Lo que hace que la fabricación de metales por láser sea una herramienta indispensable

Un rayo láser es una cosa notable. Un rayo láser de potencia continua tiene densidades de energía más de 4 billones de veces más altas que la energía enfocada del sol, y los fabricantes han determinado formas de utilizar esta densidad de potencia extraordinariamente alta para hacer de todo, desde cortar y soldar láminas de metal hasta perforar agujeros en placas de circuito impreso.

Los láseres pueden cortar, unir y sustraer material. Incluso pueden agregar material mediante deposición de metal con láser o impresión 3D. Podemos variar los niveles de potencia, las frecuencias de los pulsos y las densidades de energía a través de la manipulación del diámetro del haz, entre otras formas, todo para que el haz láser pueda inducir las reacciones materiales correctas para varios procesos. Verdaderamente, el uso del láser en la industria es vasto y variado.

Diferentes materiales interactúan de manera diferente con varias longitudes de onda de luz, lo que hace que algunas fuentes de láser sean más eficientes para procesar ciertos materiales que otros. Por ejemplo, uno de los beneficios conocidos del corte de metal para aplicaciones industriales con láseres de longitud de onda de 1 μm es el aumento de la velocidad en comparación con el corte con láseres de CO2. Gran parte de esto proviene de la alta absorbencia de esa longitud de onda de luz en, por ejemplo, acero al carbono (verFigura 1 ). Un pequeño haz de luz absorbido de manera efectiva en el acero que se está cortando se traduce directamente en velocidades más altas cuando se corta por fusión (es decir, se corta con un gas no reactivo como el nitrógeno) en acero al carbono.

Durante el corte con un láser de estado sólido como un disco o fibra, el diámetro del haz enfocado, combinado con el alto porcentaje de absorción de la emisión del láser, permite velocidades de corte muy rápidas. Este aumento de rendimiento sobre el CO2 se observa principalmente en materiales delgados a medianos, y la ventaja se reduce a medida que crece el espesor del material. El diámetro del haz se puede controlar hasta cierto punto a través de cosas tales como la colimación de la luz o cambiando la posición de la lente de enfoque (verFigura 2), pero hay un límite en cuanto a qué tan grande o pequeño se puede producir un haz.

El rango del diámetro del haz está determinado por el tamaño de la fibra de entrega del haz (verfigura 3 ). Una fibra de entrega de haz de 100 μm es común para los láseres que se usan para cortar láminas de metal. Este diámetro de núcleo ofrece una alta calidad de haz y altas velocidades de corte. A medida que aumenta el grosor del material, el tamaño de punto muy pequeño se convierte en una desventaja, lo que limita el rendimiento, la calidad del corte y la confiabilidad del proceso.

Para mitigar esto, es posible elegir un diámetro de núcleo más grande. La desventaja de esto, por supuesto, es que el diámetro mínimo del haz se vuelve mucho más grande que lo que puede proporcionar el núcleo más pequeño. Aunque la calidad y la confiabilidad del proceso mejoran sustancialmente, la velocidad en materiales más delgados se ve comprometida.

Aquí es donde la fibra de doble núcleo puede ayudar. Un núcleo de pequeño diámetro se instala coaxialmente a un núcleo de gran diámetro. Un obturador programable cambia qué núcleo está activo. Dicha fibra está diseñada para hacer que un sistema de corte por láser logre altas velocidades en materiales delgados y alta calidad y confiabilidad en materiales más gruesos.

El diámetro del haz cumple otra función cuando se suelda. Si bien no es nueva de ninguna manera, la soldadura por láser tiene mucho atractivo, tanto en los talleres de trabajo como en los OEM, debido a su potencial de ahorro de costos debido a la menor cantidad de reprocesos; mayor flexibilidad de ingeniería; y la eliminación de procesos posteriores costosos y que consumen mucho tiempo, como esmerilado y pulido.

En láminas de metal, la soldadura láser se produce de dos formas principales: soldadura por conducción de calor y soldadura por penetración profunda. La soldadura por conducción de calor utiliza un haz fuertemente desenfocado situado sobre la pieza de trabajo. La posición de enfoque del haz suele oscilar entre 6 y 12 mm por encima de la superficie de la pieza de trabajo, pero puede alcanzar una altura de 25 mm. El proceso calienta el metal por encima de su temperatura de fusión sin formación de vapor. Las densidades de potencia oscilan entre 104 y 105 W/cm2 y dependen de la conductividad térmica del metal; el carbono y el acero inoxidable son más fáciles de soldar con esta técnica que el aluminio, por ejemplo.

Si bien la soldadura por conducción de calor presenta una costura de soldadura altamente estética, colocada perpendicular (90 grados) al rayo láser, aunque hay cierta flexibilidad angular con un compromiso con la profundidad de penetración, la eficiencia del proceso es algo pobre. Cuando el proceso utiliza un láser de estado sólido que produce una luz de 1 μm, el 68 % de la energía se refleja en el área irradiada de la pieza de trabajo, lo que da como resultado una eficiencia de acoplamiento baja que restringe la profundidad de penetración y la velocidad de soldadura. Con un láser de CO2, el acoplamiento es aún más pobre con el 88 por ciento de la luz reflejada en el área irradiada, lo que hace que la soldadura por conducción de calor con un láser de CO2 sea poco práctica.

Figura 1La energía de la longitud de onda de 1 micra del disco y el láser de fibra ayudan a aumentar las velocidades de corte durante el corte por fusión.

