

FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 1.12d -2-


-CURSO DE FORM

Energía cm-1Energía cm-1

Si hacemosapoyándonos eláser.

Esto se consun extremo poreflectante que

ACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONA

Transferencia de energía vibracional ∆E=18 cm

Impacto directo de electrones conMoléculas de CO2.

Radiación térmica

1000

2000

3000

10.6 µm100

001

020

010

N2

Transferencia de energía vibracional ∆E=18 cm

Impacto directo de electrones conMoléculas de CO2.

Radiación térmica

1000

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10.6 µm100

001

020

010

N2

FIGURA 2

NIVELES CUÁNTICOS DE LA MOLÉCULA DE CO2

atravesar repetidas veces la radiación láser a través del medio activo conseguiremos, n el mecanismo de la emisión estimulada, un efecto de amplificación de la propia radiación

igue mediante un amplificador o resonador óptico, que consiste en una cavidad limitada en r un espejo totalmente reflectante, y por el otro extremo por un espejo parcialmente

permite la salida de la radiación láser al exterior.

FIGURA 3

RESONADOR DE UN LÁSER

LES DE SOLDADURA- Tema 1.12d -3-

DE CO2



3.- PARAMETROS DEL HAZ LÁSER

3.1.- Potencia e intensidad del haz láser

La potencia del láser es la energía emitida en forma de luz por unidad de tiempo. La unidad utilizada es el vatio (W). El tamaño de las máquinas láser, en cuanto a su capacidad de procesado y velocidades esperadas, se mide en términos de potencia láser.

La intensidad del haz se define como el cociente entre la potencia del láser y el área irradiada en el en el foco. Por ejemplo al focalizar un haz láser de 1000 W sobre un punto de diámetro 0,1 mm, la intensidad láser resultante será de 125.000 W/mm2.

3.2.- Modo del haz láser

El modo del haz o TEM (Transversal Electromagnetic Mode), representa la distribución de energía en la sección transversal del haz, y afecta:

• Al tamaño de foco, que condiciona la intensidad del haz.

• La calidad del haz, que determina la posibilidad de enfocar éste en un tamaño de foco pequeño.

Pueden presentarse múltiples modos, entre ellos el modo más puro es el gausiano (TEM00, orden cero). Permite enfocar el haz en un foco de reducidas dimensiones, lo que supone una ventaja en procesos como el corte láser. Los láseres de alta potencia, normalmente, emiten en modos de orden superior. En la figura 4 se representa de forma esquemática alguno de los modos más frecuentes.

El modo del haz está condicionado entre otros factores por el diseño (geometría) del propio resonador.

La calidad del haz se ve afectada por el modo del mismo. En un láser de CO2 convencional el factor de calidad K oscila entre 0,5 y 0,6.

En la designación TEMxx, el número de “1” presentes en la misma indica que eje o ejes dividen la sección transversal del haz en áreas de concentración de energía.


-CURSO

3.3.- Lo

Es lamagnét

La lotranspacaso delongitud

No odel mat

DE FORMACIÓN DE

FIGURA 4

Intensidad

TEM00

Intensidad

Modo Superior

Intensidad

TEM00

Intensidad

Modo Superior

TEM00

TEM01

TEM11 TEM10

TEM00

TEM01

TEM11 TEM10

MODO TRANSVERSAL DEL HAZ LÁSER

ngitud de onda

longitud de un ciclo de la onda electromagnética (constituida por un campo eléctrico E y un campo ico H perpendicular al primero) que constituye la radiación láser.

ngitud de onda puede condicionar el procesado de ciertos materiales, así por ejemplo el vidrio es rente a la radiación láser con longitudes de onda en el visible o en el infrarrojo cercano como es el l láser de estado sólido Nd:YAG, o en el caso del Aluminio donde se absorbe mejor la radiación de de onda 1,06 µm (Nd:YAG) que la de 10,6 µm (CO2).

bstante el efecto que tiene la longitud de onda en el nivel de absorción de la radiación láser por parte erial, no es comp rable al que tiene la intensidad del haz láser.
a
INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 1.12d -5-

E

H

E

Hλ

FIGURA 5 LONGITUD DE ONDA DE LA RADIACIÓN LÁSER


3.4.- Polarización del haz

Se dice que el haz láser está polarizado cuando la dirección del vector campo eléctrico E, que forma parte de la radiación electromagnética, está definida.

La polarización del haz influye en el corte láser de los materiales. Cuando la dirección de el vector campo eléctrico E coincide con la dirección de corte, se favorece la absorción de la radiación por parte del material.

La polarización puede ser: circular (la dirección del vector campo eléctrico varía barriendo una circunferencia) , lineal (la dirección del vector campo eléctrico está definida según una recta determinada), elíptica (la dirección del vector campo eléctrico varía barriendo una elipse) o aleatoria (la dirección del vector campo eléctrico no sigue ningún patrón).

cccc

Si el corte no es lineal (cde CO2, se utilizan espejosde piezas complejas.

Un láser de Nd:YAG, prop

3.5.- Modo de Operación

Hace referencia a como continuo (CW), o en forma d

Generalmente los láseremayores velocidades de cor

La calidad del corte cuand

La potencia pico, en mod(según espesor a procesar).

-CURSO DE FORMACIÓN DE ING

aa bb cc dd

aa

bb dd

Dirección decorteDirección decorte

Plano polarizaciónlinearPlano polarizaciónlinear

aa bb cc dd

aa

bb dd

Dirección decorteDirección decorte

Plano polarizaciónlinearPlano polarizaciónlinear

FIGURA 6 EFECTOS DE LA POLARIZACIÓN DEL HAZ

orte de geometrías complejas) se precisa una polarización circular. En un láser depolarizadores para proporcionar una polarización circular, y facilitar el corte

orciona directamente un haz láser con polarización aleatoria.

Continuo o Pulsado

el resonador suministra el haz láser, en forma de una onda continua, modo iscontinua, mediante pulsos.

s pueden emitir en continuo (CW) o pulsado, obteniéndose, normalmente, las te lineal con el láser operando en modo CW.

o se trabaja con altas potencias disminuye cuando utilizamos el modo CW.

o pulsado, puede oscilar entre 1 - 10 kW, con una duración de pulso de 1 - 3 ms

ENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 1.12d -6-


-CUR

3.6.-

Lafocaldel hexpr

DoK π λ f D d

Depudié

Un

Mfacto

SO DE FORMACIÓ

Potencia pico

Potencia promedio

Potencia Láser

Tiempo

Potencia pico

Potencia promedio

Potencia Láser

TiempoCWPulsado

FIGURA 7

MODO PULSADO – MODO CONTINUO

Distancia Focal y Profundidad de Foco

distancia focal de las lentes determinan el tamaño del haz en el foco. El tamaño mínimo del punto (d) es una función de la longitud de onda de la radiación láser (λ), del modo del haz (factor de calidad az, k), el diámetro del haz sin focalizar (D) y de la distancia focal de la lente (f), y viene dado por la

esión:

nde: es el factor de ces el número PIes la longitud dees la distancia foes el diámetro des el diámetro d

sde el punto dendose éste con

a lente con long

ejorando modo er K.

• Diámetro

• Longitud d

N DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 1.12d -7-

d = 4 . λπ

fD . K

.d = 4 . λπ

fD . K

.

alidad del haz (capacidad del mismo para ser enfocado). . onda de la radiación láser. cal, longitud que va del plano medio de la lente a la posición del foco. el haz sin enfocar. el haz en el foco.

vista del procesado de materiales por corte láser interesa un tamaño de foco pequeño, seguir con:

itud focal corta. f

lectromagnético transversal (TEM), con lo que aumenta la calidad del haz y por ende el

sin enfocar alto. D

e onda corta. λ


La profundidad de foco se puede definir como el segmento centrado en el plano focal, cuyos extremos marcan una variación máxima del tamaño del foco de un 5%. Ésta determina la tolerancia en la variación de la posición de la lente a la pieza.Generalmente distancias focales pequeñas se corresponden con profundidades de foco cortas.

D

f

dDf

D

f

dDf

FIGURA 8

DISTANCIA Y PROFUNDIDAD DE FOCOLA CALIDAD DEL HAZ DEFINE LA CAPACIDAD DEL MISMO PARA SER ENFOCADO EN UN FOCO DE

REDUCIDAS DIMENSIONES

La calidad del haz se uantifica a través del parámetro K ó M2. Estos se definen a partir de parámetros ópticos del haz como:

K es el factor de Calidπ es el número PI. λ es la longitud de Onf es la distancia FocalD es el diámetro del hd es el diámetro del haDf es la profundidad

calidad de haz.

-CURSO DE FORMACIÓN DE

c

KK

ad

da d. az sz e

de F

ING

= 4 . λπ

fD . d

= 1M2

. = 4 . λπ

fD . d

= 1M2

.

e la Radiación.

in enfocar. n el foco. oco.Cuanto más cerca de la unidad esté el valor del factor K, mayor será la

ENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 1.12d -8-


3.8.- Posición del Foco

Otro factor determinante en el procesado láser de los materiales, especialmente en el corte es la posición relativa del foco con respecto a la superficie de la pieza a procesar.

De este modo la posición del foco determina la calidad de corte láser, ya que:

Distancias focales cortas conducen a altas intensidades de haz, pero también a profundidades de foco cortas, por lo que el proceso se muestra más sensible a las variaciones de la posición relativa pieza – boquilla.

Según sea el espesor y natuAsí en el corte de chapa fina mientras que para el corte de pieza, cerca de la superficie inf

Variaciones en el TEM del guían el haz láser, pueden alter

4.- TIPOS DE LÁSER EN

En un láser de CO2 el meaditivos, como el CO, O2 o Xe).

El medio activo es excitado pse sitúan en el interior del resoresonador con partículas procegas de resonador.

-CURSO DE FORMACIÓN DE INGENI

FIGURA 9

CORTE LÁSER

raleza del material a procesar se requerirá una determinada posición focal. de acero al carbono el foco se sitúa en la superficie superior de la pieza, acero inoxidable, el foco debe posicionarse en el interior del espesor de la erior.

haz o en la temperatura del fluido que refrigera los elementos ópticos, que ar la posición del foco.

EL PROCESADO DE MATERIALES

dio activo es una mezcla de CO2, N2 y He (en algunos casos con otros

or descarga eléctrica o por radiofrecuencia. En el primer caso los electrodos nador, en el segundo son exteriores, garantizando la no contaminación del dentes de los electrodos, y asegurando, en general, un menor consumo de

EROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 1.12d -9-


Puede funcionar en modo continuo (CW), o en modo pulsado. En modo continuo puede proporcionar potencias máximas de hasta 40 kW, en modo pulsado algunos, consiguen potencias de pico cinco veces superiores.

-CURSO DE FORMACIÓN D

Los principales tiposy SLAB.

El gas del resonadoextrae con un intercamhaz. Estos pueden act

FIGURA 10

de láser de CO2, son: de Flujo lento, de flujo axial rápido, de flujo transversal rápido

CO2

Longitud de Onda

Potencia

Intensidad en el Foco

Eficiencia

Transporte del Haz

Calidad del Haz

100 - 20000 W

4 - 10 mm*mrad

106 - 108 W/cm2

ca. 10%

Elementos Opticos

10640 nm

Tamaño del Foco

Fuente: Trumpf

E INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 1.12d -10-

FIGURA 11

r circula a alta velocidad por el interior del mismo, mientras el calor generado se biador externo. Se puede generar 500 W por metro de resonador, con alta calidad de uar en modo continuo o pulsado (este último con cierta inestabilidad). Su principal

U

Bomba Intercambiador

Gas Láser

Fuente de Alta TensiónU

Bomba Intercambiador

Gas Láser

Fuente de Alta Tensión



aplicación es el corte de materiales, siendo su rango de potencias de 500 a 20.000 W (en corte 500 - 6000 W).Un láser de CO2 de flujo transversal rápido se caracteriza por un diseño altamente compacto, y debe su nombre a que la descarga eléctrica, el flujo de gas y el haz láser son perpendiculares entre sí. En este caso la descarga láser supera 1 kW por metro de longitud de resonador. Su modo de operación es continuo, siendo difícil su pulsación. Se caracteriza por modos de haz de orden superior. Su rango de potencias se extiende de 1 a 40 kW., siendo sus principales aplicaciones la soldadura y los tratamientos superficiales.

FIGURA 12

En un láser de CO2 tipo SLAB la excitación del gas se produce por descargas de alta frecuencia entre dos electrodos de aleación de cobre de gran área. El espacio entre los electrodos es muy pequeño lo que facilita la evacuación de calor a través del sistema de refrigeración. El haz originalmente rectangular es rectificado a forma circular por óptica exterior obteniéndose calidades de haz del orden de K=0,8. El resonador está totalmente sellado por lo que el consumo de haz láser es muy bajo. Se caracterizan por tener una vida útil larga, superior a 20.000 horas. En modo pulsado proporcionan alta potencia de pico (con frecuencias de pulsación de hasta 10kHz), un diámetro de haz sin enfocar 7mm, con una divergencia menor de 1 mrad.

En 1975 aparecen los primeros dispositivos de baja potencia. A diferencia de otros láseres utilizados en la industria, el láser de excímero trabaja en el rango del ultravioleta, dependiendo su longitud de onda de. depende de la mezcla de gases utilizadas (0,15 - 0,35 mm).Es un láser de estado gaseoso. Basado en la excitación de moléculas de gases como el Xenon, fluor, ClH,.., gases bastante nocivos, por lo que requiere medidas de alta seguridad para su manipulación. El haz se caracteriza por un perfil rectangular y alta divergencia (baja calidad).Trabaja en pulsado (Duración del pulso: 5-50 ns, con energía del pulso: 0,1 - 2 J y frecuencia: 500 Hz) proporcionando potencias promedio de 100 - 200 W. Con este láser el material es procesado por ablación, la energía del haz actúa sobre el enlace químico de los materiales, rompiéndolo, por esto se le conoce también como el corte frío. El término Nd: YAG, es la abreviatura de Neodimium-Ytrium-Aluminium-Granet, que supone el medio activo donde se genera la radiación láser.

UGas Láser

Haz Láser

Flujo de Gas


DescargaEléctrica

UGas Láser

Haz Láser

Flujo de Gas


DescargaEléctrica


EspejoEspejo

El elemento gengranate.

