¿Cómo funciona la soldadura láser? Costos, ventajas y desventajas

La soldadura láser es un proceso de unión de metales. Como todos los procesos de soldadura y unión, la soldadura láser ejerce calor en puntos específicos.

En la soldadura láser, se unen dos componentes. Para ello se funden ambos lados del material de apoyo. El fundido se une y forma la unión. La soldadura por rayo láser se ha utilizado durante unos 30 años. Hasta ahora, se ha utilizado de forma selectiva y siempre ha competido ferozmente con los métodos de soldadura tradicionales. Debido a los métodos modernos de producción aditiva, como la impresión 3D de objetos metálicos, la soldadura por láser está ganando importancia rápidamente en la actualidad.

El padre espiritual del láser no es otro que Albert Einstein. Hace unos 100 años publicó sus primeras reflexiones sobre el tema de la agrupación de luces. Tomó hasta 1928 para el primer experimento para probar las teorías de Einstein. A partir de ahí, sin embargo, pasaron otros 32 años hasta que se pudo generar el primer rayo láser con un rubí en 1960. El costoso rubí fue reemplazado poco tiempo después por gas, lo que abarató mucho la producción de dispositivos láser.

La utilización de esta nueva y fascinante forma de luz no se hizo esperar. Inicialmente, los láseres trajeron un enorme progreso a la tecnología de medición. Por primera vez, fue posible realizar mediciones precisas en grandes distancias. Por ejemplo, los astronautas de la NASA instalaron un espejo en la luna. Con este espejo y un láser estacionado en la Tierra, la distancia entre los dos cuerpos celestes podría determinarse al centímetro. Los primeros intentos de soldadura por rayo láser también se realizaron en la década de 1960. Inicialmente, sin embargo, fueron los procesos de corte por láser los que más se apreciaron.

La DVS - Asociación Alemana de Soldadura y Procesos Afines es una asociación profesional técnico-científica activa en todas las áreas de la tecnología de unión.

El corte por láser es la forma más precisa de cortar un material. Debido a su enorme densidad de energía, el proceso de corte por láser es muy rápido. El espacio de corte no solo es extremadamente estrecho. Las zonas laterales afectadas por el calor en este proceso de separación también son tan mínimas que normalmente pueden despreciarse. Esto distingue el corte por láser del corte por llama, por ejemplo. Las placas separadas por sopletes de corte generalmente tienen que ser desbarbadas y luego fresadas para que sean utilizables. A pesar de las enormes ventajas en precisión, velocidad y protección del material, el corte por láser y la soldadura por láser solo ocuparon un nicho durante mucho tiempo. Una notable difusión de los sistemas de corte por láser y soldadura por rayo láser no tuvo lugar hasta mediados de la década de 1980. Antes de eso, estos sistemas solo se usaban en institutos de investigación y empresas especializadas.

Sobre todo, fueron los fabricantes de aeronaves los que lograron grandes avances con este innovador proceso de separación y unión. Sin embargo, el material utilizado como estándar en aviónica también juega un papel decisivo en esto: el Dural a base de aluminio, con una temperatura de fusión de solo 600 °C, es mucho más fácil de procesar que el acero utilizado en la ingeniería mecánica convencional. Con una temperatura de fusión de 1400 °C, requiere más del doble de energía para fundirse. Pero: para poder utilizar los sistemas de soldadura láser de manera eficiente también en la construcción de acero, el desvío a través de la soldadura de aluminio resultó ser ideal.

Conocimiento básico

Soldadura correcta: métodos de soldadura y diferencias con la soldadura.

Hoy en día, la soldadura por láser todavía no es un proceso de soldadura estándar. Sin embargo, hace tiempo que dejó atrás su condición de experimental. Los proveedores de servicios por contrato y los procesadores de chapa confían cada vez más en este proceso de alta tecnología, que sigue impresionando por su eficiencia, calidad y precisión.

