Tanto a soldadura por raio láser como a soldadura por arco levan moito tempo utilizándose para a produción industrial e permiten un amplo espectro de usos no campo da tecnoloxía de unión de materiais. Cada un destes procesos ten as súas áreas de aplicación específicas, tal e como se describe nos procesos físicos do transporte de enerxía á peza de traballo e nos fluxos de enerxía que se poden obter. A enerxía transmítese desde a fonte do raio láser ao material para o seu procesamento mediante radiación coherente infravermella de alta enerxía, utilizando un cable de fibra óptica. O arco transmite a calor necesaria para a soldadura mediante unha corrente eléctrica elevada que flúe á peza de traballo a través dunha columna de arco. A radiación láser leva a unha zona afectada pola calor moi estreita cunha gran relación entre a profundidade de soldadura e o ancho da costura (efecto de soldadura profunda). A capacidade de ponte de fendas do proceso de soldadura por láser é moi baixa, debido ao seu pequeno diámetro focal, pero por outra banda pode alcanzar velocidades de soldadura moi altas. O proceso de soldadura por arco ten unha densidade de enerxía moito menor, pero provoca un punto focal máis grande na superficie da peza de traballo e caracterízase por unha velocidade de procesamento máis lenta. Ao fusionar ambos procesos, pódense conseguir sinerxías útiles. En definitiva, isto permite acadar tanto vantaxes de calidade como beneficios de enxeñaría de produción, así como unha mellora da eficiencia de custos. Este proceso ofrece aplicacións interesantes e economicamente atractivas, tanto na industria do automóbil, sobre todo porque se permiten maiores tolerancias nas soldaduras, son posibles taxas de unión máis elevadas e pódense conseguir moi bos parámetros mecánicos/tecnolóxicos.
1. Introdución:
Sábese como combinar a luz láser e o arco nun proceso de soldadura amalgamado desde a década de 1970, pero durante moito tempo despois non se levou a cabo ningún traballo de desenvolvemento adicional. Recentemente, os investigadores volveron centrarse neste tema e intentaron unir as vantaxes do arco coas do láser, nun proceso de soldadura híbrido. Mentres que nos primeiros tempos, as fontes láser aínda tiñan que demostrar a súa idoneidade para o uso industrial, hoxe en día son equipos tecnolóxicos estándar en moitas empresas de fabricación.
A combinación da soldadura láser con outro proceso de soldadura denomínase "proceso de soldadura híbrido". Isto significa que un raio láser e un arco actúan simultaneamente nunha zona de soldadura e se influencian e apoian mutuamente.
2. Láser:
A soldadura láser require non só unha alta potencia láser, senón tamén un feixe de alta calidade para obter o "efecto de soldadura profunda" desexado. A maior calidade do feixe resultante pódese aproveitar para obter un diámetro focal menor ou unha distancia focal maior.
Para os proxectos de desenvolvemento que están actualmente en marcha, utilízase un láser de estado sólido bombeado por lámpada cunha potencia de feixe láser de 4 kW. A luz láser transmítese a través dunha fibra de vidro de 600 µm.
A luz láser transmítese a través dunha fibra de vidro, na que o principio e o final están arrefriados por auga. O raio láser proxéctase sobre a peza de traballo mediante un módulo de enfoque cunha distancia focal de 200 mm.
3. Proceso híbrido láser:
Para soldar pezas metálicas, o raio láser Nd:YAG céntrase a intensidades superiores a 106 W/cm2. Cando o raio láser incide na superficie do material, quenta este punto ata a temperatura de vaporización e fórmase unha cavidade de vapor no metal de soldadura debido ao vapor metálico que escapa. A característica distintiva da costura de soldadura é a súa alta relación profundidade-anchura. A densidade do fluxo de enerxía do arco de combustión libre é lixeiramente superior a 104 W/cm2. A figura 1 ilustra o principio básico da soldadura híbrida. O raio láser
representado aquí alimenta o metal de soldadura na parte superior da costura, ademais da calor do arco. A diferenza dunha configuración secuencial onde dous procesos de soldadura separados actúan en sucesión, a soldadura híbrida pódese ver como unha combinación de ambos procesos de soldadura que actúan simultaneamente nunha mesma zona de proceso. Dependendo do proceso de arco ou láser que se utilice e dos parámetros do proceso, os procesos influiránse mutuamente en diferente medida e de diferentes xeitos [1, 2].