La excitación secon lámparas de Xconseguido una ma

-CURSO DE FORMACI

Espejosalida

Agua de refrigeración

Haz láser

trasero

Electrodos

RF

Espejosalida

Agua de refrigeración

Haz láser

trasero

Electrodos

RF

FIGURA 13

erador del haz es el neodimio, que se encuentra embebido en un cristal de aluminio-itrio-

efectúa meenon, que yor eficienc

ÓN DE INGENI

FIGURA 14

diante lámparas de kripton, el láser trabaja entonces en régimen pulsado, o permite al láser trabajar en modo continuo (CW). Recientemente se han

ia energética excitando el medio láser con baterías de diodos.



-CURSO DE FORMACIÓN

Los dispositivos dEn este último casovatios.

El modo continuocorte 3D con el apoy

FIGURA 15

ESQUEMA DE UN LÁSER DE ND:YAG, EXCITADO CON LÁMPARA

e baja potencia se utilizan en el corte en modo pulsado, de espesores de hasta 10 mm. se utilizan potencias pico de 10 kW, con potencias promedio de unas decenas de

Barra de Nd:YAG Eje del HazEspejo

Espejo

Cavidad ReflectanteFlashlamp

Barra de Nd:YAG Eje del HazEspejo

Espejo

Cavidad ReflectanteFlashlamp

DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 1.12d -13-

Suministro Eléctrico

Refrigeración

Batería de diodos

Batería de diodos

Cristal de Nd:YAG

EspejoTrasero

EspejoDelantero

FIGURA 16

ESQUEMA DE UN LÁSER DE ND:YAG, EXCITADO CON DIODOS

con mayores potencias se utiliza principalmente en soldadura. También se aplica al o de Robots


-CURSO DE FORMAC

iOriginalmente se utilizaron como sistema de excitación para el láser de Nd:YAG, pero se pudo comprobar que combinando varios emisores se podía generar un láser con entidad propia para el procesado de materiales.

1. Luz de Tra

Nd:YAG

Longitud de Onda

Potencia


Eficiencia

Transporte del Haz

Calidad del Haz

100 - 4000 W

12 - 25 mm*mrad

105 - 107 W/cm2

3 - 5 %

Fibra Optica

1064 nm

Tamaño del Foco

Fuente: Rofin

Nd:YAG

Longitud de Onda

Potencia


Eficiencia

Transporte del Haz

Calidad del Haz

100 - 4000 W

12 - 25 mm*mrad

105 - 107 W/cm2

3 - 5 %

Fibra Optica

1064 nm

Tamaño del Foco

Fuente: Rofin

FIGURA 17

Tema 1.12d -14-

3. Montaje Sobre Refrigerador (30W)nsición pn (5mW) 2. Barra Láser (3W)

FIGURA 18

PRINCIPIOS DEL LÁSER DE DIODOS

IÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-


El láser de diodos goza de un alto rendimiento energético, es portátil, tiene una vida útil larga (más de 15.000 h) y permite su transmisión por fibra óptica lo que lo hace fácil de robotizar.

-CURSO DE FORMACI

Su principal descorte y soldadura d

ÓN DE INGENIE

FIGURA 19

HLDL

Longitud de Onda

Potencia


Eficiencia

Transporte del Haz

Calidad del Haz

100 - 6000 W

40 - 400 mm*mrad

104 - 105 W/cm2

ca. 35%

Fibra Optica

808 - 940 nm

Tamaño del Foco

Fuente: Laserline

HLDL

Longitud de Onda

Potencia


Eficiencia

Transporte del Haz

Calidad del Haz

100 - 6000 W

40 - 400 mm*mrad

104 - 105 W/cm2

ca. 35%

Fibra Optica

808 - 940 nm

Tamaño del Foco

Fuente: Laserline

CARACTERÍSTICAS DEL LÁSER DE DIODOS

ventaja radica en su baja calidad de haz, lo que condiciona su uso para aplicaciones de e alta penetración.

ROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE S

COR O

FIGURA 20

TE LÁSER DE TUB

OLDADURA- Tema 1.12d -15-


5.- EL CORTE LÁSER

5.1.- Introducción

Durante la última década el corte láser ha demostrado ser una tecnología en plena implantación. Se estima que existen, en todo el mundo, alrededor de 22.000 sistemas de corte láser de alta potencia, para el procesado de materiales metálicos y no metálicos. En aplicaciones láser de baja potencia, como el corte de papel o plásticos, el número de dispositivos láser es incluso mayor.

Aplicaciones relevantes del corte láser en nuestros días son:

• Corte de piezas hidrocomformadas y de tubos.

• Corte de chapa fina de alta velocidad.

• Corte de grandes espesores.

El desarrollo de láseres de alta potencia, sin pérdida de calidad del haz, ha supuesto un notable avance en el pasado. A su vez se han mejorado los sistemas auxiliares de manipulación de materiales, y aquellos que gobiernan el movimiento y posicionado del cabezal láser.

Los avances del corte láser en un futuro próximo se centran ocidad de corte, una disminución del desgaste de útiles y herramientas, y una mdesplazará a los procesos de corte directamente competidores de

Según previsiones del mercado del láser, el número de máquidurante los próximos 10 años, asimismo los fabricantes de sistemercados como el corte de tubos y tuberías.

Los gases utilizados para la generación del haz láser, y los desplazar el material de la ranura de corte son consumibles devida de los componentes ópticos, incrementar la velocidad de code corte, lo que, en común, conduce a un mayor rentabilidad del

5.2.- El Proceso

5.2.1.- Tipos de Procesos de Corte Por Láser

El láser es conducido desde el resonador mediante espejoconcentrado, mediante una lente en un foco de reducidas dimenrealizar, el foco se posiciona en la superficie de la pieza a cortar,

-CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES

en un incremento en la vel
ayor flexibilidad en la fabricación, lo que
l láser.

nas de corte láser para chapa se duplicará mas de láser para corte abordarán nuevos

utilizados como apoyo en el proceso para alta importancia. Éstos pueden alargar la rte y aumentar la calidad de la superficie

proceso.

s , hasta el cabezal de corte, donde es siones (Fig.21). Dependiendo del trabajo a o en el interior de la misma.

DE SOLDADURA- Tema 1.12d -16-


El haz de luz láser, de alta densiprovocando su fusión. El gas de apfundido de la ranura de corte. Depprocesos de corte:

• Corte con Oxígeno. Durade que ha sido calentadentre el oxígeno y el mecual se sustenta el procecon oxígeno se puedanaluminio).

• Corte con gas no activo.argón., el material es calfundido es desalojado deelevada presión). Dado de calor por combustión,utilizada en el corte conconoce también como co

Otros procesos de corte son el csólido pasa a estado gaseoso sin soporte, tienen la misión de expulsromper los enlaces químicos del majustarse a la energía de enlace qu

-CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIERO

I(x,y) y

x

Gas de Corte

Distancia boquilla - pieza

DistribuciónEnergía

Sangría

Haz láser

I(x,y) y

x

Gas de Corte

Distancia boquilla - pieza

DistribuciónEnergía

Sangría

Haz láser

FIGURA 21

PRINCIPIOS DEL CORTE LÁSER

dad de energía, calienta rápidamente la superficie de la pieza de trabajo, oyo (también llamado gas de corte) es utilizado para desplazar el metal endiendo del gas de apoyo, podemos distinguir dos tipos diferentes de

nte el corte con oxígeno el material es quemado y vaporizado, después o por el haz láser hasta su temperatura de ignición. La reacción química tal, a dicha temperatura, aporta energía en forma de calor , gracias al so de corte. Éstas reacciones exotérmicas son las responsables de que

cortar grandes espesores y materiales con alta reflectividad (como el

En el corte con gases no activos, como por ejemplo con nitrógeno o con entado hasta su punto de fusión, solamente por el haz láser, y el material la ranura de corte por la energía cinética del chorro de gas de corte (a

que los gases utilizados no son activos , y por tanto no hay aporte extra la potencia del haz láser que debemos utilizar será mucho mayor que la oxígeno para espesores similares. El corte con gases no activos se rte limpio o corte de alta presión.

orte por sublimación y el corte frío. En el corte por sublimación el metal pasar por la fase líquida. Los gases que se utilizan en este caso como ar el vapor metálico. En el corte frío la energía del haz láser se utiliza en aterial produciendo residuos en forma de polvo. La energía del haz debe ímico, siendo normalmente no necesario el uso de gas de soporte.

S EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 1.12d -17-



5.2.2.- Láseres de Corte

Para el corte se puede utilizar varios tipos de láseres en tanto sean capaces de focalizar el haz en un foco de pequeñas dimensiones, con la intensidad suficiente como para fundir el material, y con una longitud de onda tal que la radiación láser pueda ser absorbida por el material en proceso. En la actualidad, el láser CO2, el láser de Nd:YAG y el láser de excímero son los comúnmente utilizados en el procesado de materiales.

5.2.3.- Parámetros del Corte Láser

Operación del Láser en Modo Continuo (CW) o Modo Pulsado.

Las mayores velocidades de corte se consiguen con el modo continuo operando a las potencias más altas. En modo continuo la potencia de salida del láser es constante. A alta velocidad la mayor parte de la potencia del láser se utiliza en fundir y vaporizar el frente de corte, siendo mínimas las pérdidas por conducción. Sin embargo cuando el láser tiene que invertir el sentido de corte, o el corte se efectúa trazando un ángulo agudo, la velocidad se reduce, y una parte significativa de la potencia del láser se pierde por conducción, produciendo el calentamiento de la pieza y disminuyendo la calidad del corte.

Obtener una calidad adecuada en el corte de geometrías agudas o en la perforación de espesores grandes es tarea difícil cuando se opera con el láser en modo continuo. El modo pulsado puede obtener mejores resultados en estas circunstancias. La alta potencia de pico en pulsos cortos, produce el suficiente calentamiento para la fusión y vaporización del material, y la efectiva eliminación del mismo de la ranura de corte, manteniendo, a su vez, la pieza fría debido al bajo promedio de potencia.

Las velocidades conseguidas con el modo pulsado son mucho más pequeñas que las alcanzadas con el modo continuo. Con objeto de obtener un incremento significativo en la calidad del corte, la potencia media del láser disminuye por debajo de los 200 W, resultando en velocidades de corte del orden del 10% de las obtenidas con el modo continuo.

En el corte de materiales metálicos, la potencia de pico oscila entre 1 a 10 kilovatios, y cada pulso tiene la duración suficiente para producir la fusión del frente de corte, que normalmente oscila entre 1 a 3 milisegundos.

Potencia e Intensidad del Láser.

Valores altos de intensidad produce un rápido calentamiento del material, lo que se traduce en la existencia de poco tiempo para que el calor se disipe por conducción en el interior de la pieza, resultando una alta velocidad y calidad de corte.

La intensidad del haz también determina el espesor de material que puede cortarse. Cuanto mayor es el espesor a cortar, mayor será la intensidad del láser necesaria. Una intensidad alta se puede alcanzar utilizando mayores potencias, o concentrando más el haz mediante lentes de longitud focal menor. No obstante la reducción de la distancia focal, también se traduce en disminución de la profundidad de foco, lo que limita su uso en espesores grandes.

Las altas intensidades se pueden alcanzar en modo continuo o pulsado. La potencia de pico en el modo pulsado o la potencia media en el modo continuo, determinarán la capacidad de penetración.


La velocidad de corte está determinada por el nivel medio de potencia. Cuanto más alto sea este nivel, mayor será la velocidad de corte (fig. 22). Sin embargo, no siempre potencias de haz altas conducen a altas intensidades. Las lentes, utilizadas para focalizar el haz, tienen gran importancia en la determinación de la velocidad de corte.

Distancia Foc

La distancia foa su vez condicvelocidades de c

La profundidael espesor máxpequeños de pu

Esto significaprofundidades dpequeños. No oba la pieza (distanque adaptar al efocales grandes objeto de obtene

-CURSO DE FORMA

FIGURA 22

VELOCIDADES DE CORTE LÁSER TÍPICAS

al de las Lentes.

cal afecta al tamaño del foco y en tanto a la intensidad del haz láser en dicho punto, lo que iona la velocidad de corte. Un haz con mayor intensidad láser, puede desarrollar mayores orte.

d focal, que define la tolerancia a la variación de la posición relativa de la lente a la pieza y imo que se puede cortar, depende de los mismos parámetros. En general, tamaños nto focal se corresponden con profundidades focales pequeñas.

que las lentes con distancias focales cortas producen puntos focales pequeños y e foco reducidas, lo que se traduce en alta velocidad de corte y alta calidad en espesores stante se deberá tener un cuidado exquisito en mantener constante la distancia de la lente cia de trabajo). Cuando se van a cortar espesores grandes, la profundidad de foco se tiene

spesor a cortar seleccionando la adecuada distancia focal (fig. 23). Debido a que longitudes producen tamaños de foco altos, se debe compensar con potencias de láser mayores, con r la intensidad de haz necesaria.

CIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 1.12d -19-


Modo del Haz

Un buen modfacilitar la focalidesignación TEM

-CURSO DE FORMA

FIGURA 23

CAPACIDAD DEL HAZ PARA SER ENFOCADO EN FUNCIÓN DE LA DISTANCIA FOCAL

.

o determina el resultado del corte. El mejor modo es el gausiano que se caracteriza por zación del haz en un punto de pequeño tamaño. El modo gausiano se conoce con la 00.

CIÓN DE INGENIEROS EUR

OPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 1.12d -20-

FIGURA 24

MODO DEL HAZ


Longitud de Onda de la Radiación Láser.

La longitud de onda de la radiación láser determina en que porcentaje es ésta absorbida por el material a cortar (fig 25). La proporción de radiación láser de CO2 absorbida por el acero frío es del 15%, lo que supone que el 85% es reflejado. El porcentaje de radiación láser de Nd:YAG absorbida en el mismo caso es del 25%. La alta reflectividad inicial de los metales se supera, tanto en láseres de CO2, como de Nd:YAG, aportando la suficiente intensidad de haz láser.

La proporción de radiación absorbida aumenta al aumentar la temperatura del material.

