Soldadura con láser

A medida que más fabricantes de equipos originales (OEM) y talleres se “animan” con la idea de la soldadura láser, muchos han centrado su atención en cuatro tecnologías específicas:

Cada vez más talleres están dando el paso y adquiriendo sistemas de soldadura láser, generalmente cuando llegan aplicaciones adecuadas o cuando buscan reemplazar la soldadura MIG y TIG.

“Hoy en día, la gente realmente se está lanzando primero al láser”, dijo Wes Wheeler, gerente de ventas de Alpha Laser, Meadville, Pensilvania. “La soldadura láser tradicionalmente ha sido impulsada por procesos de reparación, como la reparación de herramientas y reparaciones de alto valor. A medida que los láseres se vuelven más eficientes, la gente comienza a usarlos para la soldadura de producción”.

Pero con todas las opciones en el mercado, potencialmente puede ser “más confuso ahora que hace tres años”, dijo Tracey Ryba, gerente senior de productos de láseres OEM de alta potencia para Trumpf Inc., Farmington, Connecticut. Observó una gran cantidad de proyectos OEM en desarrollo y preparándose para su lanzamiento, testimonio de los avances que está logrando la tecnología de soldadura láser. "Creo que apenas estamos empezando a arañar la superficie del potencial".

Un beneficio importante de la soldadura láser es la capacidad de eliminar pasos de posprocesamiento como el pulido y el acabado.

En última instancia, tener paciencia para estudiar las opciones y aprender lo que pueden hacer vale la pena, según Dan Belz, gerente de producto FLW de Amada America Inc., Buena Park, California. “Si se toma el tiempo para comprender qué hace y qué puede hacerlo, es fenomenal. Hay algunas piezas que puedes mirar y no estar seguro de si fueron formadas o soldadas”.

Adaptando la biblioteca de rutinas preprogramadas de sus sistemas de corte por láser ENSIS, Amada America ahora emplea esa tecnología para soldar.

En los últimos seis años, un equipo de tres técnicos entre los que se encuentra Belz ha ido perfeccionando el sistema de soldadura de chapa de la empresa, ideal para unir espesores de hasta ¼" (6,35 mm). La plataforma está disponible en dos opciones de 3 kW: M3, con mesa de 15' (4,57 m) y M5, con dos mesas lanzadera de 18' (5,49 m).

En estos sistemas, la tecnología ENSIS de Amada ofrece a los usuarios cinco condiciones básicas de soldadura que ajustan la viga desde una forma ultrafina para obtener acero más grueso y una penetración más profunda hasta una forma de donut más plana para salvar espacios más amplios. El uso de la forma más plana también facilita la soldadura oscilante.

“Tenemos bastantes clientes que sueldan hasta ¼" de acero”, señaló Belz. “Eso está justo en la timonera de la unidad y, con nuestra tecnología, 3000 W de potencia es más que suficiente. Estamos preparados para chapa metálica. , incluso tan delgado como 0,020" [0,51 mm], y también se puede aplicar alambre de relleno si es necesario”.

La plataforma de Amada también destaca en la unión de materiales diferentes: cobre con acero inoxidable, cobre con acero dulce, cobre con Inconel e Inconel con acero inoxidable. Belz y su equipo también perfeccionaron las uniones con alimentación de alambre de titanio para un proyecto especializado.

“Todavía estamos experimentando, aunque no siempre tenemos tantas oportunidades de experimentar como antes porque recibimos muchos proyectos: los clientes nos envían piezas y nos piden que las soldemos y les enseñemos cómo fabricarlas. soldadura láser”. Estar tan ocupado, añadió, significa que Amada ha tenido que dejar de lado temporalmente sus intentos de soldar aluminio con acero inoxidable.

Para evitar la porosidad, Amada proporciona dos tipos de boquillas, ambas con flujo primario y secundario para que el gas protector esté siempre cerca del rayo láser. "A medida que el material se enfría, todavía está cubierto por el gas, por lo que se elimina la porosidad", explicó Belz.

Además, “debido a la longitud de onda que estamos utilizando, así como a la velocidad, la zona afectada por el calor es casi inexistente”, añadió. "La mayoría de nuestras piezas se pueden manipular sin guantes inmediatamente después de soldarlas".

Mientras tanto, Trumpf ofrece a sus clientes OEM alrededor de 40 recetas para su tecnología beam-in-beam a través de su software BrightLine Professional. "Esto les da un punto de partida para la mayoría de los materiales comunes", señaló Ryba. "A partir de ahí, los clientes pueden crear una biblioteca y experimentar qué variaciones funcionan mejor". El software incluye configuraciones para múltiples materiales, espesores y estilos de soldadura.

