Combinación de soldadura por haz de láser y soldadura por haz de electrones
Tener tecnologías de rayo láser y rayo de electrones en una sola operación puede agilizar el proceso de fabricación cuando el diseño de un componente incorpora múltiples uniones de soldadura adaptadas por separado para un enfoque.
Los ejemplos incluyen sensores, dispositivos médicos y productos que requieren un gas inerte o vacío para ser sellados dentro de la pieza terminada.
La soldadura por láser es necesaria cuando el tamaño del ensamblaje final es demasiado grande para una cámara de soldadura por haz de electrones, algún componente de un ensamblaje es incompatible con el procesamiento al vacío (como un líquido o un gas) o cuando la soldadura es inaccesible para una fuente de haz de electrones. .
La soldadura por haz de electrones será la opción principal cuando el ensamblaje completo deba sellarse con componentes internos al vacío, cuando las penetraciones de soldadura superen las 0,5 pulgadas, cuando el material sea un desafío para iniciar el acoplamiento láser o cuando la soldadura no deba exponerse a la atmósfera. condiciones hasta que se haya enfriado a una temperatura aceptable. Algunos ejemplos son la soldadura aeroespacial de titanio y sus aleaciones y muchos metales refractarios, como el tungsteno, el niobio, el renio y el tántalo.
Ventajas de la soldadura por haz de láser y la soldadura por haz de electrones combinadas
Herramientas más sencillas y tiempos de ciclo más cortos
Las fuentes de energía de soldadura láser utilizan una onda continua (CW) o una salida pulsada de fotones. El rayo láser siempre está encendido con los sistemas CW durante el proceso de soldadura. Los sistemas pulsados se modulan para generar una serie de pulsos con un tiempo de inactividad entre esos pulsos.
El rayo láser se enfoca ópticamente en la superficie de la pieza de trabajo que se va a soldar con ambos métodos. Estos rayos láser pueden enviarse directamente a la pieza a través de la óptica dura clásica o a través de un cable de fibra óptica altamente flexible capaz de enviar la energía láser a estaciones de trabajo distantes.
Salida de energía y fuente de calor
La alta densidad de energía del láser permite que la superficie del material alcance rápidamente su temperatura de liquidus, lo que permite un tiempo de interacción del haz corto en comparación con los métodos de soldadura tradicionales como GTAW (soldadura TIG) y procesos similares.
Por tanto, se da menos tiempo a la energía para disiparse en el interior de la pieza de trabajo. Esto da como resultado una zona afectada por el calor estrecha y menos carga de fatiga para el componente.
La salida de energía del haz puede ser altamente controlada y modulada para producir perfiles de pulso arbitrarios. Las costuras de soldadura se pueden producir mediante la superposición de pulsos individuales, lo que reduce la entrada de calor al introducir un breve ciclo de enfriamiento entre pulsos, una ventaja para producir soldaduras en materiales sensibles al calor.
Un desarrollador de aplicaciones de revestimiento láser, haz de electrones y soldadura láser señaló que los láseres CW pueden lograr penetraciones de hasta 0,5 pulgadas y más, mientras que los láseres pulsados generalmente alcanzan solo 0,030-0,045 pulgadas. Estos resultados pueden variar entre los sistemas láser y dependen en gran medida de la elección de los parámetros de procesamiento y el diseño de la unión.
Dado que la fuente de calor en este tipo de proceso de soldadura es la energía de la luz, se debe considerar la reflectividad del material de soldadura. Por ejemplo, el oro, la plata, el cobre y el aluminio requieren un aporte de energía más intenso. Una vez fundido, la reflectividad se reduce y la conductancia térmica del proceso progresa para lograr la penetración.
Zona afectada por el calor
Como se señaló, la alta densidad de potencia del láser da como resultado pequeñas zonas afectadas por el calor y garantiza que los componentes críticos no sufran daños.
Esto es ventajoso para instrumentos quirúrgicos, componentes electrónicos, conjuntos de sensores y otros dispositivos de precisión.
A diferencia de EBW, LBW no genera rayos X y es fácil de manipular con automatización y robótica.
En general, LBW también tiene requisitos de herramientas más sencillos, y no hay restricciones físicas debido al trabajo con una cámara de vacío. Los tiempos de ciclo más cortos se traducen en ventajas de costos sin sacrificar la calidad.
Mayor pureza, penetración de soldadura más profunda
Ampliamente aceptado en muchas industrias, EBW hace posible soldar metales refractarios y diferentes que normalmente no son adecuados para otros métodos de soldadura. La pieza de trabajo es bombardeada con una corriente enfocada de electrones que viajan a una velocidad extremadamente alta. La energía cinética de los electrones se convierte en energía térmica, que es la fuerza impulsora de la fusión. Por lo general, no se requiere ni se utiliza material de relleno adicional, y la distorsión posterior a la soldadura es mínima. Además, la densidad de energía ultra alta permite una penetración profunda y relaciones de aspecto altas. Al mismo tiempo, un entorno de vacío garantiza una soldadura libre de contaminación por gas atmosférico que es fundamental para metales como el titanio, el niobio, los metales refractarios y las superaleaciones a base de níquel.