El vidrio no puede cortarse con un láser con longitud de onda en la franja visible o en el infrarrojo cercano (Nd: YAG), ya que el haz es transmitido sin absorber energía del mismo.

Materiales con alto índice de reflexión, como el aluminio o el cobre absorben unas longitudes de onda mejor que otras, no obstante a la hora de seleccionar un equipo láser prevalecen otros parámetros láser como: potencia pico, longitud del pulso o capacidad de enfoque. Así cuando se dice, por ejemplo, que el láser de Nd: YAG, corta con mejor calidad que el láser de CO2, solo es cierto si se compara el láser Nd: YAG en modo pulsado, frente al láser de CO2 en modo continuo.

Posición del

El reducido los materiales.Una medida pfoco, es la protambién una ppieza, es prec

-CURSO DE FORM

FIGURA 25

ABSORCIÓN DE LA RADIACIÓN LÁSER EN FUNCIÓN DE LA LONGITUD DE ONDA

Foco con respecto a la Pieza.

tamaño del foco, nos proporciona un alto valor de densidad de energía para el procesado de Por encima y por debajo del plano que contiene al foco, la densidad de energía se reduce. ara cuantificar la reducción de la densidad de energía, con el crecimiento del diámetro del fundidad focal. Una distancia focal pequeña determina un tamaño de foco pequeño, pero rofundidad de foco pequeña. Fijada la posición del foco con respecto a la superficie de la iso mantenerla constante durante el corte. El foco puede situarse sobre la superficie (en el

ACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 1.12d -21-


caso de corte con oxígeno) o una profundidad de hasta 75% del espesor del material fig. 26. Con láseres de alta potencia la operación de focalizar el haz es menos sensible que con láseres de baja potencia. Ciertos materiales son más sensibles que otros a la posición del foco sobre la pieza de trabajo.

La posición del foco es un parámetro que debe controlarse con objeto de garantizar un buen comportamiento durante el corte. Esta está sujeta a:

Las variaciones de material a cortar y de espesor requieren ajustes en la posición del foco.

Variaciones en el modo (TEM) del haz, así como cambios en la temperatura del agua de refrigeración, o la posible contaminación de las lentes, pueden inducir cambios en la posición del foco.

Tamaño de

El gas de prdistancia boqua través de lacompacto de ltamaño más pgenerado por l

La distanciaaplicaciones dcontrario el chdistancias boqúltima ya no eatención al dise

-CURSO DE FORM

FIGURA 26

POSICIÓN DEL FOCO SOBRE LA PIEZA

la Boquilla y Distancia Boquilla – Pieza.

oceso (el de corte) es esencial en el corte con láser. Por esta razón el tamaño de boquilla y la illa – pieza son importantes. El diseño de las toberas, así como la dinámica del fluido gaseoso s mismas, difiere mucho de otros procesos de corte térmico (fig. 27). Esto es debido a lo as boquillas en el corte láser, y su diámetro, que producen una ranura en el material de equeño que sus dimensiones. No obstante solo una porción del gas perteneciente al chorro a boquilla penetra en la ranura practicada en el material.

boquilla – pieza depende del diseño de la boquilla. Las distancias boquilla – pieza en e corte láser estándar, no se prolongan más allá del valor del diámetro de la boquilla, de lo orro de corte sufrirá variaciones de presión e incluso turbulencias. Cuando se utilizan

uilla – pieza pequeñas, la propia ranura de corte actúa como boquilla, y el diseño de esta s tan crítico. Cuando se utilizan distancias boquilla – pieza altas, se debe prestar especial ño de la boquilla especialmente cuando la presión de trabajo excede los 2-3 bar.

ACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 1.12d -22-


-CURSO D

Los diámetros de boquilla más usuales caen en el rango de 0,8 – 3 mm, lo que implica que la distancia boquilla – ieza está en el rango de 0,5 – 1,5 mm, con objeto de lograr buenos resultados.

Gases

La selcomportaestará cula aleacióse dispon

Tambiépiezas reunión efedichas pi

El campueden s

Regla

“Cuant

Regla

“Cuantbar”.

Los úlpotencia.potencia.creciente

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p

E FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 1.12d -23-

FIGURA 27

EFECTO DE LA DISTANCIA BOQUILLA-PIEZA EN EL CORTE LÁSER

de Corte: Caudal y Presiones.

ección del gas de proceso es fundamental en el resultado del corte. El oxígeno muestra buen miento en el corte de acero al carbono y de baja aleación. Sin embargo, la superficie de corte bierta con una película de óxido, e incluso se puede producir la difusión de oxígeno en la matriz de n. Por esta razón los aceros de alta aleación se cortan preferentemente con N2 , siempre y cuando ga de la suficiente potencia láser.

n se está extendiendo el uso del nitrógeno como gas de corte para aceros al carbono, cuando las sultantes van a ser metalizadas. Cualquier capa de óxido presente en la pieza puede impedir la ctiva entre el acero y el material de recubrimiento, disminuyendo la resistencia a la corrosión de ezas.

bio de oxígeno a nitrógeno como gas de corte, requiere ciertos ajustes en la máquina láser. Se eguir las siguientes reglas como orientación en el corte con oxígeno y con nitrógeno:

General para el Corte de Acero al Carbono con Oxígeno:

o mayor es el espesor del acero menor es la presión de oxígeno. Máximo de presión 6 bar”

General para el Corte de Acero Inoxidable con Nitrógeno:

o mayor es el espesor del Acero Inoxidable mayor es la presión de nitrógeno. Mínima presión 8

timos desarrollos de la industria láser nos proporciona máquinas de corte de hasta 6 kW de Lo que permite abordar trabajos de corte de aceros inoxidables que antes no se podía por falta de Dado que no contamos con la ayuda de una reacción química exotérmica, el corte de espesores s se aborda con presiones de gas crecientes igualmente.

ue la lente del cabezal láser forma parte de la cámara de gas, la presión de trabajo está limitada istencia de dichos elementos ópticos, así en dispositivos más antiguos, la presión se limitaba a 12



bar, en función de la composición de la lente y de sus dimensiones. Actualmente se dispone de lentes más gruesas que permiten el uso de presiones de hasta 20 bar, lo que representa una ventaja en el corte de aceros inoxidables y aluminio.

En la siguiente sección se indica los parámetros de corte adecuados al corte de los materiales más comunes.

5.2.4.- Corte de Aceros al Carbono y de Baja Aleación

El oxígeno es el gas de corte normalmente utilizado en el corte de chapa de acero al carbono y baja aleación con láser de CO2. Los perfiles forjados y estructuras tubulares, típicas en fabricaciones dentro del sector de la automoción, se cortan preferentemente con láser de Nd: YAG, transportado por fibra óptica y con el cabezal de soldeo montado en un robot.

Hoy en día chapas hasta 18 mm de acero al carbono se pueden cortar con un láser de potencia 3 kW. El foco se sitúa muy cerca de la superficie superior de la chapa. Una guía que contempla los parámetros de corte más importantes se recoge en la tabla 1. Las tablas incluidas en el presente documento deben utilizarse solo como guías. Se pueden producir desviaciones en función del tipo de láser, el sistema de transporte del haz, disposición de la boquillas y condiciones del foco. Es el caso precisamente cuando se cortan perfiles de acero. La velocidad de corte es más baja en este último caso que en el corte de chapa, debido a que los automatismos utilizados (un robot, por ejemplo), no son capaces de seguir a suficiente velocidad el contorno de la pieza.

Cuando se cortan chapas de espesor hasta 6 mm, se suelen utilizar lentes de distancia focal de 125 mm. Para el corte de chapa con espesores por encima de 6 mm se utiliza preferentemente lentes con distancia focal de 182 mm.

Para cortar chapas con espesor entre 12 – 24 mm se precias un láser con una potencia mínima de 3 kW. La presión de oxígeno se limita normalmente a 1 bar, siendo el diámetro de la boquilla de 2-3 mm. El foco se posiciona 1 , 3 mm sobre la superficie superior de corte.

Un factor de gran trascendencia en el corte de los aceros al carbono y de baja aleación es la pureza del oxígeno. La velocidad de corte se puede incrementar utilizando oxígeno de alta pureza (99,9 – 99,99 %), en lugar de oxígeno de pureza convencional (99,7 %). El incremento en la velocidad de soldeo oscila entre el 10 – 20 %, dependiendo del tipo de acero y espesor a cortar, aunque la ganancia de productividad depende fundamentalmente del tipo de pieza que se está procesando. El incremento de productividad, es mayor en piezas de gran tamaño, frente a piezas de geometría complicada, donde el proceso está limitado por la capacidad del sistema de desplazamiento mecánico, mas que por el proceso de corte en sí mismo.


-CURS

Cuala suppiezasresistealternen la inclus

El eoxígecorte.concroxígeEl cor

PARÁM

O DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 1.12d -25-

FIGURA 28

EFECTO DE LA PUREZA DEL OXÍGENO EN LA VELOCIDAD DE CORTE LÁSER Y EL CONSUMO DE OXÍGENO

ndo se corta acero al carbono o de baja aleación con oxígeno se forma una fina capa de óxido sobre erficie de corte. En la mayoría de las ocasiones esto no revierte ningún problema, salvo cuando las vayan a ser pintadas o recubiertas, en cuyo caso la adhesión de la pintura y en consecuencia la ncia a la corrosión se ven mermadas. En tales caso el corte con nitrógeno a alta presión es una

ativa para obtener superficies libres de óxido. Para espesores altos, esto conduce a una disminución velocidad de corte. Para espesores pequeños, los láseres más modernos proporcionan velocidades o superiores al corte con oxígeno.

stado superficial de estos materiales tienen una gran influencia en el resultado del corte. El corte con no de chapas oxidadas aumenta la tendencia a la formación de escoria y muescas en la superficie de En el mismo sentido superficies pintadas producen el mismo efecto. Esto se aplica más etamente a chapas recubiertas con imprimaciones a base de zinc u óxido de hierro. En el corte con no los problemas comienzan cuando la pintura se encuentra sobre la superficie que encara la tobera. te presenta entonces escorias y mellas.

Espesor de Material

Potencia Láser

Distancia Tobera - Pieza

Diámetro Tobera

Presión de Oxígeno

Velocidad de corte

mm (inch) W mm Mm (inch) bar (psi) m/min (inch/m)

0.5 (.02”) 1.0 (.04”) 2.0 (.08”) 4.0 (.16”) 6.0 (1/4”) 8.0 (.32”)

12.0 (1/2”) 18.0 (3/4”) 25.0 (1”)

500 800

1000 1000 1000 1500 1500 2000 3000

0.3-0.6 0.3-0.6 0.3-0.8 0.3-0.8 0.5-1.0 0.5-1.0 0.5-1.0 0.5-1.0 0.5-1.0

0.6-0.8 (.03-.04) 0.6-0.8 (.03-.04) 0.6-1.2 (.03-.05) 0.8-1.2 (.03-.05) 1.0-1-5 (.04-.06) 1.2-1.5 (.05-.06) 1.2-1.5 (.05-.06) 1.2-1.5 (.05-.06) 1.5-2.0 (.06-.08)

3.5-6.0 (50-90) 3.5-5.0 (50-75) 2.5-4.0 (35-60) 2.0-4.0 (30-60) 1.5-3.0 (20-45) 1.5-2.5 (20-35) 1.0-2.0 (15-30) 0.5-1.0 (7-15) 0.5-0.7 (7-10)

15 (600) 11 (440) 7 (280) 4 (160)

2.5 (100) 2.0 (80) 1.0 (40) 0.5 (20) 0.5 (20)

TABLA 1

ETROS PARA EL CORTE LÁSER DE ACERO AL CARBONO Y DE BAJA ALEACIÓN CON OXÍGENO, INCLUYENDO LOS REQUISITOS DE

PRESIÓN Y VOLUMEN.



Si la pintura se encuentra en la cara opuesta a la tobera no se producen problemas. Los problemas en el corte de chapas pintadas se solventan utilizando el corte con nitrógeno con alta presión, aunque, evidentemente la velocidad será menor.

El corte de chapa de acero al carbono cubierta de Zn (galvanizado o por inmersión en caliente) presenta grandes problemas cuando se utiliza el oxígeno como gas de corte. Siempre hay presencia de escoria en el fondo del corte, y la superficie de corte se muestra muy rugosas. En la industria, en este caso, se utiliza el corte con nitrógeno con alta presión. La calidad de corte es aceptable y está libre de escorias adherentes.

5.2.5.- Corte de Aceros Inoxidables y Otros Aceros de Alta Aleación

En la industria se utiliza tanto el oxígeno como el nitrógeno en el corte de los aceros inoxidables y de alta aleación.

En el corte con oxígeno se logran mayores velocidades gracias a la contribución energética de la reacción exotérmica de combustión que se produce. Los máximos espesores que se tratan en la actualidad son de 18 – 20 mm. La posición optima del foco es sobre la superficie o justo debajo de la misma. En contraste con el acero al carbono, el corte de acero inoxidable con oxígeno requiere mayores presiones (en torno a 5 bar), incluso con espesores altos. El uso de oxígeno de alta pureza, 99,9 % ó 99,95 %, proporciona mayores velocidades de corte que el oxígeno convencional 99,5 %. En la tabla 2 se recoge un conjunto de parámetros de corte.

La principal desventaja del uso del oxígeno en el corte de inoxidable es la presencia de escoria y la decoloración de la superficie de corte debido a la oxidación del cromo y el hierro. Estos óxidos entorpecen el procesado posterior por soldadura. En el soldeo TIG, por ejemplo , la raíz del cordón presenta puntos negros de óxido, y en algunos casos faltas de penetración. Así mismo la oxidación de los bordes de corte acelera la corrosión de la aleación. Los inconvenientes del corte con oxígeno son importantes , ya que requieren costosas operaciones de reprocesado.

El corte con nitrógeno a alta presión proporciona cortes libres de escoria y superficies oxidadas, con el inconveniente de que la velocidad de proceso se ve reducida, en comparación con el corte con oxígeno. Se puede aumentar la velocidad incrementando la potencia del láser. Láseres de CO2 con potencia de 2.500 W son normalmente utilizados con este propósito. El espesor máximo que puede cortarse con esta técnica en la actualidad es de 12 – 16 mm.

