Aplicación de soldadura por láser de fibra
Las densidades de alta potencia disponibles de los láseres de fibra son ideales para su uso en soldadura de costura y penetración de aceros de alta velocidad, y también para soldadura de materiales más reflectantes, incluido el cobre.
El láser de fibra también encuentra aplicación para la soldadura por conducción, que se produce a densidades de potencia mucho más bajas y, por lo tanto, con tamaños de punto óptico más grandes. Además, el uso de un control fino sobre los anchos de pulso y la frecuencia de pulso hace posible la soldadura de materiales delgados y componentes diminutos.
Conceptos básicos de la soldadura por láser de fibra
Un láser de fibra se produce dentro de una fibra de silicio de núcleo pequeño, normalmente entre 9 y 50 micras de diámetro, dopada con iterbio, un metal de tierras raras.
Dado que el láser se forma dentro de una fibra, no es necesario alinear el medio con los espejos de la cavidad, ni mantener la óptica y la alineación, lo cual es necesario con otros tipos de láser.
Una característica única del láser de fibra es su «capacidad de enfoque».
Por ejemplo, un láser de 500 W se puede enfocar en un tamaño de punto de 10 micras. Para muchos procesos de soldadura, esto no sería práctico, pero efectivamente sin un límite inferior en el tamaño del punto, el láser de fibra proporciona capacidades únicas de parámetros de proceso.
El medio del núcleo de la fibra se puede bombear mediante diodos de un solo emisor que se empalman en el revestimiento que rodea el núcleo o mediante conjuntos de diodos lanzados al revestimiento.
El láser de fibra que funciona a 1070 nanómetros (nm) se puede enviar al metal soldado mediante un cable de fibra óptica flexible. Esta conexión de fibra láser a fibra de entrega del cabezal de enfoque se puede realizar mediante empalme directo dentro del láser o mediante el uso de un acoplador mecánico externo.
Sin embargo, la ventaja de un acoplador mecánico es que permite reemplazar fácilmente la fibra de entrega si está dañada. Por otro lado, si ocurre un daño con una conexión empalmada típica, generalmente el fabricante necesita reparar el láser, lo que puede extender el tiempo necesario para realizar el trabajo.
Además, un acoplador externo puede ayudar a evitar daños al láser. Al soldar materiales reflectantes como cobre y aluminio, los reflejos de la pieza de trabajo pueden dañar el láser.
Las máquinas de soldadura por láser de fibra tienen un bajo costo de propiedad
Los láseres de fibra tienen un costo de propiedad excepcionalmente bajo. La opción de un solo emisor ofrece una vida útil estimada de 100 000 horas y se estima que las matrices de diodos duran entre 50 000 y 100 000 horas.
Para poner esto en perspectiva, 100 000 horas representan una vida operativa «continua» de aproximadamente 11 años. Sin embargo, incluso si tiene un negocio en funcionamiento continuo, es poco probable que use el láser el 100% del tiempo.
Para colmo, el láser de fibra tiene una excelente eficiencia en el uso de la corriente eléctrica (alrededor del 30 por ciento), lo que reduce la necesidad del enfriador (o el tamaño del enfriador, si se requiere), y también reduce su factura eléctrica.
Un láser de fibra de ejemplo de Jinan Acme. Fuente de la imagen: directindustry.com
Además, el láser de fibra no tiene piezas reemplazables ni consumibles de los que preocuparse. Sin embargo, debemos advertirle que la mayoría de los láseres de fibra no se pueden reparar en el campo. Entonces, si su láser se rompe, la unidad deberá ser reparada por el fabricante.
Aún así, los costos de mantenimiento son bajos y no hay consumibles internos dentro del láser. El uso de láseres de fibra en las industrias médica, automotriz, electrónica y aeroespacial es una excelente opción gracias a su alta velocidad y flexibilidad de soldadura.
Calidad del rayo láser de fibra
El láser de fibra ofrece la más alta calidad de haz de cualquier fuente de láser. Esencialmente, el rayo láser de fibra se puede ajustar a lo que sea necesario para la aplicación dada.
El aumento de la penetración y la velocidad de la soldadura son directamente responsables de una mejor calidad del haz. Sin embargo, la estabilidad de la soldadura y la acomodación de las variaciones de fabricación, por ejemplo, la ubicación de las piezas y los requisitos de ajuste de las juntas, tienden a favorecer una calidad de haz más baja.
Siempre puede reducir la calidad del haz para que coincida con la aplicación. Pero no es posible aumentar la calidad del láser una vez que sale del generador.
Por lo tanto, el diferenciador clave para el láser de fibra es el rango máximo «sintonizable» para la calidad del haz. Un proceso particular puede utilizar la calidad óptima del haz en lugar de una selección de compromiso hecha debido a los límites de la tecnología de soldadura por láser.