Un concepto relativamente nuevo que continúa ganando terreno es la gama de sistemas de procesamiento láser de haz en haz. Trumpf, pionero de esta tecnología, ofrece dos de estas soluciones: BrightLine Weld de su división de tecnología láser y FusionLine de su negocio de máquinas herramienta. La tecnología de anillo y la fibra única están disponibles para su uso en la TruLaser Weld 5000, presentada hace unos tres años.

Ryba observó que al utilizar las vigas del núcleo interior y del anillo exterior simultáneamente, las salpicaduras se reducen considerablemente. Esto aumenta la longevidad de las herramientas y accesorios y reduce la necesidad de limpiar las cubiertas protectoras deslizantes, lo que significa más tiempo de actividad. Más importante aún, aumentan la velocidad y la calidad de la soldadura, especialmente para el aluminio y el cobre.

En cobre, el anillo exterior actúa como un efecto de precalentamiento, permitiendo un mejor acoplamiento del haz central. Esto proporciona un proceso de soldadura estable, especialmente a velocidades más lentas, lo que permite soldaduras de penetración profunda y una reducción de salpicaduras del 70 al 85 por ciento. Al precalentar el cobre antes de la soldadura, BrightLine es aproximadamente 10 veces más rápido que un haz de un solo punto, dijo. Con el aluminio, las salpicaduras se pueden reducir considerablemente y aumentar la velocidad. "Puedo aumentar la potencia a 5 kW y aumentar la soldadura casi 7 veces hasta aproximadamente 35 metros por minuto", dependiendo del grado del aluminio, dijo Ryba. “Los ajustes a presión y las soldaduras a tope funcionan bien, y en acero se puede soldar tres veces más rápido con la misma cantidad de potencia. Del aluminio al cobre se obtiene una soldadura de mucha mejor calidad”.

Los núcleos de BrightLine se pueden ajustar en incrementos de potencia del uno por ciento, explicó Ryba, hasta un máximo del 90 por ciento para un haz y del 10 por ciento para el otro. Los operadores también pueden cambiar de un núcleo a otro con una potencia del 100 por ciento. Todos los ajustes de la distribución de energía se realizan en una ventana del software TruControl.

En los láseres de fibra de Trumpf, los diámetros de núcleo interior-exterior disponibles son 50-200 μm, 100-400 μm y 200-700 μm.

En la versión TruDisk de Brightline, una cuña óptica ajusta la distribución de energía entre los dos núcleos con un motor paso a paso. "Hemos descubierto que 30-70 o 60-40 tiende a ser la mejor distribución de energía", dijo Ryba.

La diferencia de calidad entre haces simples y dobles es clara, añadió.

“Con una soldadura láser tradicional de un solo núcleo, se utiliza un haz con parte superior plana o con forma de bala redondeada, algo común cuando se realiza soldadura superpuesta con un punto más grande”, explicó Ryba. “A medida que se intenta soldar más rápido, el ojo de la cerradura se vuelve inestable y el vapor del metal que se escapa se bloquea, lo que tiene que empujar a través del charco de fusión y expulsar parte de esa fusión en forma de salpicaduras. BrightLine proporciona un centro semigaussiano y un anillo alrededor del borde exterior. Ese anillo mantiene el ojo de la cerradura abierto y estable. El perfil de la viga de doble núcleo y la sección transversal de la soldadura se asemejan a la forma de un tornillo para madera, donde el lado frontal del anillo exterior actúa como precalentamiento o prefusión para mejorar la eficiencia de acoplamiento del núcleo y la parte posterior estabiliza el ojo de cerradura para mantenerlo abierto. La estabilización del ojo de la cerradura permite que el vapor metálico escape sin obstrucciones, lo que reduce las salpicaduras entre un 70 y un 97 por ciento. Este proceso también ayuda a prevenir el agrietamiento en caliente al ralentizar el proceso de enfriamiento y también suaviza un poco la soldadura”.

Cuando se utiliza la tecnología en el paquete FusionLine de Trumpf, los talleres pueden utilizar este patrón en forma de rosquilla para conservar los diseños de piezas originales, añadió Masoud Harooni, gerente de productos de soldadura láser. En esos casos, los usuarios concentran más potencia en el núcleo exterior en lugar de en el espacio de soldadura.

Trumpf sigue ayudando a los talleres con su TruLaser Weld 5000 llave en mano, continuó Harooni. Esos clientes "cuentan con nosotros para ayudarlos y proporcionarles parámetros de proceso para aumentar la producción".

El sistema se ofrece en múltiples configuraciones según el tamaño y la cantidad de piezas, principalmente para aplicaciones de chapa metálica. Con una mesa cambiadora rotativa, los operadores pueden cargar y descargar material mientras se suelda otra pieza de trabajo.