Con objeto de obtener cortes libres de escoria , el foco se sitúa lo mas próximo posible de la superficie inferior de la chapa. La ranura de corte es más ancha que en el corte con oxígeno, lo que facilita el acceso del nitrógeno y el desplazamiento por éste del metal fundido. Una consecuencia de la posición del foco en el corte con nitrógeno es el incremento de la ranura de corte, asimismo el diámetro del haz láser sobre la superficie es mayor , requiriéndose en tanto mayores diámetros de boquilla, para facilitar el paso del haz a través de tobera sin que se produzca la interferencia del haz con la tobera.


Se requiere al menos un

En la tabla 3 se recogen

La pureza del oxígeno tiésta sea de 99,8 %. Pequeproducir oxidación en la suun oscurecimiento de la sucorte.

El oxígeno, debe limitarnitrógeno, para otras aplioxígeno están más asociaoxígeno en el nitrógeno líqula superficie de corte.

Espesor de

Material Po

mm (inch)

0.5 (.02”) 1.0 (.04”) 2.0 (.08”) 4.0 (.16”) 6.0 (1/4”) 9.0 (3/8”)

PARÁMETROS PARA EL C

NOTA: LA PRESIÓN

-CURSO DE FORMACIÓN DE IN

FIGURA 29

POSICIÓN DEL FOCO EN EL CORTE CON O2 Y CON N2

a tobera de 1,5 mm de diámetro para el corte con nitrógeno de alta presión.

parámetros de corte con nitrógeno a alta presión .

ene un efecto pequeño sobre la velocidad de corte, siempre que como mínimo ñas cantidades de oxígeno presentes en el nitrógeno como impurezas pueden

perficie de corte. En el caso del corte de acero inoxidable esto se manifiesta con perficie de corte y una disminución de la resistencia a la corrosión en el borde de

se a 20 ppm (0,002%). Este requisito es aconsejable para el corte láser con caciones industriales pueden utilizarse purezas menores. Las impurezas de das a el suministro de gas en botellas o bloques. El nivel de impurezas de ido es muy bajo, por lo que el uso de este producto no produce decoloración de

tencia láser

Distanica tobra - pieza

Diámetro Tobera Presión de gas Velocidad de corte

W mm mm (inch) bar (psi) m/min (inch/m)

1000 1000 1000 1500 1500 1500

0.3-0.6 0.3-0.6 0.3-0.6 0.3-0.6 0.5-0.8 0.5-0.8

0.6-1.2 (.03-.05) 0.6-1.2 (.03-.05) 0.6-1.2 (.03-.05) 0.8-1.5 (.03-.06) 1.0-1.5 (.04-.06)

1.5 (.06)

4.0-6.0 (60-90) 4.0-6.0 (60-90) 4.0-6.0 (60-90) 4.0-5.0 (60-90) 3.5-5.0 (50-75) 3.5-4.0 (50-60)

15 (600) 11 (440) 7 (280) 3 (120) 0.6 (24) 0.3 (12)

TABLA 2.

ORTE LÁSER DEL ACERO INOXIDABLE CON OXÍGENO INCLUYENDO PRESIONES Y CAUDALES.

Y EL CAUDAL DE OXÍGENO SON ALTOS EN COMPARACIÓN CON EL ACERO AL CARBONO.

GENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 1.12d -27-


Espesor de

Material Potencia láser Distancia

Tobera-Pieza Diámetro Tobera Presión de gas Velocidad de

Corte mm (inch) W mm mm (inch) Bar (psi) m/min (inch/m)

1.0 (.04”) 2.0 (.08”) 4.0 (.16”) 6.0 (1/4”) 9.0 (3/8”)

12.0 (1/2”) 16.0 (.02’)

1500 1500 3000 3000 4000 4000 4000

0.3-0.6 0.3-0.6 0.3-0.8 0.5-1.0 0.5-1.0 0.5-1.0 0.5-1.0

1.5 (.06) 1.5 (.06) 2.0 (.08)

2.5-3.0 (.1-.12) 2.5-3.0 (.1-.12)

3.0 (.12) 3.0 (.12)

6 (90)

9 (135) 13 (195) 14 (210) 16 (240) 19 (285) 20 (300)

7 (280) 4 (160) 3 (120) 1.5 (60) 1 (40)

0.5 (20) 0.25 (10)

TABLA 3.

PARÁMETROS PARA EL CORTE LÁSER DE ACERO INOXIDABLE CON NITRÓGENO INCLUYENDO REQUISITOS DE CAUDAL Y PRESIÓN. NOTA: A MAYOR ESPESOR, MAYOR PRESIÓN.

5.2.6.-

Conpuro essilicio y

El codel alumayoremejorade alumbuena

-CURSO

FIGURA 30

CONSUMO DE NITRÓGENO EN EL CORTE DE ACERO INOXIDABLE

Corte del Aluminio y sus Aleaciones

el término aluminio designamos tanto al aluminio puro como a las aleaciones de aluminio. El aluminio demasiado blando, por lo que se alea con pequeñas cantidades de magnesio, cobre, manganeso, zinc, para incrementar su resistencia mecánica.

rte del aluminio con láser de CO2, resulta difícil debido a la alta reflectividad y conductividad térmica minio. Las aleaciones de aluminio resultan más fáciles de cortar que el aluminio puro consiguiéndose s velocidades. El aluminio anodizado se corta más fácilmente que el aluminio puro debido a la de la absorción de la radiación láser como consecuencia de la presencia de la gruesa capa de óxido

inio presente en estos materiales. Una potencia láser elevada, del orden de 2 kW junto con una calidad de haz, mejoran el corte del aluminio.

DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 1.12d -28-


Lentes con una distacia focal pequeña, del orden de 63 mm, proporcionan una mayor densidad de potencia en el foco, lo que facilita el procesado de espesores pequeños. Los espesores máximos que pueden cortarse en la actualidad varían de 6 – 8 mm.

El aluminio se puede cortar con oxígeno o con nitrógeno. No obstante no se incrementa de forma sensible la velocidad de corte al pasar de nitrógeno a oxígeno. La explicación de este efecto es la alta temperatura de fusión de la capa de óxido de aluminio, 2072 ºC. Una capa de óxido de aluminio en estado sólido o plástico, se sitúa en el frente de corte evitando la acción directa del oxígeno sobre el aluminio. La capa de óxido puede romperse como consecuencia de la turbulencia del baño fundido, permitiendo que se produzca cierta reacción entre el oxígeno y el aluminio, pero a baja velocidad.

No obstante el corte de aluminio con oxígeno a baja presión, menor de 6 bar, es muy común. El haz debe enfocarse en la superficie superior de la chapa. Un oxígeno de calidad normal (99,7%) es suficiente, no obteniéndose mejores resultados al aumentar la pureza del gas. La principal desventaja del corte de aluminio con oxígeno son los bordes con escoria adherida y superficies de corte rugosas.

Superficies de corte libres de escoria y lisas, se obtienen con el corte con oxígeno o nitrógeno a alta presión.

Se ha demostrado que el nitrógeno es al mejor alternativa para el corte a alta presión de las aleaciones de aluminio, mientras el oxígeno ofrece mejores resultados para el corte de aluminio puro. Esto queda reflejado en la figura 31 donde se recoge el rango de parámetros que permite la obtención de cortes libres de escorias, para el aluminio puro y la aleación (AlMg3).

CORTE

Cuando se cla chapa. En la

-CURSO DE FOR

FIGURA 31

LIBRE DE ESCORIAS PARA CHAPA DE 2 MM DE AL Y ALEACIÓN DE AL. CON 1500 W DE POTENCIA LÁSER

orta aluminio con nitrógeno a alta presión , el foco se sitúa próximo a la superficie inferior de tabla IV se resumen los parámetros característicos para el corte de la aleación AlMg 2.5.

MACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 1.12d -29-



Espesor de

Material Potencia

láser Distancia

Tobera-Pieza Diámetro Tobera

Presión de gas

Velocidad de Corte

mm (inch) W mm mm (inch) Bar (psi) m/min (inch/m)

1.0 2.0 3.0 4.0 6.0 9.0

1500 1500 3000 3000 4000 4000

0.3-0.6 0.3-0.6 0.3-0.8 0.3-0.8 0.5-1.0 0.5-1.0

1.5 1.5 2.0 2.0

2.5-3.0 2.5-3.0

9 12 14 15 16 17

310 130 100 40 30 8

TABLA 4

PARÁMETROS PARA EL CORTE LÁSER DE LA ALEACIÓN ALMG 2.5. LA TABLA CONTEMPLA PARÁMETROS LIBRES DE ESCORIAS. GAS

DE CORTE: NITRÓGENO. 1 BAR = 14.5 PSI. I MM = 0.0394 IN. I MLMIN = 39.4 IPM.

5.2.7.- Corte del Titanio

No se puede utilizar ni el nitrógeno ni el oxígeno para el corte del titanio, ya que estos penetran en la superficie de este material generando una capa de compuestos intermetálicos frágiles, como ocurre si se absorbe hidrógeno. Esto compuestos pueden agrietarse, y la grieta progresar a lo largo del material. El corte a alta presión con un gas completamente inerte es la alternativa más viable. Asimismo la pieza es fijada en el interior de un contenedor relleno de gas inerte. Se utiliza argón de alta pureza o mezclas de argón – helio, con contenidos muy bajos en oxígeno (99,996%, 99.999%). El uso de ciertas cantidades de He en la mezcla de gas de corte controla la formación de plasma cuando se utilizan altas intensidades de corte y que puede provocar escorias adheridas. El uso de posiciones de foco profundas, tomando como referencia la superficie de la pieza, representa una ventaja.

5.2.8.- Corte de Aleaciones base Níquel

El níquel es el elemento base de aleaciones de gran importancia industrial como: : Inconel (Ni-Cr), Nimonic (Ni-Cr-Co), Hastelloy (Ni-Mo-Cr) and Monel (Ni-Cu).

Se puede utilizar el corte con oxígeno a baja presión (<6bar), obteniéndose altas velocidades, pero dejando la superficie de corte oxidada y escorias en el fondo de corte.

Con nitrógeno a alta presión se obtiene un corte libre de escorias y de oxidación, con el inconveniente de que la velocidad se reduce. En este caso el foco debe situarse por debajo de la superficie superior de la pieza.

5.2.9.- Corte de Aleaciones base Cobre

El corte del cobre se ve dificultado por el alto índice de reflexión del mismo y su alta conductividad térmica. Se deben tomar las precauciones necesarias para evitar el daño del resonador por el haz reflejado.

El latón (Cu-Zn) dada su menor conductividad térmica e índice de reflexión puede cortarse con menores dificultades con láser. Una alta potencia láser y distancias focales cortas (63 mm) facilitan el corte.

El oxígeno presenta ventajas cuando se corta latón u otras aleaciones de cobre. Esto se debe a que la capa de óxido que se forma en el frente de corte eleva la absorción de la radiación láser. Se utiliza tanto el corte a baja presión (< 6 bar) como el corte a alta presión (hasta 20 bar). Cuando se corte con oxígeno a



alta presión se debe tomar precauciones para evitar el enriquecimiento excesivo del entorno con oxígeno (riesgo de incendios y explosiones). Los máximos espesores que pueden cortarse varían de 4 a 5 mm.

5.2.10.- Corte de No Metales

El láser tiene un amplio campo de aplicación en el procesado de materiales no metálicos.

El láser de CO2 se utiliza para cortar plásticos, goma, tejidos, madera, cerámicos y cuarzo. Para un láser de CO2 de 1000 W de potencia, el máximo espesor de plástico y playwood que puede cortar es de 25 mm.

El láser de Nd:YAG, se utiliza en la industria par el corte de carburo de silicio y nitruro de silicio.

El gas que normalmente se utiliza par el corte de los materiales indicados arriba es el aire comprimido.

El nitrógeno, por su carácter inerte solo se utiliza en el corte de materiales altamente inflamables, como ciertos plásticos y tejidos. Se puede utlizar oxígeno para evitar la decoloración del óxido de zirconio u óxido de aluminio.

En el corte de ciertos plásticos y tejidos sintéticos se generan humos o partículas tóxicas, por lo que se debe prever un sistema de evacuación de humos adecuado.

6.- SOLDEO LÁSER

6.1.- Introducción

En la última década, los láseres industriales han pasado de ser una tecnología exótica a ser una tecnología habitual en muchas industrias de fabricación. El corte por láser es, sin duda alguna, la aplicación más frecuente con láseres de alta potencia, no obstante otros procesos, como la soldadura y el tratamiento de superficies por láser, están cada vez más presentes en la industria manufacturera.

El uso de la soldadura por láser está aumentando en la producción industrial, desde la microelectrónica hasta la construcción de buques. La industria automovilística (ver Fig. 32) es, sin embargo, uno de los sectores industriales que ha desarrollado más aplicaciones aprovechando las ventajas que ofrece esta tecnología:

• El láser como luz no tiene inercia, lo que favorece arranques y paradas rápidos.

• Aportación térmica más localizada (alta densidad de energía).

• Se puede utilizar a su máximo potencial a presión atmosférica.

• Puede utilizarse en el soldeo de materiales “difíciles” (ej: cuarzo o titanio).

• No es necesario el uso de electrodos. El material de aporte es opcional.

• Proporciona cordones estrechos y profundos.

• Menos extensión de la zona afectada por el calor (HAZ)

• Menor deformación. Proporciona uniones de alta precisión.


• Mayor velocidad de soldadura.

Estas características han convertido a la soldadura por láser en el proceso preferido para muchas aplicaciones que anteriormente utilizaban la soldadura por resistencia. Al añadir las ventajas del acceso por un único lado, la soldadura por láser aporta otra ventaja estratégica, que le permite dar entrada a múltiples aplicaciones nuevas.

Su principal limitación reside en los estrictos requisitos relativos al posicionado y alineación de las piezas a unir, ya que el diámetro del haz láser cae en el rango de 100 a 1000 µm.

Actualmente, se están desarrollando procesos híbridos que implican la combinación de la soldadura por láser y MIG con la finalidad de reducir los requisitos de montaje en las piezas que se van a unir, mejorando así los aspectos más críticos de la soldadura por láser. El uso del alambre en los procesos de soldadura GMAW facilita de forma importante la preparación de los bordes de unión. Los elementos de aleación en el alambre se pueden usar para mejorar las propiedades mecánicas del cordón de soldadura. Además, estos procesos combinados pueden aumentar la velocidad de la soldadura, la penetración y mejorar la geometría general del cordón de soldadura.

