Soldadura por láser

Puede utilizarse en una gran variedad de materiales, como metales, plásticos, cerámica y vidrio, y también es posible unir componentes de materiales heterogéneos.
Tiene aplicación en la fabricación de diversos equipamientos y máquinas, desde la industria del automóvil hasta la electrónica, desde los dispositivos médicos hasta la joyería, desde el sector médico hasta los sectores de la energía, el petróleo y el gas, la construcción, etc.

Breve historia del láser

En 1917, Albert Einstein desarrolló la teoría de la emisión estimulada, describiéndola como una de las formas en que la luz interactúa con la materia.

El 16 de mayo de 1960, en los laboratorios de Hughes Research en Malibú (California), el ingeniero electrónico estadounidense Theodore H. Maiman creó la primera aplicación láser utilizando un cristal de rubí sintético.

En diciembre de 1960, en los Bell Labs (Nueva Jersey), A. Javan, W.R. Bennett y D.R. Herriott desarrollaron el primer láser de gas utilizando una mezcla de Helio-Neón (He-Ne) bombeada mediante descargas eléctricas.

Principio de la soldadura láser

El haz o rayo de láser, generado por fuentes de diversos tipos, pasa a través de una lente de enfoque para concentrar energía térmica de muy alta densidad en un punto de procesamiento específico. Las fuentes láser pueden ser sólidas (Nd: YAG, fibra), gaseosas (láser de CO₂) o de diodo. En el caso de los láseres de CO₂, se utilizan mezclas de gran pureza de helio, dióxido de carbono y nitrógeno para generar el haz. En el caso de materiales metálicos, independientemente de la fuente de láser, se precisa de un gas de asistencia tanto para la soldadura como el corte.

Enfoque en sistemas híbridos: Láser-TIG y Láser-Plasma

En ocasiones, se implementan soluciones tecnológicas híbridas que, de hecho, combinan las ventajas de dos tecnologías en producciones específicas. A continuación, se presentan algunos ejemplos.

Sistemas Híbridos Láser-TIG

Se trata de la combinación de la soldadura láser con TIG (Tungsten Inert Gas) para aumentar la penetración y mejorar la calidad de la unión.

• Aplicaciones: se utiliza en la construcción de tanques, tuberías y en el sector automotriz.
• Ventajas: combina la precisión del láser con la capacidad de la tecnología TIG para trabajar con tolerancias más amplias y gestionar de mejor manera los defectos de preparación de las piezas.

Últimamente se utilizan mucho los sistemas láser de fibra muy compactos, adecuados para el procesamiento semiautomático, pero cada vez más también manual, como alternativa válida a los sistemas tradicionales por arco (MIG/MAG, TIG) o plasma.

Sistemas Híbridos Láser-Plasma

Esta técnica se emplea en la soldadura de estructuras complejas y materiales de alta resistencia en sectores como la construcción naval y el aeroespacial.

• Ventajas: la combinación de láser y plasma permite soldar espesores mayores a velocidades más elevadas, garantizando al mismo tiempo una soldadura de alta calidad.

Ventajas de la soldadura láser

La soldadura láser ofrece numerosas ventajas con respecto a las técnicas más tradicionales, como la soldadura por arco.

• Control de la zona afectada por el calor: debido a la alta densidad de potencia, el calor se aplica en una menor superficie, y se consigue aumentar la penetración y a la vez disminuir las deformaciones, y por lo tanto las tensiones térmicas de soldadura. Posibilidad de soldar desde pequeños espesores (décimas de mm) hasta grandes espesores (para aceros de hasta 30 mm) en una sola pasada, con o sin material de aportación.
• Alta repetibilidad y calidad de las uniones soldadas.
• Cordones de soldadura de gran compacidad, resistentes, de buen aspecto y sin contaminación.
• Capacidad para soldar una amplia gama de materiales (incluidas juntas entre materiales distintos).
• Proceso más rápido y mayor velocidad de transferencia que otras técnicas.

Además, la soldadura láser puede realizarse sin problemas incluso en piezas que hayan sufrido un mecanizado o tratamiento térmico previo.

¿Cuáles son las aplicaciones típicas de la soldadura láser?