Grazas á combinación do proceso láser e o proceso de arco, tamén hai un aumento tanto na profundidade de penetración da soldadura como na velocidade de soldadura (en comparación con calquera dos procesos utilizados por si só). O vapor de metal que escapa da cavidade de vapor retroactúa sobre o plasma do arco. A absorción da radiación láser Nd:YAG no plasma de procesamento segue sendo insignificante. Dependendo da proporción escollida entre as dúas entradas de potencia, o carácter do proceso global pode estar determinado en maior ou menor medida polo láser ou polo arco [3,4].
Fig. 1: Representación esquemática: Soldadura LaserHybrid
A absorción da radiación láser está substancialmente influenciada pola temperatura da superficie da peza. Antes de que poida comezar o proceso de soldadura láser, primeiro debe superarse a reflectancia inicial, especialmente nas superficies de aluminio. Isto pódese conseguir iniciando a soldadura cun programa de inicio especial. Unha vez alcanzada a temperatura de vaporización, fórmase a cavidade de vapor, co resultado de que case toda a enerxía da radiación pode introducirse na peza. Polo tanto, a enerxía necesaria para isto vén determinada pola absorción dependente da temperatura e pola cantidade de enerxía perdida.
por condución ao resto da peza. Na soldadura LaserHybrid, a vaporización ten lugar non só desde a superficie da peza, senón tamén desde o fío de recheo, o que significa que hai máis vapor metálico dispoñible, o que á súa vez facilita a entrada da radiación láser. Isto tamén evita a interrupción do proceso [5, 6, 7, 8, 9].
4. Aplicación automotriz:
Mediante o uso da tecnoloxía de bastidor espacial, é posible unha redución de peso do 43 % en comparación cunha carrozaría de aceiro.
Fig. 2: Concepto do Audi Space frame A2
O chasis do Audi A2 Space consta de 30 m de soldadura láser (tiras amarelas na figura 2) e 20 m de lonxitude de soldadura MIG. Ademais, tamén se empregan 1700 remaches.
Fig. 3: Comparación de perfís e técnicas de unión no Audi-A2
A figura 4 mostra unha unión soldada LaserHybrid dun material fundido ALMg3 cun material en lámina de AlMgSi. O fío de recheo é AlSi5 e o gas de protección utilizado é argón. Ao aumentar a potencia do láser, é posible unha penetración máis profunda. Ao combinar o raio láser co arco deste xeito, conséguese un baño de soldadura maior que co proceso de soldadura por raio láser por si só. Isto permite soldar compoñentes con fendas máis amplas.
Fig. 4: Xunta de solape cun espazo de 0,5 mm
Na industria do automóbil existen moitas aplicacións de soldadura por solapamento sen preparación da unión. Polo momento, o proceso de última xeración para este traballo de soldadura é o proceso de soldadura láser cun arame de recheo frío, debido á fisuración en quente da aliaxe AA 6xxx. Cando a unión se solda cun arame de recheo, pérdese gran parte da enerxía láser para fundir ese arame de recheo.
A seguinte figura representa as diferenzas entre a soldadura LaserHybrid e a soldadura láser nunha unión superposta cunha velocidade de soldadura de 2,4 m/min. No caso da soldadura láser, non hai posibilidade de encher o cordón de soldadura e prodúcese un corte socavado. Ademais, só hai unha penetración moi pequena no material base. O ancho do cordón de soldadura é moi pequeno e, polo tanto, espérase unha baixa resistencia á tracción. No caso da soldadura LaserHybrid,
Transportase material adicional ao baño de soldadura. A zona socavada énchese co arame do proceso MIG, o que permite aforrar unha parte da enerxía láser. Esta enerxía láser aforrada pódese usar para aumentar a penetración no material base e o ancho do cordón de soldadura é maior que o grosor do material, o cal se require na simulación numérica.
Fig. 5 Comparación entre a soldadura LaserHybrid e a soldadura láser sen fío de recheo
Co procedemento de soldadura LaserHybrid é posible soldar materiais de aluminio, aceiros e aceiros inoxidables de ata 4 mm de grosor. Se o grosor é demasiado alto, non é posible a penetración completa. Para unir materiais revestidos de zinc, tamén é preferible usar o proceso de soldadura láser.