Los recientes avances en el campo del láser de diodos y los láseres transmitidos por fibra presentan nuevas oportunidades para mejorar los procesos de fabricación. Sin embargo, se requiere una investigación exhaustiva, centrada en la aplicación, antes de que se conviertan en procesos de fabricación fiables.

Los cocheso espeinoxidaNd:YAGejemplnivelesrobots láser y

-CURSO

FIGURA 32

EJEMPLOS DE PIEZAS SOLDADAS POR LÁSER

láseres de CO2 de alta potencia (2 – 10 Kw.) se utilizan actualmente para soldar carrocerías de , componentes de la transmisión, intercambiadores de calor y en soldaduras de chapas de materiales sores disimilares. Con una potencia de 77kW, se han conseguido soldar hasta 50 mm de acero ble AISI 304, en una sola pasada, con un láser de CO2. Durante muchos años, los láseres de de baja potencia (< 500 W) se han utilizado para soldar componentes pequeños, como por

o, instrumentos médicos, circuitos electrónicos y cuchillas de afeitar. Los láseres de Nd:YAG con de potencia en el rango de multi-Kw. permiten la transmisión del haz por fibra óptica y el uso de para realizar la aplicación. Esto abre un amplio campo de aplicaciones en 3-D, como el corte por la soldadura de carrocerías de vehículos.



El gas de soldadura juega un papel importante en la soldadura por láser. A parte de proteger de la atmósfera el baño fundido y la ZAT , también aumenta la velocidad de soldadura y mejora las propiedades mecánicas del metal soldado.

6.2.- Procesos de soldeo láser

6.2.1.- Principios básicos del soldeo láser

La Fig. 33 muestra el cabezal de soldeo de un láser de CO2 de alta potencia. El rayo láser procedente del resonador se transmite y dirige a la pieza de trabajo mediante un conjunto de espejos. Se utilizan espejos porque son mucho más fáciles de enfriar que las lentes ópticas, que habitualmente se utilizan en aplicaciones de corte de baja potencia. Conforme el rayo láser se mueve con respecto a la pieza de trabajo, la energía del mimo funde el m tal y constituye el cordón de soldadura.

6.2.2.- Tipos de junta de Uni

Tal como se muestra en la

• Soldadura a tope e

• Soldadura en ángu

• Soldadura a solape

• Soldadura a tope c

La soldadura a tope consifundiendo y presionando losautomovilística, se suele utiliz

-CURSO DE FORMACIÓN DE INGEN

e

Haz láserSistema de Enfoque

Protección delsistema óptico

Plasma

Gas de protección

Haz láser

Metal base

Metal fundidoKey Hole

Metal de soldadura

V

Haz láserSistema de Enfoque

Protección delsistema óptico

Plasma

Gas de protección

Haz láser

Metal base

Metal fundidoKey Hole

Metal de soldadura

V

FIGURA 33

PRINCIPIOS DEL SOLDEO LÁSER

ón

Fig. 34, hay cuatro tipos principales de junta de soldadura:

n borde recto.

lo.

.

on cantos rebordeados.

ste en la unión de las piezas que están al mismo nivel. Las piezas se unen bordes enfrentados, con el fin de evitar faltas de material. En la industria ar esta técnica para soldar chapas finas (< 2,0 mm) de diferente composición

IEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 1.12d -33-


o espesor, en las que la unión de los extremos es especialmente crítica: el rayo pasa a través de la junta sobrepasando el espesor del material en un 10 % aprox., desprendiéndose material fundido. La soldadura de materiales recubiertos (ej: chapa electro-cincada) no causa ningún problema mientras los bordes no estén recubiertos.

En la soldadura en ángunirse con la superficie eliminación del óxido y las

En una soldadura a sode unión. es la soldadurasuperficie de las piezas a ser lo suficientemente pounir. Los materiales de reproblemas importantes y pprevenir dejando una peqpermite que el material dafectada.

En una soldadura en cuna pestaña, que represeajuste es esencial.

-CURSO DE FORMACIÓN DE I

FIGURA 34

TIPOS DE UNIÓN

ulo, las piezas están una encima de la otra, y el borde de una pieza se funde para de la otra pieza. La preparación de los bordes de soldadura se centra en la capas superficiales de la zona de unión.

lape, las piezas están una encima de la otra. Una aplicación habitual de este tipo por puntos. Lo más importante, al igual que en la soldadura en ángulo, es que la unir no tengan restos de óxido ni capas superficiales. Por otra parte, el rayo ha de

tente para penetrar un espesor igual a la suma de los espesores de las chapas a vestimiento (zinc, etc.), que permanecen en la zona de solapamiento, presentan ueden originar la aparición de poros y otros defectos de soldadura. Esto se puede ueña holgura (0,05 – 0,2 mm) entre las piezas que se van a soldar. Este hueco e revestimiento se evapore, y de esta forma, la calidad de la junta no se ve

antos rebordeados, las piezas que se van a soldar se doblan para proporcionar nta el material de aporte para el relleno de la unión. Aquí, de nuevo, un buen

NGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 1.12d -34-



6.2.3.- Diferentes métodos de soldeo

Tal como se muestra en la Fig. 35, existen dos métodos principales de soldadura por láser:

• La soldadura por conducción, donde la energía del láser se transmite desde la superficie al baño de fusión, y de este al interior del material mediante conducción térmica.

• La soldadura por penetración o (keyhole), la energía del rayo láser se transmite a lo largo del espesor del material a soldar, mediante un agujero (keyhole) practicado en el metal que se llena de vapor de metal y gas ionizado.

La soldadura por conducción es típica de los láseres de baja potencia (< 500 W), donde la densidad de potencia normalmente no es suficiente para crear un keyhole. La soldadura resultante se caracteriza por un perfil relativamente ancho y poco profundo. No obstante el proceso requiere alcanzar unas densidades de energía del orden de 105-107 W/cm2, lo que genera un gradiente térmico de 106 K/cm. Dicho gradiente de temperatura activa el flujo termocapilar del baño fundido, movido por la variación que sufre la tensión superficial a lo largo de la sección transversal del baño (convección de Marangoni). Las velocidades a nivel superficial alcanzan 1 m/s. El movimiento convectivo del metal fundido determina la geometría del cordón, y puede llegar a producir defectos como una penetración no uniforme, poros y falta de fusión. La configuración superficial del cordón de soldadura depende, asimismo, del material que se está soldando, ya que el movimiento convectivo del metal fundido depende del número de Prandtl (Prm= Viscosidad cinética / Difusibidad molecular). Números de Prandtl pequeños, como en el caso del aluminio (Prm=0.02), origina baños esféricos y superficies planas, ya el proceso está dominado por la transmisión de calor por conducción, mientras que números de Prandtl altos, como el acero (Prm=0.1), proporcionan baños cóncavos y con presencia de mordeduras, ya que el proceso está dominado por la variación de la tensión superficial. No obstante el movimiento termocapilar del baño fundido puede alterarse por la presencia de algún elemento tensioactivo, como el azufre. Normalmente el movimiento convectivo del baño es del centro (zona caliente) a los extremos (zona fría), pero la presencia de azufre invierte el movimiento del fluido (éste evoluciona de los extremos al centro).


-CUR

Lasupemetadel mmanradiael rasoldtamb

Dconsencila tra

6.2.4

Larayodel mradiadismabsovers

SO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 1.12d -36-

FIGURA 35

MÉTODOS DE SOLDEO LÁSER

soldadura por ojo de cerradura requiere una potencia de láser alta. La densidad de potencia del láser rior a los 1.5x105 W/mm2 funde y vaporiza parcialmente el metal. La presión del vapor desplaza el l fundido para que se forme una cavidad – el ojo de cerradura. Por otra parte la presión metaloestática etal fundido tiende a cerrar el orificio, oponiéndose a la acción del vapor. El ojo de cerradura se

tiene por equilibrio entre ambas fuerzas. Dentro del ojo de cerradura, el índice de absorción de la ción láser aumenta debido a múltiples reflejos en sus paredes (actúa como un cuerpo negro). Cuando yo golpea la pared del ojo de cerradura, el material absorbe una parte de la energía del rayo. La

adura por ojo de cerradura, permite soldaduras muy profundas (> 20 mm) y estrechas, y por eso ién se denomina soldadura de penetración profunda.

urante la soldadura de penetración profunda, la temperatura del ojo de cerradura es tan elevada que se igue una condición física similar al plasma, es decir, vapor de metal ionizado y temperaturas muy por

ma de los 10.000 K. El plasma absorbe parte del rayo láser, de forma que actúa como intermediario en nsferencia de energía

.- Formación del Plasma de Inducción Térmica

presión de vapor en el ojo de cerradura hace que el plasma lo rebase. Como consecuencia de ello, el láser se desenfoca y se dispersa, dando lugar a un foco de mayor tamaño y a un cambio en la posición

ismo con respecto a la pieza, lo que a su vez produce una reducción en la densidad de energía. La ción del láser también es absorbida por la nube de plasma. La nube de plasma recrecida hace que inuya la penetración de la soldadura. La soldadura adopta una forma de “clavo con cabeza” debido a la rción de energía por el plasma. Si se forma mucho plasma, el proceso de soldadura puede incluso

e interrumpido completamente.


La nube de plasma, que se caracteriza por la emisión de una luz azulada, generalmente se compone de una mezcla de átomos del metal, iones, electrones y gas. En algunos casos, el plasma también se puede generarse en el propio gas de protección, especialmente cuando se utiliza argón con este fin.

Durante la soldadura por láser de Nd:YAG de alta potencia, el efecto de la formación de plasma tiene una importancia secundaria, ya que la longitud de onda de la radiación del láser de Nd:YAG es más corta, y se absorbe menos en la nube de plasma, en comparación con la radiación del láser de CO2.

-CURSO DE FORMACIÓN DE INGENI

6.3.- Parámetros en la sold

Haz láser

6.3.1.- Potencia del haz láser

La penetración en el soldeo psobre la pieza. La densidad de Manteniendo constante el diámrelación es casi lineal).

6.3.2.- Diámetro del haz láser

Este define la densidad de pde alta potencia. Por conveniodiámetro del área donde la pote

Con respecto a la potencia e

6.3.3.- Absorción de radiación

La absorción de radiación resistividad eléctrica del mismo

Donde ρr representa la resist


adura por láser

Key Hole

Plasma

or ojo de cerradura, es función directa de la densidad de potencia que incide potencia depende, a su vez, de la potencia del haz y del diámetro del mismo. etro del haz, la penetración aumenta al aumentar la potencia del haz (dicha

otencia, de ahí su importancia. Es difícil medir el diámetro del haz en un láser y para un haz con TEM gausiano, el diámetro del haz se define como, el ncia está comprendida entre:

1/e2<PdG<1/e

n el centro del haz. Se aconseja utilizar como referencia el valor 1/e2<PdG.

por el metal base

infrarroja por parte de un metal está estrechamente relacionada con la , y pude escribirse como:

A = 112.2 √ρr

ividad eléctrica.



Si se tiene en cuenta la variación de la resistividad con la temperatura y la influencia del la longitud de onda de la radiación, la expresión es la siguiente:

Aλ(T) = 0.365 ρr(T)/ λ1/2 – 0.667ρr(T)/ λ + 0.006ρr(T)/ λ3/2

Donde ρr(T) es la resistividad eléctrica a la temperatura absoluta T, expresada en Ω.cm, y Aλ(T), es la absorción de radiación de longitud de onda λ, a la temperatura absoluta T.

A modo de ejemplo podemos indicar que la aleación Ti-6Al-4V presenta una absorción a 300ªC del 15%, mientras la absorción para el caso del cobre, plata y aluminio es tan solo del 2%-3%. Se ha podido comprobar que el nivel de absorción de radiación puede incrementarse añadiendo un gas activo al gas de protección (ej: oxígeno).

Es preciso añadir, que el nivel de absorción de la radiación láser infrarroja, aumenta drásticamente cuando se forma el ojo de cerradura, y por tanto cuando se han superado los 106-107 W/cm2.

6.3.3.- Velocidad de soldeo

Velocidades de soldeo excesivamente bajas favorecen la formación de un plasma de inducción térmica y en consecuencia pueden reducir la penetración. Asimismo cuanto más baja es la velocidad de soldeo, mas ancho es el baño de fusión generado.

6.3.4.- Función del gas de soldadura

El gas de soldadura se proyecta sobre la pieza de trabajo a través de la boquilla del cabezal con el fin de proteger el metal fundido y el aun caliente de la atmósfera. Sin embargo, el gas de soldadura también cumple otras funciones. Protege la óptica de enfoque de los humos y las salpicaduras y, en el caso de los láseres de CO2, también controla la formación de la nube de plasma. El gas de soldadura a menudo juega un papel activo en el proceso de soldadura, ya que incrementa la velocidad de soldadura y mejora las propiedades mecánicas de la unión.

Los gases tienen diferentes propiedades químicas y físicas, por eso es conveniente elegir bien el gas de apoyo más idóneo para cada aplicación de soldadura. Al menos, se han de tener en cuenta tres puntos importantes:

• Tendencia a la formación de plasma

• Influencia sobre las propiedades mecánicas

• Efecto de blanketing/protección

6.3.4.1 Tendencia a la formación de plasma

La formación de plasma es más propia de la soldadura por láser de CO2 de alta potencia (> 3 Kw.) ya que la formación del plasma requiera una alta intensidad de energía. La tendencia a la formación de plasma está determinada por el peso atómico/molecular del gas, su conductividad térmica y su energía de ionización. Los gases moleculares también consumen energía de disociación antes de ionizarse.

Un peso molecular bajo aumenta el índice de recombinación entre iones y electrones del plasma, lo que favorece un plasma menos denso o incluso su desaparición. La alta conductividad térmica del gas de



soldadura incrementa la transferencia de calor del plasma al entorno que le rodea. Esto hace disminuir la temperatura del plasma y, por ende, su densidad.