Gracias a su flexibilidad, la soldadura láser ofrece soluciones para una amplia gama de industrias. A continuación repasamos algunas aplicaciones típicas de la soldadura láser:

• Automoción: Soldadura de componentes de chasis y carrocería, sistemas de escape, baterías para vehículos eléctricos, airbags y sensores.
• Aeroespacial: Soldadura de componentes estructurales, turbinas, depósitos de combustible y piezas de motores.
• Electrónica: Soldadura de placas de circuitos impresos, carcasas metálicas, conectores y microcomponentes.
• Medicina: Soldadura de instrumentos quirúrgicos, implantes médicos, instrumentos de diagnóstico y componentes de equipos médicos.
• Sector de la energía y las baterías: Soldadura de células de baterías, módulos fotovoltaicos y componentes de turbinas eólicas.
• Joyería y relojería: Soldadura de pequeños componentes metálicos, reparación de joyas y relojes de precisión.
• Petróleo y gas: Soldadura de tuberías, tanques, plataformas marinas, válvulas y accesorios.
• Fabricación de tuberías y postes soldados: Soldadura longitudinal y circunferencial de tuberías y postes para infraestructuras, construcción, transporte de fluidos y gas.

¿Qué tipos de materiales se pueden soldar con láser?

A continuación se enumeran los materiales más comunes que pueden soldarse por láser:

• Metales: aluminio, cobre, latón, acero, titanio y níquel. El proceso puede utilizarse para unir componentes de espesores muy diferentes, debido a la geometría especial de la soldadura y al menor impacto del gradiente térmico en la propia unión. Estas características amplían la gama de opciones de soldadura en comparación con otros métodos de soldadura industrial térmica o eléctrica.
• Plásticos: determinados termoplásticos, incluidos el policarbonato, el nailon y el ABS. El bajo calentamiento y la fusión muy localizada permiten obtener soldaduras de calidad.
• Cerámica: algunas cerámicas (especialmente la alúmina y la circonia) pueden soldarse por láser. Estas y otras cerámicas pueden fusionarse por láser de forma mucho más sencilla que con otras fuentes de calor.
• Materiales composites: los plásticos reforzados con fibra de carbono (CFRP) se prestan a esta técnica. También hay éxitos iniciales en la soldadura por láser de piezas metálicas a compuestos de fibra de carbono.
• Vidrio: la soldadura láser de vidrio es un proceso que permite ensamblar vidrio en diversas configuraciones (transparente, de borde a borde).

¿Qué gases de asistencia elegir para la soldadura láser?

Principio: la soldadura por láser, siempre requiere un gas de asistencia. Sólo en el caso de las fuentes láser de CO₂ es necesario utilizar las denominadas mezclas de gases de resonador de láser (normalmente a base de Helio, Nitrógeno y CO₂, a veces con la adición de gases raros y CO) cuya función es generar el haz láser.

Para una correcta elección del gas de asistencia de soldadura es necesario considerar el tipo de metal, la geometría y el grosor de la unión o los requisitos económicos/de producción. En concreto, los gases tienen varias funciones, como proteger el baño de soldadura de contaminantes, y mejorar la calidad de la soldadura. A continuación se describen los gases utilizados para diferentes metales y aleaciones, con sus ventajas:

• Argón: es por excelencia el gas «universal » del soldador profesional adecuado para todos los materiales, espesores y geometrías. Es totalmente inerte, por lo que no reacciona con el metal fundido. Evita la formación de óxidos y otras contaminaciones del baño de soldadura.
• Nitrógeno: a veces se utiliza para los aceros, a pesar del riesgo de formación de nitruros que pueden tener el efecto contrario, es decir, aumentar la dureza y la fragilidad, lo que, para determinadas juntas, pueden ser efectos indeseables.
• Mezclas de argón y helio: en el caso de láseres CO₂, cuando la potencia es mayor de 3 kW, hay que empezar a mezclarlo con Helio, para evitar la ionización del gas de la zona de soldadura, ya que el gas ionizado evita la transferencia de la potencia del haz a las chapa.
• Helio: en el caso de láseres CO₂ y de potencias mayores de 8 kW, es necesario usar He, para evitar la ionización del gas de la zona de soldadura.

En cualquier caso, la elección del gas o de la mezcla debe hacerse teniendo en cuenta los requisitos de pureza del proceso.

Para esta aplicación, Air Liquide ofrece productos de las gamas ARCAL™ (ARCAL™ Prime, ARCAL™ 32, ARCAL™ 35, ARCAL™ 37) y LASAL™ (LASAL™ 1, LASAL™ 4, LASAL™ 2001).