"Especialmente en la industria alimentaria, hay muchos beneficios porque la cantidad de posprocesamiento necesario para que las piezas sean visibles es enorme", dijo Harooni. “La mayoría de nuestros clientes actuales o potenciales utilizan la soldadura MIG y quieren cambiar al láser. Sueldan 20 minutos con MIG y luego pasan de 35 a 40 minutos rectificando. Con la soldadura láser, todo lo que toman de nuestra celda se puede enviar a recubrimiento u otro proceso sin tocarlo”.

Según la potencia y la aplicación, añadió, el sistema puede alcanzar velocidades de 250 a 300 ipm. Con piezas estructurales más gruesas, los beneficios están en el preprocesamiento; por ejemplo, eliminando los bordes de la placa gruesa para preparar las piezas para la soldadura MIG.

Para los talleres que realizan trabajos de reparación y producción, la flexibilidad de la soldadura pulsada ha resultado atractiva gracias a su capacidad para limitar el aporte de calor. La soldadura pulsada “es un proceso indulgente”, explicó Wheeler de Alpha Laser. “Tradicionalmente, un láser de onda continua quiere lograr penetración; un láser pulsado aún puede lograr penetración, pero también puede usarse para lograr casi ninguna penetración”. Los sistemas Alpha Laser, incluida su serie ALFlak, tienen un tiempo de pulso de 1 a 20 ms, siendo el rango normal de 5 a 7 ms.

Alpha Lasers dice que sus láseres de fibra pulsada y YAG se destacan por proporcionar bajos niveles de penetración y bajas tasas de dilución: la mezcla entre el material base y el relleno agregado. En un ejemplo que compara el láser pulsado con un proceso TIG, señaló Wheeler, el láser realizó un depósito de soldadura de 0,055" (1,40 mm) con una zona afectada por el calor de sólo 0,008" (0,20 mm) debajo de la soldadura y una zona de dilución de la soldadura de aproximadamente 0,006" (0,15 mm). “Esta fue una prueba para un cliente que no entendió cuando le expliqué que el láser tenía un menor aporte de calor”, recordó. “Preguntaron qué había de malo en la soldadura TIG y dije: ' Déjame explicarte lo que le estás haciendo a tu metal base. "

En términos de ampliar la apreciación de los fabricantes sobre los beneficios de la soldadura pulsada, Wheeler enfatiza la flexibilidad del material. "Hemos hecho de todo, desde uniones de cobre hasta acero inoxidable", explicó. Con una base de cobre berilio, “le ponemos acero inoxidable todo el tiempo. Hemos trabajado con todos los metales de alta gama, superaleaciones como Inconel y Stellites y hierro fundido. El mundo normal para nosotros son tradicionalmente los aceros para herramientas. Una de las grandes aplicaciones que vemos es trabajar con cualquier tipo de acero inoxidable, especialmente el acero inoxidable de la serie 300, que es fácil de deformar y funciona muy bien con un láser”.

En términos de reemplazo de configuraciones de soldadura TIG, un sistema Alpha Laser reciente que se vendió a la división de control e interruptores de una importante empresa ha reducido drásticamente las tasas de desperdicio, del 15 al 3 por ciento, agregó Wheeler. Esa tasa “debería ser aún más baja si podemos hacerlo perfecto. Proporcionará muchísimo valor, con menos trabajo antes y después (sin precalentamiento ni posprocesamiento) y debería reducir significativamente el tiempo total del ciclo”. Otra aplicación en la industria del papel es soldar un componente de 30' (9,14 m) de largo con 6.000 tubos en su interior. Incluso se habla de que un sistema láser de un solo pulso podría sustituir un par de líneas de soldadura fuerte.

Cuando el caucho llega a la carretera, o más precisamente, cuando el rayo golpea el metal, algunos talleres están construyendo un impresionante repertorio de soldadura láser.

Hace unos 10 años, Phoenix Laser, Meadville, Pensilvania, decidió utilizar los láseres Alpha de Alemania y creó Alpha Laser US para que actuara como distribuidor de la empresa en Norteamérica. A partir de ahí, Phoenix se ha expandido desde sus raíces de herramientas y matrices para realizar revestimiento y endurecimiento por láser. Meadville alguna vez fue la capital mundial de herramientas y troqueles, señaló Wheeler, con alrededor de 300 tiendas en un radio de 50 millas de la sede de Phoenix. Ahora, Phoenix tiene cuatro ubicaciones, incluidas Kansas City, Cuyahoga Falls, Ohio, y Brookville, Indiana, con más de 20 sistemas de soldadura láser repartidos entre ellas.

La reparación de herramientas y matrices con láser es “súper precisa, con un aporte de calor súper bajo gracias a que no hay precalentamiento ni poscalentamiento”, dijo Wheeler. "Podemos tener una pieza terminada en 10 minutos".