La energía de ionización constituye el factor más importante, pues ésta es necesaria para extraer un electrón de la molécula o del átomo de gas y para que se formen un electrón libre y un ión. La tendencia de un gas de soldadura a transformarse en plasma queda, por tanto, reducida por la alta energía de ionización.

En la Tabla 5, se muestran los valores del peso molecular, la conductividad térmica, la energía de ionización y la densidad del gas.

Gas para la

soldadura por láser Peso

molecular Conductividad

térmica a 1 bar, 15

Energía deionización

Densidad relativa al aire

Gas (g/mol) (W/m.K) (eV) (rel.) Helio 4 0,15363 24,6 0,14 Argón 40 0.,1732 15,8 1,38

Nitrógeno 28 0,02550 15,6 0,96 Dióxido de carbono 44 0,01615 13,8 1,52

TABLA 5

COMPORTAMIENTO QUÍMICO Y PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS DIFERENTES GASES

El helio es un gas que se caracteriza por un peso molecular mínimo, por una conductividad térmica alta y una energía de ionización máxima, de ahí que resulta un gas muy idóneo para evitar la formación de plasma. El argón, en cambio, se ioniza con relativa facilidad y es por tanto más propenso a formar excesivas cantidades de plasma, especialmente en el caso del láser de CO2 con una potencia superior a 3 Kw.

6.3.4.2 Propiedades mecánicas

En muchos casos, resulta muy ventajoso usar gases inertes para la soldadura, porque no reaccionan con el metal soldado. El helio y el argón son gases totalmente inertes y no afectan a los metales soldados.

El dióxido de carbono y el nitrógeno, en cambio, son gases reactivos, que pueden reaccionar con el metal soldado formando óxidos, carburos y nitruros o bien formar poros. Como resultado, las propiedades mecánicas de la pieza soldada pueden verse afectadas. Por consiguiente, el dióxido de carbono o el nitrógeno puros no son adecuados como gases de soldadura en determinadas aplicaciones.

Sin embargo, los gases de soldadura reactivos se pueden utilizar en determinados casos e incluso pueden resultar ventajosos. Por ejemplo, la aplicación del nitrógeno como componente del gas de soldadura proporciona mayor resistencia a la corrosión y una mejor microestructura de la soldadura en ciertos tipos de acero inoxidable.

6.3.4.3 Efecto de protección del gas.

La densidad del gas es importante para la correcta protección de la zona soldada. Los gases de baja densidad no desplazan el aire tan fácilmente como los gases de alta densidad. El helio tiene menos densidad que el aire (ver Tabla 5), de forma que se eleva rápidamente de la zona soldada. El caudal de helio dirigido, ya sea a alta velocidad (boquilla pequeña, alta presión) o con un elevado caudal (boquilla grande, baja presión) es necesario para una protección efectiva. El caudal de helio dirigido hacia el centro



del baño puede afectar a la fusión (por desplazamiento del metal fundido). El argón, en cambio, tiene una alta densidad y, por tanto, sustituye el aire de forma más efectiva.

Las mezclas de helio y argón combinan las ventajas de ambos gases, es decir, la alta densidad del argón y el alto potencial de ionización del helio, y se pueden utilizar para obtener una mejor protección de la zona soldada con láser de CO2.

En función del material, del tipo de boquilla, y de las propiedades deseadas, en las tablas 6 y 7 se recomiendan los gases más apropiados.



Material Gas de soldadura Comentarios Gas de respaldo

Helio Todas las potencias de rayo láser, boquillas coaxiales y tubos laterales

Alta calidad de soldadura, buena formabilidad

Argón Potencias de rayo láser hasta 3 Kw., boquillas coaxiales y tubos laterales

Argón/30 % helio Argón/50 % helio

Boquillas coaxiales y tubos laterales, alta calidad de soldadura, buena formabilidad

Argón/10 % oxígeno

Potencias de rayo láser hasta 5kW, boquillas coaxiales, buena formabilidad

Argón/20 % dióxido de carbono

Potencias de rayo láser hasta 5 Kw., tubos laterales, tolerancia limitada a cambios en los parámetros de las boquillas, calidad de soldadura aceptable para aceros con bajo

contenido de carbono

Aceros dulces y aceros con C-

Mn

Argón/helio/dióxido de carbono

Potencia del rayo láser hasta 8 Kw., tubos laterales, alta calidad de soldadura

especialmente con materiales revestidos

Argón

Argón/6-10 % hidrógeno

Potencias de rayo láser hasta 5 Kw., boquillas coaxiales y tubos laterales, alta

velocidad de soldadura, superficie de soldadura brillante



Boquillas coaxiales y tubos laterales


Aceros inoxidables

austeníticos y superaustenítico

s

Nitrógeno Boquillas coaxiales y tubos laterales, aceros con aleación de nitrógeno

Argón y nitrógeno /

mezclas con hidrógeno




Aceros inoxidables

ferríticos


Argón

Aceros inoxidables austenítico-

ferríticos

Nitrógeno Boquillas coaxiales y tubos laterales, aceros con aleación de nitrógeno

Nitrógeno

Argón/mezclas con nitrógeno


Helio/mezclas con nitrógeno

Altas potencias de rayo láser, boquillas coaxiales y tubos laterales

Argón/30 % helio Argón/50 % helio Helio/30 % argón

Tubos laterales y boquillas coaxiales, gran penetración de soldadura, buena calidad

de soldadura

Aluminio y aleaciones de

aluminio Helio Todas las potencias de rayo láser,

boquillas coaxiales y tubos laterales

Argón y helio

TABLA 6

GASES PARA LA SOLDADURA POR LÁSER DE CO2


-CURS

Material Gas de

soldadura Comentarios Gas de

respaldo Argón Todas las potencias de rayo láser, gas inerte,

buena calidad de soldadura Dióxido de carbono

Aplicaciones especiales

Aceros dulces y aceros con

C-Mn

Argón/dióxido de carbono

Todas las potencias de rayo láser, buena calidad de soldadura especialmente con materiales

revestidos

Argón

Argón Todas las potencias de rayo láser, gas inerte, buena calidad de soldadura

Argón/6-10 % hidrógeno

Todas las potencias de rayo láser, superficie de soldadura brillante

Aceros inoxidables

austeníticos y superausteníti

cos Nitrógeno Aceros con aleación de nitrógeno

Argón y nitrógeno/mez

clas con hidrógeno

Aceros inoxidables

ferríticos

argón Todas las potencias de rayo láser, gas inerte, buena calidad de soldadura

Argón

Aceros inoxidables austenítico-

ferríticos (duplex)

Nitrógeno Todas las potencias de rayo láser Nitrógeno

Helio Todas las potencias de rayo láser, buena calidad de soldadura

Helio/10-30 % argón

Todas las potencias de rayo láser, buena calidad de soldadura

Aluminio y aleaciones de

aluminio

Argón Todas las potencias de rayo láser, salpicaduras de soldadura

Argón y helio

TABLA 7

GASES PARA LA SOLDADURA POR LÁSER DE ND:YAG

6.3.5.- Tipos de Boquilla

En la Fig. 36 se muestran diferentes diseños de boquillas comúnmente utilizadas. Las boquillas coaxial, las boquillas de anillo y los tubos laterales se utilizan para procesos de soldeo con una potencia de láser de hasta 5 Kw., donde la formación de plasma no representa un problema serio.

Gas de Gas de


Haz láser Gas de protección

Cordón Cordón

Haz láser

Jet

Haz láser

30º-50º30º-50º

Haz láser

Gas de protección

protección

Coaxial De anillo Tubo lateral Jet


Cordón


Cordón Cordón

Haz láser

Cordón

Haz láser

Jet

Haz láser

30º-50º30º-50º

Haz láser

Gas de protección

protección

Coaxial De anillo Tubo lateral Jet

FIGURA 36

TIPOS DE BOQUILLA.


El tamaño de las boquillas, es decir, el diámetro del orificio, debería ser relativamente grande, para que el flujo de gas laminar de poca velocidad pueda ofrecer una buena protección contra la oxidación, sin que el flujo de metal fundido alrededor del keyhole se vea afectado. En una boquilla coaxial, el gas de soldadura sigue la trayectoria del rayo láser y se ve afectado por la radiación láser. Esto, sin embargo, no es aplicable a la boquilla de anillo y al tubo lateral.

Con frecuencia se utiliza un chorro de plasma de helio cuando la formación de plasma se convierte en un problema serio, por ejemplo en la soldadura de piezas más gruesas utilizando un láser de CO2 de alta potencia (ver Fig. 5). La boquilla para el chorro de plasma tiene un diámetro pequeño y el flujo de gas de gran velocidad resultante desplaza la nube de plasma de encima del keyhole. La boquilla para el chorro de plasma se suele combinar con una boquilla coaxial con el fin de obtener una mayor protección del baño de soldadura.

En la Tabla 8 se muestran los diámetros y las distancias más habituales de las boquillas coaxiales, los tubos laterales y las boquillas para chorro de plasma.

Boquilla Diámetro Distancia (mm) (mm)

TABLA 8

DIÁMETROS DE BOQUILLA Y DISTANCIA HABITUALES

PARA LAS DIFERENTES BOQUILLAS 1 MM Coaxial 6–20 5–8

Tubo lateral 2–9 2–8

Chorro de plasma 1,2–1,8 5–6

Cuando se utiliza un tubo lateral o una boquilla para chorro de plasma, los espejos o lentes de enfoque han de estar protegidos contra el humo y las salpicaduras. Esto se consigue mediante la inyección de un flujo de gas de protección a través de una boquilla coaxial. Como alternativa, se puede utilizar un chorro oblicuo para inyectar el flujo de gas a gran velocidad para evitar el humo y las salpicaduras.

6.3.6.- Colocación de las boquillas

No existen reglas estrictas sobre el uso de los dispositivos para las boquillas. El tubo lateral, por ejemplo, puede seguir el rastro del rayo láser, tal como se muestra en la Fig. 36, o puede ir delante del rayo láser en la dirección de la soldadura. Cuando se utiliza un láser de CO2, los tubos laterales posteriores son menos sensibles a las variaciones en los parámetros de alineación, en comparación con los tubos laterales delanteros. Sin embargo, el rango de tolerancia con respecto a las variaciones en los parámetros de la boquilla (ángulo hasta la pieza de trabajo, dirección, etc.) depende del gas de soldadura utilizado. El helio u las mezclas de argón con helio tienen un gran rango de tolerancia cuando se utilizan con láseres de CO2.

Cuando se utilizan láseres de CO2, no se pueden utilizar gases de soldadura que contengan dióxido de carbono con boquillas coaxiales, sólo con tubos laterales y boquillas de anillo. En la configuración de una boquilla coaxial, el haz del láser se desplaza a través del gas de protección, de forma que el dióxido de carbono que contiene el gas de protección absorbe la energía del rayo láser, causando problemas relacionados con el plasma de inducción térmica. A la larga, esto puede producir una destrucción térmica en el montaje de la boquilla.



La velocidad del flujo del gas de soldadura necesario depende del diseño y del diámetro de la boquilla, así como del tipo y la potencia del láser. La velocidad del caudal no ha de ser ni demasiado baja ni demasiado alta (ver Fig. 37). Una velocidad de caudal baja no proporcionará una protección adecuada del baño de soldadura. Una velocidad alta del caudal gas de protección afecta a la dirección del flujo de fusión y tiene como resultado una soldadura de poca calidad: por ejemplo, un cordón de soldadura y un corte sesgado desiguales. Además, el flujo del gas de soldadura debería ser laminar y uniforme. La turbulencia causada por una velocidad excesivamente alta del caudal y por barreras en la dirección de flujo (ver Fig. 37) hace que el aire se mezcle con el gas de soldadura, reduciendo así la protección. La velocidad adecuada del flujo del gas de soldadura para boquillas coaxiales y tubos laterales normalmente se enmarca en el rango de10 – 50 l/min. Cuando se utiliza un láser de CO2 y argón como gas de soldadura, puede que se necesite una alta velocidad del flujo de gas para impedir la formación de plasma. No obstante, el flujo de argón se ha de mantener lo suficientemente bajo para evitar que la fusión se vea afectada.

CONFIGURACIÓN D

BOQUILLA COLOCADA

Y VELOCIDAD DEL F

BARRERA ENTRE LA B

6.4.- Ejemplos d

6.4.1.- Soldeo láse

La forjabilidad ddiferente composicEstas piezas estánse forjan mediantepaneles para el inte

-CURSO DE FORMACI

FIGURA 37

E LA BOQUILLA Y AJUSTE DEL FLUJO DE GAS. 1. SOLDADURA DE CALIDAD SUPERIOR, LIBRE DE ÓXIDO. 2. INCORRECTAMENTE. RESULTADO: JUNTA OXIDADA Y DESIGUAL, POROS. 3. BOQUILLA DEMASIADO PEQUEÑA

LUJO DE GAS DEMASIADO ALTA. RESULTADO: JUNTA OXIDADA Y DESIGUAL, DEFECTOS DE RAÍZ, POROS. 4. OQUILLA Y LA ZONA DE SOLDADURA. RESULTADO: JUNTA OXIDADA Y DESIGUAL, DEFECTOS DE RAÍZ, POROS

e aplicaciones

r de acero al carbono

e la soldadura es un criterio esencial en la soldadura de piezas de acero a medida de ión y/o espesor (Tailored Blanks), pudiendo estar recubiertas (electrocincadas) o no. soldadas por transparencia (ver Fig. 38). Después de la soldadura, las piezas de acero prensa para crear componentes, como por ejemplo, placas de conexión a tierra o rior de puertas de automóviles.

ÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 1.12d -44-


La forjabilidad de junde estiramiento, que coque el punzón se desdiferentes gases de sconseguida con nitrógeargón, debido a la presigual de malo,…

-CURSO DE FORMACIÓN D

FIGURA 38 SOLDEO DE TAILORED BLANKS

tas a tope soldadas por láser se somete a frecuentes pruebas mediante una prueba nsiste en doblar la zona del cordón con un punzón hasta que se agrieta. La distancia plaza se compara con la del material base. La Fig. 39 muestra los resultados de oldadura puros en chapas de acero de 0,8 mm soldadas a tope. La forjabilidad no o con dióxido de carbono es evidentemente inferior a la conseguida con helio o encia de poros en la junta. Si se aplica aire como gas de soldadura, el resultado es

E IN

FIGURA 39

FORJABILIDAD X GAS



Ya que el contenido de nitrógeno es absorbido en el baño de fusión, que es mantenido por el contenido de oxígeno, y queda atrapado en los poros.