Además, la alta calidad del rayo láser proporciona características únicas de parámetros láser. Por ejemplo, tamaños de punto muy pequeños de menos de 0,0010 pulgadas o densidades de potencia excepcionalmente altas para más aplicaciones de soldadura. Un gran ejemplo del uso avanzado del láser de fibra es la soldadura de alta velocidad de láminas delgadas de cobre para aplicaciones de baterías. Puede leer más sobre la soldadura de baterías aquí.
La tecnología de láser de fibra se ofrece en dos modos de brillo: un modo único, el brillo más alto que se usa principalmente para cortar, y un modo múltiple, que se usa principalmente para soldar.
La imagen muestra varias configuraciones de cordones de soldadura.Es posible una amplia gama de rendimiento de soldadura de acuerdo con la calidad del haz. Sin embargo, la selección debe hacerse desde el punto de vista de la confiabilidad general del proceso y no simplemente de la mejor penetración.
Microsoldadura láser
El láser de fibra se puede enfocar fácilmente a un tamaño de punto de 0,001 pulgadas. Por lo tanto, puede producir anchos de soldadura de menos de 0,004 pulgadas para soldaduras por puntos extra pequeñas o soldaduras de costura de geometría superpuesta de alta velocidad.
Normalmente, este tipo de aplicaciones requieren una potencia de alrededor de 200-500 W, dependiendo de la penetración necesaria y la velocidad de soldadura.
La imagen muestra soldaduras por costura y puntos soldadas con láser de microfibraLa relación de aspecto de soldadura (ancho de soldadura/profundidad de soldadura) se puede ajustar según la aplicación, gracias al alto ancho de pulso del láser de fibra.
Los láseres de fibra también pueden soldar láminas delgadas de metal a velocidades excepcionales, ¡hasta 100 pulgadas por segundo! Además, esta tecnología puede soldar cobre, que suele ser un metal difícil de soldar con láser debido a su alta reflectabilidad superficial.
El alto brillo del láser de fibra supera esta limitación ya que la alta densidad de potencia proporciona una absorción constante de la potencia del láser. Además, el proceso de soldadura por láser de fibra es estable porque la alta velocidad de soldadura evita el sobrecalentamiento del metal.
Sin embargo, debe saber que la soldadura de cobre en el rango de subkilovatios solo es posible con un láser monomodo.
Soldadura por conducción
El láser de fibra se utiliza para muchas aplicaciones en procedimientos de soldadura por conducción de alta velocidad.
La soldadura por conducción con láser se produce con densidades de potencia mucho más bajas y, por lo tanto, con tamaños de punto óptico más grandes.
La soldadura por conducción es excepcionalmente estable: no hay ojo de cerradura ni penacho de soldadura.
Imagen de una unión soldada por conducción de alta velocidad realizada por un soldador láser de fibra.
Además, el tamaño de punto más grande es menos sensible a los problemas de ajuste de piezas. Este método puede ser muy eficaz para el sellado de barreras que requieren una penetración de 0,01 pulgadas. Como resultado, las soldaduras producidas tienen un aspecto muy suave y muy atractivo.
Soldadura de penetración
La soldadura por penetración significa lograr profundidades de penetración superiores a 0,04 pulgadas y, a menudo, hasta 0,25 pulgadas de espesor.
La calidad del rayo láser de fibra proporciona la mayor profundidad de penetración por vatio de potencia láser en comparación con otras tecnologías de soldadura láser, incluso con un láser de 500 W capaz de soldar hasta 0,08 pulgadas de espesor.
Este rendimiento de soldadura se logra utilizando un tamaño de punto pequeño, alrededor de 0,003 pulgadas.
Sin embargo, para emplear la tecnología de láser de fibra para la soldadura por penetración con un tamaño de punto pequeño, la geometría de la junta requiere una soldadura traslapada o una soldadura a tope, con un control muy alto de las tolerancias de ajuste.
En la mayoría de los casos, simplemente no es práctico para la fabricación, por lo que los láseres típicos varían de 1 a 6 kW para casi todas las necesidades de soldadura por penetración.
Incluso si el proceso en particular no puede aprovechar el rendimiento de soldadura del láser de fibra debido al ajuste de la pieza y la configuración de la unión, el láser de fibra ofrece otros beneficios que dan como resultado una mayor estabilidad del proceso y flexibilidad de implementación.
La longitud de onda de 1 micra del láser de fibra tiene un efecto mucho menor en el penacho de soldadura en comparación con un láser de CO2, por lo que la protección de gas necesaria para suprimir el penacho de soldadura se reduce al mínimo, con baja sensibilidad al posicionamiento en relación con la soldadura.
Conclusión
El proceso de soldadura por láser de fibra es una excelente opción para la soldadura eficiente de numerosos materiales para diversas aplicaciones. La alta calidad del haz proporcionado y los modos único y múltiple hacen del láser de fibra uno de los procesos de soldadura más versátiles con una flexibilidad excepcional. Además, el bajo costo de propiedad y el uso continuo son muy atractivos. Pero, la advertencia es que si algo se rompe, el fabricante debe arreglarlo.