A pesar de algunas limitaciones, la soldadura por conducción de calor sigue siendo muy popular entre los fabricantes, especialmente en aplicaciones muy visibles donde se requiere un borde redondeado. Piense en todos los electrodomésticos de acero inoxidable en su cocina, o eche un vistazo a la cocina de un restaurante y eche un vistazo a todas las superficies de acero inoxidable. Mire de cerca y es posible que vea marcas de esmerilado y radios inconsistentes de todo el reacabado manual que se dedica a tratar los problemas creados por la soldadura convencional.

Mire esas mismas piezas producidas con soldadura por conducción de calor con un láser, y notará que esos problemas desaparecen. Esto realmente lleva a casa el interés cada vez mayor en la soldadura por láser, particularmente en entornos donde la norma es una gran cantidad de reelaboración.

Con la misma fuente de láser y sistema de emisión de haz, es posible manipular la densidad del haz y la posición de enfoque para soldar con la segunda técnica. La soldadura de penetración profunda, o soldadura de ojo de cerradura, utiliza una posición de enfoque de aproximadamente 0; es decir, el foco está en o cerca de la superficie del material, creando una alta densidad de energía en la pieza de trabajo. Si bien la eficiencia del acoplamiento es relativamente baja en la soldadura por conducción de calor, con la soldadura de ojo de cerradura es bastante alta con fuentes de láser de estado sólido y de CO2; la eficiencia de acoplamiento es 10 y 15 por ciento, respectivamente.

El proceso calienta la pieza de trabajo por encima de la temperatura a la que se produce la formación de vapor y forma un capilar de vapor a través de la presión de ablación del vapor de metal que sale, creando el "ojo de cerradura" que da nombre al proceso. Las densidades de potencia son de 105 a 106 W/cm2, y la profundidad de penetración depende de la formación del ojo de cerradura.

Esta técnica de soldadura ofrece altas velocidades de soldadura, una zona afectada por el calor estrecha y una profundidad de penetración de soldadura sustancial. Debido a la baja transferencia de energía y la gran profundidad de penetración, la soldadura de penetración profunda es mucho más adecuada para materiales gruesos o cuando la preparación de la soldadura es de superficie a superficie o de superficie a borde. La preparación ideal de la costura es una junta a tope de borde a borde, aunque el proceso de ojo de cerradura por lo general puede funcionar bien para una variedad de configuraciones de juntas.

Para elegir entre soldadura por conducción de calor y soldadura de penetración profunda, la aplicación determina la selección. Aunque podría decirse que una soldadura por conducción de calor se ve mejor, el simple hecho es que la soldadura de penetración profunda generalmente será la más económica de las dos opciones, principalmente gracias a su alta velocidad de soldadura. Dicho esto, aún puede beneficiarse de la velocidad y la baja transferencia de energía de la soldadura de penetración profunda y, al mismo tiempo, obtener ese borde agradable y uniformemente redondeado exclusivo de la soldadura por conducción de calor. Simplemente pase por encima de la costura ya soldada con el ojo de la cerradura con el haz en una posición de enfoque más alta.

El láser sigue resolviendo cada vez más problemas de fabricación, y las variables del proceso, como el diámetro del haz y la manipulación, siguen teniendo un impacto significativo. Desde cortar y soldar hasta agregar capas de material o quitarlas, los avances en la tecnología láser seguramente serán un componente clave del éxito en la Cuarta Revolución Industrial.

Brett Thompson es ingeniero de ventas de TRUMPF Inc., 111 Hyde Road, Farmington, CT 06032, 860-255-6000, www.us.trumpf.com.

La última tecnología nos da una idea de cuán verdaderamente vasto es el potencial del láser para la fabricación de metal y más allá. Considere los láseres de duración de pulso ultracorto. Para dar una idea de la escala, la luz viaja a 186 000 millas por segundo. En un segundo, la luz puede recorrer la circunferencia de la Tierra 7,5 veces. ¡En un picosegundo, la luz viaja solo 300 μm! Si la duración de la absorción del material que se procesa es menor que la del tiempo de interacción electrón-fonón, se produce la ablación en frío; el metal no se calienta ni se funde, sino que se disocia por completo.

La ablación en frío tiene aplicaciones en metal y en varios otros materiales, incluido el vidrio. En la mayoría de los casos, el vidrio se procesa con un proceso de escritura y rotura, en el que la fuerza rompe el material en las líneas de escritura, o la ablación de la superficie con láser ultravioleta (UV).

Figura 2El diámetro del haz se puede controlar hasta cierto punto cambiando la posición de la lente de enfoque.

¿Por qué láseres UV? Tiene que ver con la absorción. En condiciones normales, un material transparente no absorbe un fotón de luz infrarroja (~1 μm). Aquellos de nosotros que hemos intentado cortar materiales transparentes o recubrimientos en un disco o láser de fibra somos muy conscientes de esto. Es por eso que los procesadores de vidrio han utilizado láseres UV, pero también pueden adoptar un enfoque alternativo: absorción de luz no lineal a través de láseres con duraciones de pulso ultracortas.

Nuevamente, bajo condiciones de absorción lineal, el material transparente no absorbe fotones. Pero en la absorción de luz no lineal, varios fotones se absorben simultáneamente, combinando su energía y permitiendo que un IR (como un disco o fibra) haga el trabajo de un láser UV.

Esto se logra alcanzando esas duraciones de pulso ultracortas. Combinan energía con la ablación realizada no por procesos térmicos sino por disociación directa del material. Esta ablación en frío permite un procesamiento mucho más preciso de los materiales. Este proceso, combinado con la óptica que crea un perfil de haz alargado, permite que el láser alcance velocidades de corte extremadamente altas en material transparente.

figura 3El diámetro de la fibra de entrega determina el rango del diámetro del haz.