El proceso de fabricación aditiva, que comenzó a extenderse hace casi 10 años, actualmente está alcanzando su punto máximo con la soldadura láser. Durante mucho tiempo, la impresión 3D solo estuvo disponible para cerámica y plásticos. Para fabricar objetos metálicos mediante tecnología de impresión 3D, la única opción que quedaba hasta hace unos años era utilizar estos materiales para la producción de machos de fundición. Sin embargo, la soldadura láser de polvo de metal ahora permite fabricar productos de cualquier forma mediante la impresión 3D. Este descubrimiento está proporcionando actualmente otro impulso a la soldadura por láser.

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La soldadura por rayo láser es un proceso en gran parte automatizado. No se puede comparar con los métodos tradicionales de soldadura guiada manualmente. Por lo tanto, este proceso de unión es un paso de producción muy seguro. Durante la soldadura por rayo láser, la pieza de trabajo se sujeta firmemente en un accesorio. El operador suele mantener una distancia. El único peligro para las personas presentes durante este procedimiento es mirar accidentalmente el rayo láser. Para este propósito, se desarrollaron gafas protectoras especiales que absorben, atenúan y dispersan la luz láser entrante. Siempre que todas las personas presentes presten atención a su equipo de protección personal, la soldadura por rayo láser es un proceso especialmente seguro.

La soldadura por rayo láser es un proceso de unión sin contacto. Siempre se realiza de forma automática. Los modernos sistemas de soldadura por rayo láser están equipados con un sistema de medición integrado, que verifica de forma independiente las dimensiones del componente fabricado. Esto hace que estos sistemas sean especialmente precisos, lo que constituye la base para garantizar una calidad constante.

Los costos siguen siendo la mayor desventaja de estos procesos innovadores. Depende en gran medida de qué y qué material se va a procesar con el sistema de soldadura por láser. Incluso los microsistemas simples utilizados, por ejemplo, para grabar anillos de boda pueden costar varios miles de euros. Las plantas nuevas de alto rendimiento rara vez cuestan menos de 100.000 euros, bastante más. Estos gastos se compensan con una excelente calidad de fabricación y alta productividad. De hecho, la soldadura láser se suele realizar a una velocidad mucho mayor que los procesos convencionales de soldadura eléctrica o de gas inerte.

La soldadura por rayo láser es básicamente muy simple: dos láminas cortadas con precisión se mantienen juntas. El láser funde los bordes de la chapa. La fusión fluye entre sí y la unión está completa.

La VdLB Verband deutscher Laseranwender – Blechbearbeitung eV (Asociación de usuarios alemanes de láser - Trabajo de chapa) representa los intereses de propietarios, directores generales y ejecutivos de empresas en el amplio mercado de procesamiento de materiales, en este caso, de chapa. Su objetivo es fomentar la cooperación en beneficio de todas las partes involucradas. La cooperación, el intercambio de experiencias a través del diálogo intensivo, la información técnica y la formación continua están en el centro.

Las láminas de aluminio se sueldan continuamente. En el caso de chapas de acero, especialmente de secciones transversales más gruesas, la soldadura de costura está precedida por la soldadura por puntos. Las grapas estabilizan las piezas de chapa y garantizan una precisión constante durante la unión.

Un sistema de soldadura láser consta de la óptica láser, una guía motorizada y, si es necesario, una mesa de trabajo. En cualquier caso, los productos semielaborados a soldar deben sujetarse firmemente para permitir una unión precisa. Por lo tanto, se hace una distinción entre sistemas de soldadura por láser móviles y estacionarios. En el caso de los sistemas móviles de soldadura por rayo láser, el dispositivo se acerca a un producto. Las máquinas de soldadura láser estacionarias tienen una mesa de trabajo con un dispositivo de sujeción. La inserción y sujeción de los sistemas de soldadura láser estacionarios es motorizada o automática. Sin embargo, el tamaño de la mesa de trabajo limita las dimensiones de los productos a procesar. Además de la óptica de soldadura y los servos que funcionan con precisión del brazo robótico, el sistema de control es el componente más importante de un sistema de soldadura por rayo láser. Guía el brazo a los puntos previstos y regula la duración y la intensidad del rayo láser.