Outras aplicacións na automoción son os trens de potencia, os eixes e as carrozarías de automóbiles, onde o proceso de soldadura híbrida láser pode ser axeitado.
Cabezal de soldadura:
O cabezal de soldadura debe ter dimensións xeométricas pequenas para garantir unha boa accesibilidade aos compoñentes que se van soldar, especialmente no campo da carrozaría. Ademais, debe estar deseñado para permitir tanto unha conexión desmontable axeitada ao cabezal do robot como a capacidade de axustar variables de proceso como a distancia focal e as distancias de separación da tocha en todas as coordenadas cartesianas. A figura 5 mostra o cabezal de soldadura mentres o proceso está en acción. As salpicaduras que se producen durante o proceso de soldadura provocan unha maior ensuciación do vidro protector. O vidro de cuarzo está revestido en ambos os dous lados cun material antirreflectante e ten como obxectivo protexer o sistema óptico láser de danos.
Dependendo do grao de sucidade, as salpicaduras que se acumulan no vidro poden provocar que a potencia do láser que realmente incide na peza diminúa ata un 90 %. Unha sucidade máis intensa xeralmente leva á destrución do vidro protector, xa que unha gran proporción da enerxía radiante é absorbida polo propio vidro, o que provoca tensións térmicas no vidro. Con ese cabezal de soldadura e ese equipo de soldadura, é posible usalo para soldadura LaserHybrid, soldadura láser, soldadura MSG eSoldadura láser con fío quente.
Fig. 6: Cabezal de soldadura e proceso
5. Vantaxes da soldadura híbrida láser:
As seguintes vantaxes resultan da fusión do arco e do raio láser: Vantaxes da soldadura LaserHybrid fronte á soldadura láser:
• maior estabilidade do proceso
• maior ponteabilidade
• penetración máis profunda
• custos de investimento de capital máis baixos
• maior ductilidade
Vantaxes da soldadura láser híbrida fronte á soldadura MIG:
• maiores velocidades de soldadura
• penetración máis profunda a velocidades de soldadura máis elevadas
• menor entrada térmica
• maior resistencia á tracción
• costuras de soldadura máis estreitas
Fig. 7: Vantaxes de combinar os dous procesos
O proceso de soldadura por arco caracterízase por unha fonte de enerxía de baixo custo, unha boa capacidade de ponte e pola facilidade para influír na estrutura engadindo metais de recheo. As características distintivas do proceso de raio láser, por outra banda, son a gran profundidade de soldadura, a alta velocidade de soldadura, a baixa carga térmica e as costuras de soldadura estreitas que consegue. Por riba dunha determinada densidade de raio, o raio láser produce un "efecto de soldadura profunda" en materiais metálicos que permite soldar compoñentes con maior grosor de parede, sempre que a potencia do láser sexa suficientemente alta. A soldadura híbrida láser permite, polo tanto, maiores velocidades de soldadura, estabilización do proceso debido á interacción entre o arco e o raio láser, maior eficiencia térmica e maiores tolerancias da peza de traballo. Debido a que o baño de soldadura é máis pequeno que no proceso MIG, hai menos entrada térmica e, polo tanto, unha zona afectada pola calor máis pequena. Isto significa menos soldadura.
distorsión, o que reduce a cantidade de traballo de endereitamento posterior á soldadura que cómpre realizar.
Onde hai dous baños de soldadura separados, a posterior entrada térmica do arco significa que o feixe láser (área soldada, especialmente no caso do aceiro) recibe un tratamento de revenido posterior á soldadura, distribuíndo os valores de dureza de forma máis uniforme por toda a costura. A figura 6 resume as vantaxes do proceso combinado (é dicir, híbrido).
Pasando agora ás vantaxes económicas da soldadura híbrida fronte á soldadura láser, pódense facer as seguintes afirmacións: a costura de soldadura consiste en parte nunha soldadura láser e en parte nunha soldadura MIG. O proceso híbrido permite reducir a potencia do raio láser, o que significa que o consumo de enerxía da fonte láser pódese reducir considerablemente, xa que o aparello de raio láser ten unha eficiencia de só o 3 %. Noutras palabras: unha redución de 1 kW na potencia do raio láser que incide sobre a peza leva a unha redución de aproximadamente 35 kVA na enerxía consumida da rede eléctrica.