Soldadura en ambiente de vacío
Sin embargo, la necesidad principal para operar bajo vacío es precisamente controlar el haz de electrones. La dispersión ocurre cuando los electrones interactúan con las moléculas de aire; la reducción de la presión ambiental permite que los electrones estén más estrictamente controlados.
Las cámaras de vacío modernas están equipadas con sellos de última generación, sensores de vacío y sistemas de bombeo de alto rendimiento capaces de una rápida evacuación.
Estas características hacen posible enfocar el haz de electrones a diámetros de 0,3 a 0,8 mm.
Combinación con sistemas CNC
Al incorporar el último control numérico por computadora (CNC) con microprocesador y sistemas de monitoreo para una manipulación superior de las piezas, se pueden unir piezas de varios tamaños y masas sin la fusión excesiva de los componentes más pequeños. Además, el control preciso tanto del diámetro del haz de electrones como de la velocidad de desplazamiento hace posible fusionar materiales desde 0,001 pulgadas hasta varias pulgadas de espesor. Estas características hacen de EBW una tecnología extremadamente valiosa.
El proceso pone un calor mínimo en la pieza de trabajo, lo que produce la menor cantidad posible de distorsión y permite que los componentes mecanizados de acabado se unan sin procesamiento adicional.
Aplicaciones típicas y ventajas de la soldadura por haz de electrones
EBW es un proceso que estará en uso durante mucho tiempo. Dado que la mayoría de las soldaduras EB se realizan dentro de una cámara de vacío, es una excelente opción para unir materiales avanzados utilizados en industrias como la aeroespacial, de generación de energía, médica y nuclear, que deben producirse en un entorno de vacío para protegerlos del oxígeno y nitrógeno que se encuentra en un ambiente al aire libre.
La limpieza del entorno de soldadura es una variable de la que no tiene que preocuparse.
Además de proporcionar el entorno de soldadura ideal, los nuevos controles de soldadura EB permiten una rápida desviación electromagnética del haz, lo que permite personalizar la entrada de calor de la soldadura y el área circundante para obtener propiedades óptimas del material.
Por ejemplo, esta desviación rápida permite el precalentamiento, la soldadura y el poscalentamiento simultáneamente mediante el movimiento rápido de la ubicación, el enfoque y los niveles de potencia del haz. Además, esto proporciona la capacidad de soldar aleaciones difíciles o “imposibles de soldar”.
Un área en la que EBW está encontrando una aplicación cada vez mayor es la fabricación de turbocompresores para motores diésel, que están ganando popularidad debido a su gran potencial para mejorar la eficiencia del motor. Los turbocompresores se utilizan para prepresurizar el aire que entra en el motor diésel a niveles superiores a los atmosféricos, proporcionando así más oxígeno para el proceso de combustión.
Muchos motores de vehículos comerciales y turismos modernos están equipados con turbocompresores. Los fabricantes de estas unidades habían utilizado convencionalmente técnicas de soldadura por fricción de inercia para unir la rueda de Inconel de fundición de inversión al eje de acero al carbono. Aunque este método de unión producía una unión de resistencia adecuada, las operaciones de maquinado, pulido y tratamiento térmico posteriores a la soldadura eran costosas y requerían mucho tiempo. Como resultado, varios fabricantes líderes de turbocompresores han adoptado un proceso de soldadura alternativo que utiliza EBW.
Las piezas EBW requieren un mínimo de mecanizado posterior a la soldadura y tratamiento térmico y, a diferencia de otros procesos de soldadura por fusión. EBW no requiere gases de protección y la calidad de la soldadura es excepcional. El proceso de soldadura es excepcionalmente eficiente (típicamente 95%), todos los parámetros están cuidadosamente controlados y el proceso completamente automatizado.
Uso de soldadura por haz de electrones con soldadura por láser
LBW se usa comúnmente para soldar componentes de chapa de acero y componentes mecanizados de menos de 0,33 a 0,50 pulgadas de espesor. La soldadura por láser también es útil para unir piezas que no son aptas para el procesamiento dentro de una cámara de vacío.
Algunas piezas y accesorios de soldadura asociados pueden ser demasiado grandes para caber en las cámaras de soldadura por haz de electrones disponibles. Además del tamaño, si los componentes que se sueldan contienen líquidos que podrían interferir con el bombeo al vacío, la soldadura por láser sería una buena opción.
Lleva minutos evacuar una cámara de soldadura EB y ese tiempo puede no valer la pena para una soldadura menos sensible.
Supongamos que los componentes son muy valiosos y están hechos de un material que se beneficiaría del entorno de vacío, como las aleaciones de titanio y níquel. En ese caso, las soldaduras son más profundas que 0,33 a 0,50 pulgadas, o si el rayo láser tiene dificultad para acoplarse con el material que se está soldando, como las aleaciones de aluminio, la soldadura EB suele ser el proceso de elección sobre la soldadura láser.
El ejemplo de los componentes de turbinas de gas es donde se utilizan soldaduras EB para soldaduras más profundas y soldaduras que requieren una distorsión mínima. El mismo ensamblaje también tenía soldaduras láser solicitadas para los detalles de la cubierta de chapa.
Si bien cada tecnología tiene sus beneficios, en términos prácticos, muchos diseños de componentes incorporan soldaduras EB y láser. En estos casos, realizar ambos tipos de soldadura en la misma instalación agiliza el proceso de fabricación.