El complemento ideal para un sistema de soldadura por láser es un sistema de corte por láser. Las formas precisas cortadas con láser proporcionan la geometría exacta que una máquina de soldadura por rayo láser puede usar para producir los mejores resultados posibles.

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Además de la precisión y el bajo aporte de calor, la velocidad de trabajo es una de las propiedades destacadas de la soldadura láser. En condiciones ideales, se puede soldar una costura sin fin larga y recta a una velocidad de hasta 60 m/minuto. Dado que la intensidad del rayo láser puede variarse, el impacto del material utilizado es menos determinante para la velocidad de trabajo de un sistema de soldadura por láser. Incluso las láminas gruesas se pueden unir con precisión en cuestión de segundos.

Para poder soldar un material, se debe alcanzar una temperatura justo por encima de su punto de fusión. En los procesos de soldadura convencionales, la temperatura de fusión del material es, por lo tanto, un factor limitante: no todos los materiales se pueden procesar con todos los procesos de soldadura. Solo la soldadura eléctrica tiene cierto alcance en cuanto a la intensidad del calor puntual que puede emitir en sus electrodos. La soldadura por rayo láser es diferente: de todos los procesos de soldadura, ofrece la mayor flexibilidad en términos de temperatura de soldadura. Esta descripción general de los materiales de uso común y sus puntos de fusión ilustra la gama de materiales que se pueden procesar mediante la soldadura por rayo láser:

En la práctica, se alcanzan temperaturas mucho más altas durante la soldadura por rayo láser. Sin embargo, este espectro muestra claramente cuán variable es este proceso de unión.

Ventajas de la soldadura láser

La alta precisión constante de la soldadura láser es su característica sobresaliente. Además de la costura particularmente fina, la entrada de baja temperatura es la ventaja más importante. A diferencia de la soldadura con protección de gas, donde el trabajo es lento y se aplica mucho calor, la soldadura láser es extremadamente rápida y mínimamente invasiva. Esto evita un calentamiento completo del material base. Por lo tanto, no tiene lugar una expansión térmica selectiva, lo que también evita la distorsión de la pieza de trabajo después del enfriamiento. Por lo tanto, no es necesario terminar la construcción soldada en un banco de enderezado después de la soldadura por rayo láser.

El haz uniforme y pulsado de soldadura láser también garantiza una costura particularmente limpia. Los cordones de soldadura o las rebabas, que a menudo son inevitables en la soldadura eléctrica o con protección de gas, no se producen en este proceso de unión. Finalmente, cualquier material soldable se puede procesar en una máquina de soldadura por láser. De todos los procesos de unión, la soldadura láser ofrece la gama más amplia de materiales que se pueden procesar. El vidrio o el plástico, por ejemplo, no se pueden unir en absoluto mediante ningún otro proceso.

Conocimiento básico

Desengrasado de chapas y piezas metálicas - ventajas y posibilidades

Desventajas de la soldadura láser

Una desventaja importante de la soldadura por rayo láser es el alto costo del equipo. Esta inversión debe estar muy bien pensada. El retorno de la inversión ya debería estar razonablemente asegurado antes de la compra, de lo contrario, un sistema de soldadura por láser puede convertirse rápidamente en un negocio con pérdidas. Por lo tanto, si un proveedor de servicios por contrato considera incluir un sistema de soldadura por láser en su parque de máquinas, se recomienda una inversión correspondientemente alta en una campaña de marketing adecuada. La soldadura por láser está respaldada por el hecho de que las exigencias de los clientes en cuanto a tolerancias en la producción aumentan constantemente. Es de esperar que los procesos de soldadura convencionales ya no sean adecuados para muchas aplicaciones. Por lo tanto, una inversión en soldadura láser sigue siendo un riesgo, aunque cada vez más manejable.

Un factor limitante para la soldadura por láser es el tipo de aplicación: el funcionamiento de un sistema de soldadura por láser es comparable al de una fresadora CNC. Es cierto que una operación incorrecta no puede causar un daño tan tremendo como una máquina de corte mal programada. Sin embargo, se requiere una educación bien fundamentada, un conocimiento básico matemático-técnico y una familiarización profunda para poder manejar una máquina de soldadura láser de manera eficiente.