Un aparello de raio láser custa arredor de 0,1 millóns de euros por cada kW depotencia do raio láserPor citar só un exemplo, nun caso no que a utilización do proceso híbrido permita empregar un aparello de feixe láser de 2 kW en lugar dun con 4 kW de potencia de feixe, isto supón un aforro de 0,2 millóns de euros en investimentos. Non obstante, débese lembrar aquí que para o proceso híbrido necesitarase unha máquina MIG que custa uns 20 000 euros.
Grazas á maior velocidade de soldadura, pódense reducir tanto os tempos de fabricación como os custos de soldadura.
6. Soldadura con fío quente láser:
Outra posibilidade para combinar o raio láser cun fío de recheo é o proceso LaserHotwire [10]. Neste procedemento, o fío de recheo quéntase previamente coa mesma fonte de enerxía, que se pode usar para oProceso de soldadura híbrida láserO arame de recheo ten unha carga de corrente de 100 A a 220 A. A velocidade de alimentación do arame depende da sección transversal do cordón de soldadura e da velocidade de soldadura. A soldadura ofrece, debido á cantidade de metal de recheo, un material de moldeo que se pode rematar máis facilmente que as costuras de soldadura comparables. Mediante a soldadura de pezas en chapa, os traballos de reparación pódense realizar dun xeito máis sinxelo que no caso das unións soldadas. Unha vantaxe da soldadura LaserHotwire é a boa resistencia á corrosión da zona soldada.
Como metais de aporte, utilízanse aliaxes baratas a base de cobre como o SG-CuSi3 e o argón serve como gas de protección.
Fig. 8: Representación esquemáticaSoldadura láser con fío quente:
A seguinte figura mostra a sección transversal dun material soldado con fío quente para láser. O material revestido de zinc está soldado a unha velocidade de 3 m/min e o fío de recheo ten unha carga de corrente de 205 A. A entrada de calor é moi baixa, polo que o resultado do proceso de soldadura é unha baixa distorsión.
7. Resumo:
A soldadura híbrida láser é unha tecnoloxía totalmente nova que ofrece sinerxías para amplos campos de aplicación nas industrias metalúrxicas, especialmente onde non é posible ou financeiramente viable alcanzar as tolerancias dos compoñentes requiridas para...soldadura por raio láserA gama moito máis ampla de aplicacións e a alta capacidade do proceso combinado levan a unha maior competitividade en termos de redución de gastos de investimento, tempos de fabricación máis curtos, custos de fabricación máis baixos e maior produtividade.
O proceso LaserHybrid tamén ofrece unha nova maneira de abordar a soldadura de aluminio. Non obstante, un proceso estable que se poida empregar na práctica só se fixo posible hai relativamente pouco tempo, grazas ás maiores potencias de saída dispoñibles dos láseres de estado sólido. Numerosos estudos examinaron os fundamentos dos procesos de soldadura láser-arco-híbrida. Por "proceso de soldadura híbrida", referímonos á combinación da soldadura por raio láser e o proceso de soldadura por arco, cunha soa zona de proceso (plasma e fusión). Os estudos de investigación básica demostraron que é posible un proceso no que, combinando os dous procesos, se poden conseguir sinerxías e se poden compensar os inconvenientes de cada proceso por separado, o que resulta en mellores posibilidades de soldadura, soldabilidade e fiabilidade da soldadura para moitos materiais e construcións diferentes. En particular, isto demostrouse para aliaxes de aluminio. Ao elixir parámetros de proceso favorables, é posible influír selectivamente nas propiedades da soldadura, como a xeometría e a constitución estrutural. O proceso de soldadura por arco aumenta a ponteabilidade ao engadir metal de aporte; tamén determina o ancho da costura de soldadura e, polo tanto, reduce a cantidade de preparación da peza necesaria. Ademais, as interaccións que teñen lugar entre os procesos levan a un aumento substancial da eficiencia do proceso. Este proceso combinado tamén require custos de investimento considerablemente menores que o proceso de soldadura por láser.
O proceso de soldadura por fío quente con láser pódese empregar especialmente para materiais revestidos de zinc para obter unha boa resistencia á corrosión.
Data de publicación: 18 de abril de 2025
