Rendimiento de soldadura láser pulsada
El rendimiento de un láser pulsado depende de la energía del pulso, la duración del pulso, la altura del pulso y la tasa de repetición.
La energía del pulso es la energía por pulso del láser, y la longitud del pulso es la duración de un pulso.
La altura de un pulso láser es la potencia máxima del láser medida en kW, mientras que la tasa de repetición es el número de pulsos por segundo.
Estos factores están controlados por fuentes de alimentación que entregan picos de potencia elevados durante pulsos de láser individuales, lo que los hace capaces de ofrecer mayores capacidades de procesamiento de materiales de lo que podría indicar su clasificación de potencia promedio.
En la década de 1980, GSI Lumonics desarrolló la primera fuente de alimentación de CC de modo conmutado para láseres pulsados. Este sistema creó casi cualquier forma de onda de pulso a través del control del software.
En ese momento, la creación de una forma de pulso consistente se consideraba una innovación importante. Los YAG pulsados más antiguos tenían fuentes de alimentación de descarga de condensadores.
Cambiar la duración del pulso del láser implicó conectarlo a diferentes condensadores e inductores llamados una red de formación de pulsos, que producía diferentes duraciones de pulso. Las formas variaban con el voltaje del capacitor y no se podían adaptar de manera confiable. Pero el control de la potencia y la duración del pico del pulso en tiempo real introduce lo que ahora se conoce como «moldeado de pulso».
También escribimos extensamente sobre la soldadura láser en general en nuestro artículo separado.
Conformación de pulso
“Dar forma” a un pulso es simplemente agregar sectores de altura y ancho específicos a un sector principal estándar para construirlo, similar a tomar bloques de construcción de diferentes tamaños y alinearlos uno al lado del otro para crear “forma”.
La forma de pulso estándar tiene un solo sector llamado sector principal, mientras que los pulsos con forma tienen dos o más sectores.
En un pulso con forma, el sector principal es siempre el último sector; todos los sectores adicionales solían ocurrir al comienzo del pulso.
La longitud de cada sector añadido varía de 0,3 a 20 ms en incrementos de 0,1 ms. La altura de cada sector se ajusta del 0 % al 100 % de la potencia máxima especificada del láser.
Las energías requeridas para la soldadura por láser pulsado dependen de las formas de los pulsos.
Secciones transversales de soldadura de diferentes configuraciones de láser pulsado. Fuente: researchgate.net
Si se agregan sectores adicionales para enfriamiento lento o limpieza de superficies, entonces la energía en esos sectores adicionales no aumenta la penetración. En cambio, vaporiza contaminantes o maneja el calentamiento a granel.
Esto aumenta la energía utilizada para la misma penetración de soldadura y puede reducir la vida útil de la lámpara o aumentar ligeramente los tiempos de ciclo. Sin embargo, las tiendas encontrarán esos pequeños precios a pagar y casi siempre vale la pena aumentar la calidad. Por otro lado, aumentar el pico inicial para mejorar el acoplamiento hace que el proceso sea más eficiente.
Modelado de pulso de rampa descendente o enfriamiento
Una forma de pulso descendente reduce las grietas y la porosidad de la soldadura con aceros con alto contenido de carbono, aleaciones sensibles a las grietas, aleaciones de fundición con vacíos o contaminantes, o materiales con puntos de fusión diferentes.
Los aceros que contienen >0,25 % C pueden crear una fase extremadamente dura llamada martensita en la zona de soldadura y afectada por el calor debido a las rápidas velocidades de enfriamiento de la soldadura láser.
De manera similar, las aleaciones sensibles a las grietas, como el aluminio de las series 2000 y 6000, así como algunos aceros de alta resistencia, pueden beneficiarse de esta conformación.
En todos estos casos, la combinación del sector de soldadura principal o único normal con sectores de menor potencia máxima reduce lentamente la energía del láser que ingresa a la pepita de soldadura, lo que permite un enfriamiento más lento.
Imagen de estructura cristalina de martensita que se forma en acero con alto contenido de carbono. Fuente de la imagen: Scm83x de Wikipedia.
En algunas aplicaciones, es posible tener más de 10 sectores en este tipo de forma de pulso, aunque normalmente 3-5 es suficiente.
Modelado de pulso de rampa ascendente
Los materiales con puntos de fusión y reflectividad bajos y los materiales con contaminantes volátiles, recubrimientos y/o revestimientos se beneficiarán de la conformación de pulso acelerada durante la soldadura.
Esta forma aumenta lentamente la intensidad del pulso de soldadura hasta mucho más tarde en la fusión. La técnica de rampa ascendente es adecuada para materiales tales como piezas fundidas con porosidad y pulvimetalurgia de baja densidad o materiales con revestimiento en la zona de soldadura.