Por otro lado, los riesgos para la salud asociados con la soldadura por rayo láser son menores. No hace falta decir que la soldadura láser de aluminio requiere un potente sistema de extracción. También debe tenerse en cuenta mantener la distancia con la cinemática impulsada por motor. Los operadores deben mantenerse alejados del área de trabajo de un brazo robótico activo. Este es un hecho básico al tratar con procesos de fabricación modernos y automatizados. Después de todo, la soldadura láser básicamente requiere el uso de gafas de seguridad láser. Esto evita accidentes causados ​​por mirar directamente a la luz láser. Si se observan estas reglas de seguridad, la soldadura por láser no presenta ningún peligro particular.

Soldadura láser de chapas

La soldadura describe la unión de materiales por medio del calor. Las láminas delgadas generalmente son más adecuadas para la soldadura de costura de superficie completa que las láminas gruesas. Hoy en día, la soldadura láser puede procesar espesores de material asombrosos. Debido a su temperatura de soldadura variable, es relativamente insensible a los tipos individuales de metal. Independientemente de si se va a soldar acero inoxidable, acero estructural, cobre u otros tipos de láminas de metal, la soldadura por rayo láser domina esta tarea con una precisión constante. Los únicos requisitos previos son un espacio de soldadura lo suficientemente estrecho y una temperatura y frecuencia de soldadura ajustadas con precisión. Si el espacio de unión es demasiado grande, aún se puede lograr un resultado satisfactorio mediante deposición o soldadura de relleno, incluso con el proceso de soldadura por láser.

Soldadura láser de aluminio

Cuando se suelda aluminio con láser, solo se puede soldar una aleación de aluminio y manganeso sin material de relleno. Todas las demás aleaciones solo se pueden soldar con láser con la ayuda de aditivos. Esto se aplica en particular a los compuestos de aluminio y silicio. Las aleaciones de aluminio con manganeso solo se pueden procesar de forma limitada mediante soldadura láser.

La soldadura láser se utiliza cada vez más. Las áreas típicas son:

La soldadura láser es popular en la fabricación de herramientas debido a su precisión. Por lo tanto, está en competencia directa con el proceso de erosión. La fabricación de herramientas precisas de punzonado, prensado y fundición mediante soldadura láser aditiva o sustractiva es la respuesta a los retos de la industria 4.0.

En la industria automotriz, la soldadura láser se utiliza debido a su modo de operación sin herramientas. A diferencia de la soldadura eléctrica, la soldadura láser no requiere una limpieza o sustitución constante de los cabezales. La construcción de acero está experimentando dimensiones completamente nuevas en términos de precisión y productividad a través de la soldadura láser. El procesamiento rápido de chapas gruesas con altas tolerancias ya no es una ficción gracias a la soldadura por rayo láser. Esto también se aplica a la construcción naval: allí, sobre todo, las piezas fabricadas con precisión, como timones, tornillos de control y de accionamiento, alcanzan la tolerancia deseada mediante soldadura láser. El resultado son velocidades más altas y un menor consumo de combustible de los barcos.

Fundamentos

¿Cómo funciona el conformado de chapa?

Gracias al proceso de soldadura por láser sin herramientas, el desgaste de los sistemas es comparativamente bajo. En la soldadura por láser, el cabezal de la herramienta se mueve a lo largo de la trayectoria deseada prácticamente sin contacto. La transferencia a la pieza de trabajo se realiza a través del aire. Por lo tanto, la guía y el cojinete del brazo del robot apenas están expuestos a un desgaste significativo. Sin embargo, la óptica del láser está expuesta a un estrés tremendo. Las altas temperaturas aplicadas aquí se generan al concentrar la luz. Si se ofrecen sistemas particularmente económicos para la soldadura por láser, esto generalmente se debe a la falta de una óptica o a una defectuosa. Entonces sigue siendo una cuestión de cálculo: con una apariencia nueva y un generador láser revisado, un sistema de soldadura láser usado es casi tan bueno como uno nuevo.

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Este artículo fue publicado por primera vez por belchnet.

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