Una buena forjabilidad también se puede obtener con mezclas de helio y argón, tal como se demuestra en la Fig. 40.

FIGURA 40

FORJABILIDAD DE JUNTAS EN ACERO DULCE, RELATIVA AL METAL DE BASE

• Formabilidad (%)

• Gas para soldadura por láser

• Grosor del material: junta a tope de 2 x 0,7 mm,

• Láser de CO2 con una potencia de 4 Kw., boquilla coaxial de ø 5 mm,

• Velocidad de soldadura: 7 m/min (275 ipm)

Este ejemplo muestra como los requisitos de rendimiento para una aplicación determinan qué tipo de gas debería utilizarse con el fin de cumplir dichos requisitos.

Técnicamente, el helio, es el gas más adecuado para soldar acero dulce por láser de CO2 en cuestión de fiabilidad del proceso, eficiencia e integridad estructural. El helio se puede aplicar con boquillas coaxiales, tubos laterales y boquillas para chorro de plasma. El helio se caracteriza por una gran tolerancia con respecto a las variaciones en la colocación de los tubos laterales. La formabilidad de las planchas soldadas es relativamente buena, y el helio es, por tanto, muy adecuado para la soldadura de piezas de acero a medida. El helio tiene muy buenas propiedades para evitar la formación de plasma y también se puede usar para cualquier potencia de rayo láser, e incluso para soldar planchas gruesas.

El argón puede ser un gas de protección alternativo para una potencia de rayo láser de hasta 3 Kw. Por encima de 3 Kw., tiende a formar excesivo plasma, haciendo disminuir la productividad y la calidad. Las mezclas de argón, como por ejemplo el argón con un 30 % de helio, el argón con un 10 % de oxígeno y el argón con un 20 % de dióxido de carbono, tienen mejores propiedades para evitar la formación de plasma a una determinada potencia de rayo láser, en comparación con el argón puro.




El argón con un 30 % de helio es una mezcla de gas inerte que se puede utilizar tanto para boquillas coaxiales como para tubos laterales. Por lo que respecta a los tubos laterales, esta mezcla tiene una gran tolerancia a las variaciones en la colocación de la boquilla. La calidad de la soldadura y, especialmente, la formabilidad de las planchas soldadas son casi tan buenas como las que proporciona el helio o la mezcla de argón con un 10% de oxígeno (ver Fig. 40.) La mezcla es, por tanto, adecuada para la soldadura de piezas de acero a medida.

El argón con un 10 % de oxígeno se puede utilizar con boquillas coaxiales (potencias de rayo láser de hasta 5 Kw.). Produce soldaduras con buenas propiedades mecánicas, p.ej. buena formabilidad, y es por tanto adecuado para la soldadura de piezas de acero a medida. Sin embargo, la mezcla de argón con un 10 % de oxígeno no debería utilizarse para soldaduras orbitales, ya que pueden aparecer defectos en el punto de solapamiento del cordón de soldadura.

La mezcla de argón con un 20 % de dióxido de carbono se puede usar con tubos laterales (potencias de rayo láser de hasta 5 Kw.). El rango de tolerancia con respecto a la colocación de la boquilla es más pequeño que para el helio o la mezcla de argón con un 30 % de helio. Las propiedades mecánicas y la formabilidad de las finas planchas soldadas son aceptables para determinadas aplicaciones, aunque se pueden mejorar considerablemente añadiendo helio.

6.4.2.- Soldeo de acero inoxidable austenítico

El helio, el argón y las mezclas de argón y helio (argón con un 30 % de helio y argón con un 50 % de helio) se utilizan con frecuencia para trabajar con aceros austeníticos. Cuanto mayor es la potencia del rayo láser, mayor es el contenido de helio que ha de tener el gas de soldadura con el fin de reducir la formación de plasma.

A diferencia de los aceros ferríticos, los gases de soldadura que contienen hidrógeno, como por ejemplo el argón con un 6 – 10 % de hidrógeno, se pueden usar para trabajar con aceros austeníticos, ya que no hay riesgo de fragilización a causa del hidrógeno. Además de controlar la formación de plasma, el hidrógeno también reduce la formación de óxido en la superficie y afecta a la viscosidad de la fusión. La Fig. 41 muestra la velocidad de soldadura de algunos gases de soldadura aplicados a una plancha de acero austenítico de 2 mm. En estas pruebas, la mezcla de argón con un 7 % de hidrógeno permite la máxima velocidad de soldadura en comparación con el helio, el argón o la mezcla de helio con un 30 % de argón. Para obtener una superficie metálica soldada brillante también se puede utilizar una mezcla de argón con un 7 % de hidrógeno.


VELOCIDADES DE SOLDADURA

El nitrógeno es un csuperausteníticos que spérdida de nitrógeno enpicaduras en las soldadu

Sin embargo, el nitróaleación de titanio y niomenos titanio y niobio lib

6.4.3.- Soldeo del acero

El cromo es el princiinertes, como el helio, elde CO2. El nitrógeno utilPor tanto, el nitrógeno tdecir, incrementa la cansoldadura. Los gases inoxidables ferríticos, al

-CURSO DE FORMACIÓN DE

Gases de Protección

Velocidadm/min

FIGURA 41

PARA VARIOS GASES DE SOLDADURA PARA ACERO AUSTENÍTICO (AISI 304) DE 2 MM, LÁSER DE CO2

CON UNA POTENCIA DE 2,2 KW., BOQUILLA COAXIAL DE Ø 8 MM

omponente adecuado del gas de soldadura para aquellos aceros austeníticos y e alean con nitrógeno. Como gas de soldadura, el nitrógeno compensa por la el metal soldado, que de producirse, reduciría la resistencia a la corrosión y a las ras.

geno no debería utilizarse como gas de soldadura para aceros austeníticos con bio. En contacto con estos elementos, el nitrógeno forma nitruros por lo que hay res para prevenir la formación de carburo de cromo y la corrosión intercristalina.

inoxidable ferrítico

pal elemento de aleación del acero inoxidable ferrítico. Los gases de soldadura argón y las mezclas de argón con helio son adecuados para la soldadura por láser izado como un gas de soldadura incrementa el contenido de nitrógeno en la fusión. iene el mismo efecto que el carbono a la hora de trabajar con aceros ferríticos, es tidad de martensita en el metal soldado y, por tanto, también la fragilidad de la

de soldadura que contienen hidrógeno no son adecuados porque los aceros igual que los aceros dulces, son propensos a la fragilización a causa del hidrógeno.

INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 1.12d -48-



6.4.4.- Soldeo láser de acero inoxidable austenítico-ferrítico

Uno de los problemas en la soldadura de aceros duplex es que el contenido de austenita en el cordón de soldadura se reduce considerablemente en comparación con el metal precursor. Esto merma las propiedades mecánicas y corrosivas de la junta. Utilizando nitrógeno, argón mezclado con nitrógeno o helio mezclado con nitrógeno como gases de soldadura, se puede incrementar el contenido de austenita en el cordón de soldadura, puesto que la absorción de nitrógeno en el metal soldado provoca la formación de austenita.

Los gases de soldadura que contienen hidrógeno deberían evitarse a la hora de trabajar con aceros duplex. Estos materiales contienen una cantidad significativa de ferrita, que es propensa a la fragilización a causa del hidrógeno. A veces, la soldadura por láser de acero inoxidable requiere una protección adicional contra la oxidación de la soldadura y/o un gas de servicio para la raíz de la soldadura. Como resultado de la alta velocidad de soldadura, el metal soldado caliente puede abandonar la zona de protección antes de enfriarse a una temperatura no crítica y, por consiguiente, puede reaccionar con el aire ambiente. En este caso, un gas de refuerzo adicional puede proporcionar mayor protección para el cordón superior.

El argón y las mezclas de nitrógeno con hidrógeno se utilizan como gases de respaldo para los aceros austeníticos. Sin embargo, las mezclas de nitrógeno con hidrógeno no son recomendables para aceros austeníticos estabilizados al titanio, ya que se puede formar nitruro de titanio. Los gases de servicio que no contienen hidrógeno, como por ejemplo el argón, son los más recomendados para los aceros ferríticos, con el fin de evitar el riesgo de fisuras a causa del hidrógeno. El nitrógeno es adecuado como gas de servicio cuando se trabaja con aceros duplex y aceros superduplex, porque genera una mayor cantidad de austenita en el metal soldado.

6.4.5.- Gases para la soldadura de aluminio con láser de CO2

La soldadura de aluminio y de aleaciones de aluminio por láser de CO2 resulta bastante difícil debido a la alta reflectividad y conductividad térmica del mismo. La alta reflectancia hace difícil que la pieza de trabajo absorba la radiación del láser de CO2; por otro lado la alta conductividad térmica facilita la conducción del calor absorbido desde el foco. Como resultado, es más difícil superar el umbral para la soldadura de penetración profunda, es decir, alcanzar la alta temperatura necesaria para evaporar el aluminio y así formar un keyhole. La soldadura de aluminio por láser de CO2, por tanto, requiere una potencia y una calidad del rayo láser notablemente mayores que en la soldadura de acero por láser CO2. Por otro lado el bajo punto de fusión y la alta fluidez del aluminio puede conducir a la generación de perforaciones durante el soldeo. Esto último requiere un ajuste muy fino del aporte térmico utilizado.

La porosidad es un fenómeno típico en la soldadura de aluminio por láser. En gran medida, la porosidad puede estar relacionada con el hidrógeno, que se disuelve fácilmente en el baño de fusión. Tal y como se muestra la Fig. 42, la solubilidad del hidrógeno en el aluminio disminuye cuando el éste solidifica, de forma que el hidrógeno se precipita en forma de pequeños poros esféricos. El hidrógeno procede fundamentalmente de las capas superficiales de óxido / hidróxido que se han hidratado en contacto con la humedad ambiental. Obviamente, los gases de soldadura que contienen hidrógeno deberían evitarse en la soldadura de aluminio por láser. Además, el sistema de suministro del gas de soldadura ha de ser estanco, para evitar la penetración de humedad.


H SolubilidadH Solubilidad

Los poros también puekeyhole (fenómeno denomturbulento, lo que lleva al cdividir en dos haces con uuno cerca del otro, para así

El nitrógeno es un gas dpartículas de nitruro de aprecauciones cuando se eli

La pérdida de elementoslas aleaciones de aluminiogas, con objeto de controla

Los gases más adecuamezclas de helio y argón. Étrabajo, y ofrecen una soldvelocidad de soldadura obpodría ocasionar una excemayor contenido de helio p

-CURSO DE FORMACIÓN DE IN

H2 Solubilidad(cm3/100g)2(cm3/100g)

Temperatura ºCTemperatura ºC

660660 25002500

0,0360,036

0,70,7

5050

Punto de FusiónPunto de Fusión

Solubilidad en el líquido en el punto de Fusión


Solubilidad en el sólido en el punto de Fusión


H2 Solubilidad(cm3/100g)2(cm3/100g)

Temperatura ºCTemperatura ºC

660660 25002500

0,0360,036

0,70,7

5050

Punto de FusiónPunto de Fusión





FIGURA 42

SOLUBILIDAD DEL HIDRÓGENO EN ALUMINIO PURO

den ser grandes y profundos, e incluso el material podría ser expulsado del inado humping). Esto se debe a la inestabilidad del keyhole en el baño de fusión olapso del keyhole. Con el fin de estabilizar el keyhole, el rayo láser se puede

n espejo especial (técnica de doble enfoque). El enfoque de los rayos se dirige ampliar y estabilizar el keyhole.

e soldadura reactivo cuando se utiliza con aluminio, puesto que se pueden formar luminio en el metal de soldadura. Por tanto, se recomienda tomar ciertas ge el nitrógeno o el aire comprimido como gases para soldar aluminio.

de aleación como el magnesio, es otro de los problemas que afectan al soleo de , que es, en principio tratable, mediante un diseño apropiado del la boquilla de r el plasma de inducción térmica.

dos para soldar aluminio y aleaciones de aluminio por láser de CO2 son las stas permiten una mejor compatibilidad entre la radiación del láser y la pieza de

adura de mejor calidad. La Figura 43 muestra la profundidad de penetración y la tenidas con una potencia láser de 3, 4 y 5 Kw. Una cantidad mayor de argón siva formación de plasma y una pérdida de potencia del haz. En cambio, un

uede inestabilizar el proceso y reducir la calidad de la soldadura.



-CURSO

PROFU

A vesoldadhidróge

6.4.6.-

En ldistinto


FIGURA 43

NDIDAD DE PENETRACIÓN Y VELOCIDAD DE SOLDADURA DURANTE LA SOLDADURA DE ALUMINIO CON LÁSERS DE DIFERENTE

POTENCIA Y COMPOSICIÓN ÓPTIMA DEL GAS DE SOLDADURA

ces, la soldadura de aluminio por láser requiere un gas de respaldo inerte para proteger la raíz de la ura de la atmósfera. La humedad, por ejemplo, puede producir porosidad en la soldadura a causa del no. El argón y el helio se pueden utilizar como gases de servicio.

Resumen de parámetros para soldeo láser de alta potencia

a tabla 9 se recogen los parámetros de referencia para el depósito de cordones sobre chapas de s materiales.