Modelado de pulso de pico mejorado
Este tipo de modelado de pulsos es adecuado para soldar materiales reflectantes con alta conductividad, como cobre de alta pureza, plata y algunas aleaciones de aluminio.
También maneja aplicaciones que involucran superficies altamente reflectantes y aquellas con grandes tamaños de puntos enfocados.
En esta conformación, el primer pulso de 0,5 a 5 mseg puede tener un pico mucho más alto que el(los) sector(es) siguiente(s). Una vez que el pico inicial comienza a derretirse en la superficie, la tasa de absorción aumenta en un factor de aproximadamente 20. Esto, a su vez, permite que el resto de la energía del pulso láser se reduzca significativamente. Esta reducción de energía hace que el acoplamiento sea mucho más consistente, al tiempo que reduce las salpicaduras de soldadura.
Soldadura por láser de pulso Materiales difíciles de soldar
La alta potencia máxima de los láseres Nd:YAG pulsados supera la difusividad térmica y la reflectividad de muchos materiales reflectantes. Sin embargo, algunos materiales se agrietan o producen soldaduras con porosidad inaceptable u otros defectos.
La soldadura de materiales disímiles o contaminados a menudo produce los mismos resultados indeseables.
Pero un equipo de investigación compuesto por el personal de aplicaciones y desarrollo de procesos de GSI Lumonics (el Dr. Mohammed Naeem, Richard Jessett y Thomas Kugler) ha demostrado repetidamente el beneficio de la formación de pulsos en varios materiales desafiantes.
El pulso básico tiene una forma rectangular de un solo sector con un pico de sobreimpulso inicial.
Imagen de varilla láser Nd:YAG que produce láser de alta potencia. Imagen de Wikipedia
Este pulso estándar suele ser adecuado para soldar aleaciones ferrosas sin recubrimiento/recubrimiento o aplicaciones similares de corte YAG. Sin embargo, la formación de pulsos juega un papel importante en la calidad y consistencia de la soldadura al taladrar o soldar materiales altamente reflectantes, disímiles o contaminados.
Parámetros Experimentales
Como se describe a continuación, esta tecnología proporciona la más alta calidad de haz para garantizar velocidades de procesamiento rápidas, largas distancias de trabajo y tamaños de punto pequeños.
Los ensayos de soldadura investigaron el efecto de la densidad de potencia en la profundidad de la soldadura, utilizando las tres formas de soldadura diferentes descritas. Se utilizaron tres tiempos de pulso (2,0, 5,0 y 7,0 ms); el diámetro de la mancha se mantuvo constante a 300 µ. A continuación se muestran los parámetros completos del láser utilizados durante estos ensayos.
Conclusión
El pulso de pico mejorado da como resultado la penetración más alta, seguido del pulso estándar; el pulso de aumento produce la penetración más baja.
Además de estos cambios en la profundidad de penetración de la soldadura usando diferentes formas de pulso, hay un cambio significativo en la apariencia y calidad de las soldaduras.
Las soldaduras hechas con la punta mejorada y las formas de pulso estándar son salpicadas, con una socavación excesiva, mientras que las soldaduras hechas con formas de rampa ascendente y descendente tienen salpicaduras y socavaduras reducidas.
Las micrografías de las soldaduras hechas en acero inoxidable 430 con formas de pulso estándar y de rampa descendente muestran que la soldadura hecha con forma de pulso estándar tenía porosidad cerca de la superficie de la soldadura. La soldadura hecha con la forma de pulso descendente tenía penetración reducida pero no porosidad.
Además, la forma de pulso de rampa descendente reduce el agrietamiento. Aunque las formas de pulso de pico estándar y mejorado muestran mejores resultados en términos de penetración de soldadura, el ciclo de enfriamiento es relativamente alto. Como resultado, se pueden formar gas ocluido y grietas durante la solidificación. El pulso de rampa descendente controla la velocidad de enfriamiento y, por lo tanto, reduce el agrietamiento por solidificación.
Debido a su alta reflectividad y conductividad, las aleaciones de aluminio pueden ser un desafío para trabajar en aplicaciones de soldadura. Pero los experimentos muestran que la profundidad de penetración de la soldadura es significativamente mayor con la forma de pulso de punta mejorada.
Adaptar la forma del pulso puede mejorar la penetración y la calidad de la soldadura. El pulso estándar y la forma de pulso de punta mejorada aumentan la penetración de la soldadura en comparación con las formas de rampa ascendente y descendente.
Los resultados fueron similares tanto para el acero inoxidable como para las aleaciones de aluminio.
Las soldaduras producidas con formas de pulso estándar y de punta mejorada contenían porosidad y grietas de solidificación. El pulso de rampa descendente produce soldaduras con grietas y porosidad, especialmente en acero inoxidable. La mejora proviene del uso de diferentes velocidades de enfriamiento para las distintas formas de pulso.