Phoenix realizó recientemente una prueba en algunos contenedores grandes, utilizando soldadura pulsada en las uniones. Dado que las paredes eran particularmente delgadas, existía la preocupación por el exceso de calor proveniente de la unión por láser TIG o CW. Uno de los usuarios más dedicados de Alpha Laser es Chicago Welding and Fabrication, que recientemente compró una unidad de 300 W. Chicago Welding comenzó su incursión en la soldadura láser hace unos 15 años, recordó el director de operaciones Gary Wealther, pero las máquinas de la época tendían a ser algo poco confiables. Comenzando con la reparación de moldes y matrices, la empresa añadió soldadura médica y de producción a su repertorio.

El atractivo inicial de la soldadura láser fue la limitada zona afectada por el calor y la falta de “daños colaterales”, señaló; en última instancia, “poder hacer cosas que de otra manera no se podrían hacer”. Dicho esto, señaló que algunos proyectos requieren una combinación de TIG para comenzar y soldadura láser para áreas delicadas.

Después de experimentar inicialmente una curva de aprendizaje pronunciada con sistemas más antiguos, recordó Wealther, prefiere empresas como Alpha Laser que "lo ayudan a hacer todo". Debido a los procesos de piezas de precisión de Chicago Welding, “estamos soldando bajo microscopios” e incluso tenemos una sala de microprocesamiento. Gracias a la versatilidad y precisión de los láseres YAG pulsados, su empresa puede procesar cosas como piezas médicas exigentes con aceros inoxidables especializados que se deformarían con la soldadura TIG.

Y aunque la soldadura láser es más lenta, añadió, “no se produce distorsión ni calor”. Por eso, a medida que surgen trabajos, encontrar la opción adecuada para la capacidad del láser es fundamental para ofrecer a los clientes la mejor solución, la más rápida y la más económica. Y cuando el trabajo es correcto, su láser Alpha de 300 W hace el trabajo. "Nos encanta esa máquina", dijo.

Después de haber pasado un período intensivo refinando y superando los límites de los sistemas de soldadura de láminas de Amada, Belz está dispuesto a asesorar a los talleres más pequeños sobre cómo hacer que un proceso funcione para ellos. "Desde el principio pensamos que el 99 por ciento de nuestros clientes serían fabricantes de equipos originales", recordó. Sin embargo, resulta que “la mayoría de nuestros clientes son talleres que realizan mucha soldadura”, aunque las siguientes instalaciones en su lista fueron para fabricantes de equipos originales. "Los fabricantes de equipos originales tardaron un poco más en adaptarse, pero [ahora] ven el beneficio".

Entre las filas de fabricantes, señala dos tipos: talleres de soldadura y talleres que sueldan.

Los primeros “probablemente estén soldando el 90 por ciento de su línea de productos. Tienen soldadores, entienden de soldadura, son con quienes es fácil trabajar porque verán lo que estamos haciendo y lo entenderán. Entramos, instalamos, les damos algo de capacitación, luego nos echan y dicen: 'Te llamaremos cuando te necesitemos'”.

Pero para los talleres que sueldan, “esa es un área problemática porque no pueden conseguir soldadores o dedican demasiado tiempo al posprocesamiento”. Para que esos clientes se sientan cómodos con la soldadura, "miramos sus piezas y sus CAD y hacemos algunas modificaciones para un ajuste mejor y más ajustado".

Ese paso de rediseño es fundamental para el éxito, continuó Belz. “Tenemos muchos clientes que quieren aprender a diseñar para optimizar la soldadura láser. Otros tienen líneas de productos existentes y observamos qué parte o partes están causando el mayor problema. Suelen tener bastantes”.

Una vez que se ha diseñado, probado, probado e instalado un proceso de soldadura, prácticamente se elimina todo el posprocesamiento. Las piezas pueden ir “directamente a la cabina de pintura: ya no es necesario rectificar las soldaduras”. Al final, “algunos clientes quieren usarlo para piezas específicas y nada más, mientras que otros quieren usarlo para todo. Tienes que clasificarlo”.

Vale la pena señalar que el año pasado, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología reveló su proyecto de tres años para recopilar datos sobre los aspectos más fundamentales de la soldadura láser. Los modeladores informáticos están utilizando esos datos para crear simulaciones de soldadura láser destinadas a dar a los fabricantes más control sobre el proceso.

El proyecto ilustra un punto clave: la soldadura láser, particularmente en lo que respecta al control de salpicaduras, grietas y porosidad y al mismo tiempo maximizar el rendimiento, es un trabajo en progreso a pesar de sus grandes avances en muchas industrias.

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