Material Tipo de Unión Espesor (mm) Potencia Láser (kW)

Acero al carbono A tope 28.6 12.8 A tope 25.4 12 A tope 19 12 A tope 15.9 12 A tope 12.7 12 A tope 9.5 10.8 En T 9.5-12.7 11.9

Acero de baja aleación En T 9.5-12.7 7.5 AISI 1010 A tope 4 1.8(a) AISI 4130 A tope 15.2 14

Acero baja aleación y alta resistencia M300

A tope 19 14

Acero microaleado API X-80

A tope 13.2 12

D6ac Acero A tope 6.4 15 HY-80 Acero ---- 12.5 10.6 HY-130 Acero A tope 6.4 5.5 HY-180 Acero A tope 1.6 5.5 HY-180 Acero A tope 16.3 5.5 INCONEL 718 A tope 14.5 14

Acero inoxidable AISI 304 A tope 6 17 A tope 12.5 17 A tope 17 17 A tope 16.5 17 A tope 3.8 11.5 A tope 5.6 11.5 (b) A tope 5.6 1.8 (c) A tope 8.9 8 A tope 20.3 20 A tope 12.7 20 A tope 50.8 77

Acero inoxidable AISI 321 A tope 14.5 14 Aluminio-cobre 2219 A tope 12.7 13 Aluminio-cobre 2219 A tope 6.4 5 Aluminio-cobre 2219 A tope 6.4 16

Aluminio-magnesio 5083 A tope 6.4 7 Aluminio-magnesio 5456 A tope 3.2 5.5 Aluminio-magnesio 5456 A tope 12.5 8

Aleación de Titanio Ti-6Al-4V

A tope 15.2 13.5

A tope 3.2-6.4 5.5 A tope 3 4.7 A tope 12.5 11

TABLA 9

6.5.- Técnicas Especiales

6.5.1.- Soldeo Híbrido: Láser: láser <> MIG

El proceso consiste en la integración en un mismo sistema del soldeo láser y el soldeo MIG.

Con la combinación del haz láser y del arco eléctrico se consigue, frente al láser:


-CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/

Mayor estabilidad de proceso. Mejor relleno de raíz. Mayor penetración. Menor inversión láser (menos potencia). Mayor ductilidad de la unión.

•Y frente al MIG/ MAG: - Mayor velocidad. - Mayor penetración a mayor

velocidad. - Menor aporte térmico. - Alta carga de rotura. - Cordones más estrechos.

SOLDE

El proceso establece un límite para el alumininoxidable 5 mm de espesor

6.5.2.- Soldeo Remoto

Consisten en el soldeo de piezas situadas aradiación láser, mediante el uso de haces de al

Se consigue con el desarrollo de haces de al

Sustituto del soldeo por resistencia en auahorro).

El soldeo se efectúa por una cara por lo quprotección.

Electrodo

FIGURA 44 O HÍBRIDO LÁSER =MIG

io en 4 mm de espesor y un límite para el acero al carbono e

distancias de hasta 2000 mm de la fuente de emisión de la ta calidad.

ta potencia y calidad (3,5 kW SLAB) y de baja divergencia.

tomoción (disminución de etapas de producción, 44% de

e se precisan útiles para fijar la pieza y distribuir el gas de

Vapor Metálico

Pieza

Direcciónde soldeo

Plasma

Ojo de Cerradura

Arco

Zona de Fusión

INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 1.12d -53-

FIGURA 45

SOLDEO REMOTO


Se utilizan lentes de 1000, 1400, 1600 mm de longitud focal, siendo el campo de trabajo en planta de 3,5 x 4 m. En estas condiciones puede efectuar 85 soldaduras por minuto (de longitud media de 18 mm).

Un telescopio maximiza la densidad de potencia en la pieza a soldar, mientras dos espejos refrigerados por agua y cubiertos con una capa metálica protectora están servodirigidos y redireccionan el haz a los distintos puntos de soldeo.

La velocidad de desplazamiento en vacío puede alcanzar los 2 m/s. El haz láser opera en un modo cercano al TEM00.

• Se utiliza aporte base cobre. • El material base no se funde. • Se manejan densidades de potencia del orden de 2 x 104 W/cm2. • El foco es mayor que el ancho del cordón. • Se genera menos distorsión. • Fácil de automatizar. • Menos daño a materiales galvanizados. • Superficies de cordón preparadas para operaciones de pintado. • Unión de alta resistencia. • Buen mojado de la unión

FIGURA 46



7. TRATAMIE

Los procesosaplicaciones a naparentemente sfabricación. Estemás en el futuro

• Endur

• Modif

• Aleac

• Plaqu

• Otras

Puesto que seA diferencia derequieren un hacondiciones de para dar forma aprocesamiento u

Es importanteláseres de diodoutilizan estos lápenetración, sonflexibilidad, estode superficies.

-CURSO DE FORMA

Haz Láser

Lente

45º

Gas de Protección

Haz Láser

Lente

45º

Gas de Protección

FIGURA 47

LÁSER BRAZING. SOLDEO FUERTE POR LÁSER

NTOS SUPERFICIALES CON LÁSER

de tratamiento superficial mediante láser todavía no son muy habituales entre las ivel industrial. Cuando se tiene en cuenta el coste de las operaciones posteriores, el coste uperior del procesamiento por láser puede llevar a una reducción global de los costes de será el factor decisivo que permitirá, que este tipo de tecnologías, se apliquen cada vez

. Entre ellas, se incluyen:

ecimiento superficial por láser

icación de la superficie por láser

ión mediante láser

eado mediante láser

requiere una potencia alta, la mayoría de los sistemas utilizan actualmente láseres de CO2. las aplicaciones de soldadura por conducción y por ojo de cerradura, estos procesos z desenfocado con el fin de procesar grandes superficies por unidad de tiempo. Las procesamiento ideales se pueden conseguir utilizando unos espejos o lentes especiales l rayo láser. Las formas lineales o rectangulares resultantes son más adecuadas para un niforme de la superficie.

mencionar que estos requisitos se corresponden con las características actuales de los . Las características del haz (forma y tamaño del haz), por las que actualmente, no se

seres en aplicaciones como el corte, y que limitan su idoneidad para la soldadura por por contra ideales para los procesos de tratamiento de superficies. Gracias a su gran

s sistemas compactos, encontrarán muchas aplicaciones en las tecnologías de modificación

CIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 1.12d -55-


La absorción superficial de la radiación láser se ve incrementada mediante el recubrimiento de la pieza con una fina capa de material con un alto contenido de carbono.

7.1.- Temple superficial por láser

Este proceso es el más habitual entre las aplicaciones de tratamiento de superficies. El rayo láser se utiliza para calendar rápidamente la superficie de la pieza a una temperatura por debajo del punto de fusión, aquella en la que la microestructura del material cambia de ferrítica a austenítica. Durante el rápido enfriamiento, la estructura cambia de nuevo de austenita a martensita dura.

Poscumpreaccnitrógpuede

Tantradicgloba

La de promás e

7.2.-

La Normzona elegirinerte

-CURS

FIGURA 48

ENDURECIMIENTO EN LA TRANSFORMACIÓN DE UNA SUPERFICIE CON LÁSER

teriormente, no es necesario enfriar la pieza, ya que el material de alrededor y el gas de protección len esta función. Otra finalidad del gas de protección es proteger el material caliente para que no ione en contacto con el ambiente. En la mayoría de casos, para esta tarea se utilizan el argón y el eno (raramente se utiliza el helio). No obstante, hay que tener en cuenta que el nitrógeno también reaccionar con el material y producir una mayor dureza.

to el acero como las fundiciones se pueden endurecer por láser. En comparación con los procesos ionales de endurecimiento, la técnica del láser se puede aplicar localmente para reducir la distorsión l (ver Fig. 48).

velocidad de flujo del gas de protección (generalmente 20 l/min.) es una función del tamaño del punto cesamiento y de la velocidad de alimentación. Un tamaño del punto y una velocidad de alimentación levados conllevan una mayor área de trabajo, lo que requiere una mayor velocidad del flujo de gas.

Modificación de superficies con láser

modificación de superficies por láser permite alterar, de forma local, las características en una pieza. almente, esto se realiza en materiales con plaqueado o fundiciones, con el fin de recocer o revenir una específica. Como las fundiciones absorben más los gases que los materiales sólidos, es necesario cuidadosamente el gas de protección. En la mayoría de casos, para esta tarea se utilizan gases s, como el argón o el helio, y a veces también el nitrógeno. Sin embargo, una vez más, hemos de




tener en cuenta que el nitrógeno también puede reaccionar con el material y, por tanto, incrementar la dureza.

Si el material base tiene un alto contenido en gas y se realiza un proceso de refundido con el fin de desgasificar, debería elegirse un gas de protección que no interfiera con este proceso.

7.3.- Aleación con láser

En este proceso, se funde el material base y los elementos de aleación en estado gaseoso/sólido se añaden al baño de fusión con el fin de modificar las propiedades mecánicas de la capa superficial, como la resistencia al desgaste o la corrosión, la dureza, la resistencia química, etc.

Dependiendo del tipo de material y de la aplicación específica, se puede elegir entre múltiples polvos metálicos o gases. El nitrógeno es el elemento gaseoso más utilizado. Sin embargo, también es posible aplicar CH4, CO2 y otros gases.

Los elementos de aleación sólidos se introducen en el baño de fusión en forma de polvo mediante un gas inerte (generalmente argón) que entonces desempeña la función de protección y de transporte del polvo.

7.4.- Plaqueado mediante láser

El plaqueado mediante láser se utiliza para depositar una capa sobre la superficie de un material, p.ej. para mejorar la resistencia al desgaste o a la corrosión. Durante un proceso de plaqueado mediante láser, la superficie del substrato se funde ligeramente y el material que se utiliza para el plaqueado se deposita sobre el substrato. El material de plaqueado suele ser en forma de alambre o polvo, que se funde para unirse al sustrato.

El ajuste del aporte térmico es clave en el plaqueado mediante láser. El material de base debería fundirse lo menos posible, ya que el fundido diluye el depósito. Al mismo tiempo, el material de base y el material depositado han de formar un compuesto resistente.

Si el material de plaqueado se suministra en forma de cable, el gas de protección que se suele utilizar es el argón, el nitrógeno o el helio. El material en polvo se suministra mediante un gas inerte como vehículo de transporte, generalmente argón, que también funciona como gas de protección.

Como esto requiere un caudal relativamente alto, se puede utilizar una boquilla adicional para el gas de protección. Sin embargo, es importante que la segunda boquilla no interfiera con el proceso de depositar el polvo. La alimentación del material en polvo y del gas de transporte de polvo de forma coaxial puede afectar negativamente al plasma. Añadiendo helio o hidrógeno se puede solucionar este problema, siempre y cuando los materiales sean adecuados, especialmente con respecto al hidrógeno.

8.- SEGURIDAD E HIGIENE

El uso de la tecnología láser supone los siguientes riesgos:

8.1.- Riesgos eléctricos

Todos los equipos láser incluyen sistemas que utilizan voltajes altos capaces de ocasionar graves daños personales.



Los láseres de alta potencia disponen de condensadores capaces de producir descargas letales, incluso después de que la descarga inicial se haya producido. Con objeto de evitar posibles accidentes se recomienda:

• Disponer de un circuito de tierra de descarga automática, que actúe incluso cuando el láser esté apagado.

• Interruptores de tierra y descarga en los accesos de todo panel.

• Barras de tierra para verificar manualmente que la descarga se ha completado. En este caso se deben utilizar gafas de seguridad para evitar el impacto de partículas procedente de posibles explosiones en condensadores parcialmente cargados.

• Bandas de tierra para aislar los condensadores en caso de recarga.

Se a de proceder a la descarga y puesta a tierra de cualquier condensador, antes de iniciar cualquier trabajo en las cercanías de una fuente de alta tensión.

No son admisibles las fugas de agua de refrigeración en el entorno del aparallaje eléctrico (especialmente cuando la línea de agua y de electricidad comparten conducto).

8.2.- Riesgos ópticos

Cualquier láser que es capaz de soldar metales, es, asimismo, capaz de herir gravemente los ojos. Se debe prevenir cualquier contacto directo del haz con los ojos o incluso de los reflejos especulares del mismo. Incluso la radiación láser difusa, puede causar daños permanentes en la visión. Por esta razón se precisa cerrar adecuadamente la zona donde el láser está trabajando. El sistema de apantallamiento utilizado debe reunir las siguientes características:

Ser opaco a la radiación láser utilizada. Pantallas de metal o de ciertos plásticos son válidos a este fin, así para el caso de un láser de radiación infrarroja el polimetilmetacrilato es efectivo. El espesor de la pantalla de debe calcular en función de la transmitancia del material y las normas de apliación.

Se debe proveer a la envoltura de seguridad de un cierre seguro, de tal forma que cualquier apertura accidental del mismo suponga la parada del láser.

Debe señalizarse correctamente el área apantallada, indicando los tipos de riesgo.

El visionado del proceso de soldeo se debe realizar a través de dispositivos protectores (filtros, cámaras, ...).

Las operaciones de posicionado del cabezal con respecto a la pieza a soldar, debe efectuarse con láseres de baja potencia.

Asimismo y como medidas generales se debe restringir el paso de personal autorizado al área de soldeo, los operarios deben portar gafas protectoras, de material y espesor calculados en función del tipo de radiación.



8.3.- Riesgos para la piel

La exposición directa de la piel al haz láser ocasiona graves quemaduras, por lo que se debe evitar manteniendo la radiación confinada y formando adecuadamente al personal. Incluso en operaciones secundarias donde se permite al operario acceder a la zona de soldadura, se deben prever los sistemas de apantallamiento necesario para evitar la exposición de cualquier parte del cuerpo ante la radiación.

Con objeto de evitar el daño que puede ocasionar la radiación ultravioleta y del infrarrojo lejano, se aconseja portar ropa de tejido grueso y cremas con filtro UV. Se pueden producir daños por radiación ultravioleta cuando el láser se excita por lámparas y se ha eliminado la cobertura de protección.

8.4.- Riesgos químicos

Al igual que otros procesos de soldeo el láser produce humos, cuya composición dependerá del tipo de material que se esté soldando. Por ello se debe prever sistemas de extracción de humos que cumplan con los límites de exposición marcados en la ley. Normalmente se precisará tanto la extracción local como la general.

Accidentalmente se pueden generara humos procedentes de la descomposición de elementos ópticos o plásticos pertenecientes a la máquina láser. Asimismo ciertos productos utilizados para la limpieza de los elementos ópticos pueden resultar tóxicos e inflamables.

Es buena práctica mantener documentación actualizada sobre:

• Listado de máquinas láser y horas de trabajo por cada una.

• Evaluación de riesgos y cálculo de la cantidad de radiación.

• Pruebas de los sistemas de seguridad.

• Procedimientos de uso de máquina.

• Listado de personal autorizado para el área de soldeo.

• Registro de formación de los empleados.

• Registro de evaluación médica de los empleados.

• Formación y cualificación del responsable de seguridad láser.

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