Procesos con láser (página 2)

Emisión estimulada de radiación

La emisión estimulada, base de la generación de radiación de un láser, se produce cuando un átomo en estado excitado recibe un estímulo externo que lo lleva a emitir fotones y así retornar a un estado menos excitado. El estímulo en cuestión proviene de la llegada de un fotón con energía similar a la diferencia de energía entre los dos estados. Los fotones así emitidos por el átomo estimulado poseen fase, energía y dirección similares a las del fotón externo que les dio origen. La emisión estimulada descrita es la raíz de muchas de las características de la luz láser. No sólo produce luz coherente y monocroma, sino que también "amplifica" la emisión de luz, ya que por cada fotón que incide sobre un átomo excitado se genera otro fotón.

Absorción

Proceso mediante el cual se absorbe un fotón. El sistema atómico se excita a un estado de energía más alto, pasando un electrón al estado meta estable. Este fenómeno compite con el de la emisión estimulada de radiación.

Características generales de la luz láser

1. Mono cromaticidad.

Emite una radiación electromagnética de una sola longitud de onda, en oposición a las fuentes convencionales como las lámparas incandescentes (bombillas comunes) que emiten en un rango más amplio, entre el visible y el infrarrojo, de ahí que desprendan calor. La longitud de onda, en el rango del espectro electromagnético de la luz visible, se identifica por los diferentes colores (rojo, naranja, amarillo, verde, azul, violeta), estando la luz blanca compuesta por todos ellos. Esto se observa fácilmente al hacer pasar un haz de luz blanca a través de un prisma.

2. Coherencia espacial o direccionabilidad.

La radiación láser tiene una divergencia muy pequeña, es decir, puede ser proyectado a largas distancias sin que el haz se abra o disemine la misma cantidad de energía en un área mayor.

Nota: Esta propiedad se utilizó para calcular la longitud entre la Tierra y la Luna, al enviar un haz láser hacia la Luna, donde rebotó sobre un pequeño espejo situado en su superficie, y éste fue medido en la Tierra por un telescopio.

3. Coherencia temporal.

La luz láser se transmite de modo paralelo en una única dirección debido a su naturaleza de radiación estimulada, al estar constituido el haz láser con rayos de la misma fase, frecuencia y amplitud.

Esquema del funcionamiento del LASER de tres niveles de engría. (Fig. 1)

Fig. 1

Tipos de laser

1. El láser de Rubí

Recordemos que fue el primer láser y que fue construido por Theodore Maiman en 1960, quien usó como medio activo un cristal de rubí sintético. El rubí es una piedra preciosa formada por cristales de óxido de aluminio Al2O3, que contiene una pequeña concentración de alrededor de 0.05% de impurezas de óxido de cromo Cr2O3 (el óxido de aluminio puro, Al2O3, se llama zafiro). La presencia del óxido de cromo hace que el transparente cristal puro de óxido de aluminio se torne rosado y llegue a ser hasta rojizo si la concentración de óxido de cromo aumenta. La forma geométrica típica que adopta el rubí usado en un láser es la de unas barras cilíndricas de 1 a 15 mm de radio y algunos centímetros de largo. (Véase Fig. 3)

Fig. 3

2. Láser de Helio-Neón

El láser de helio-neón fue el primer láser de gas que se construyó. Actualmente sigue siendo muy útil y se emplea con mucha frecuencia. Los centros activos de este láser son los átomos de neón, pero la excitación de éstos se realiza a través de los átomos de helio. Una mezcla típica de He-Ne para estos láseres contiene siete partes de helio por una parte de neón. (Véase Fig. 4)

Fig. 4

3. El láser de Argón ionizado

Las transiciones radiactivas entre niveles altamente excitados de gases nobles se conocen desde hace largo tiempo, y la oscilación láser en este medio activo data desde la década de los sesenta. Entre estos láseres, el de argón ionizado es el que más se utiliza, debido a sus intensas líneas de emisión en la región azul-verde del espectro electromagnético y a la relativa alta potencia continua que se puede obtener de él. (Véase Fig. 5)

Fig. 5

4. Láseres de CO2

El láser de bióxido de carbono CO2 es el ejemplo más importante de los láseres moleculares. El medio activo en este láser es una mezcla de bióxido de carbono (CO2), nitrógeno (N2) y helio (He), aunque las transiciones láser se llevan a cabo en los niveles energéticos del CO2.Ã,  Como en seguida veremos, el N2 y el He son importantes para los procesos de excitación y desexcitación de la molécula de CO2. (Véase Fig. 6 y 7)

Fig. 6

Fig. 7

5. Láser de gas dinámico de CO2

La diferencia fundamental entre un láser de gas dinámico y un láser convencional de CO2 radica en el método de bombeo empleado. En el láser de gas dinámico la radiación láser es producida al enfriar rápidamente una mezcla de gas precalentado que fluye a lo largo de una tobera hasta la cavidad del resonador. Por las altas potencias que es capaz de proporcionar se ha convertido en una importante alternativa para ciertas aplicaciones industriales. (Véase Fig. 8)

Fig. 8

6. Láser de soluciones líquidas orgánicas

El medio activo en este tipo de láseres está compuesto por líquidos en los que se han disuelto compuestos orgánicos, entendidos estos últimos cómo los hidrocarburos y sus derivados. Estos láseres son bombeados ópticamente y como en seguida veremos, una de sus más importantes características radica en que pueden emitir radiación láser en anchas bandas de longitud de onda, es decir que son "sintonizables". (Véase Fig. 9)

Fig. 9

7. Láseres de semiconductores

Los láseres de semiconductores son los láseres más eficientes, baratos y pequeños que es posible obtener en la actualidad. Desde su invención en 1962 se han mantenido como líderes en muchas aplicaciones científico-tecnológicas y su continua producción masiva nos da un inicio de que esta situación se prolongará por mucho tiempo. (Véase Fig. 10)

Fig. 10.

8. Láser de electrones libres

Todos los sistemas láser anteriormente vistos basan su funcionamiento en la inversión de población lograda en un medio activo atómico o molecular. Por tanto, la longitud de onda a la cual el láser emite está inevitablemente determinada por los centros activos contenidos en la cavidad láser, es decir, por las transiciones energéticas permitidas a los átomos o moléculas de dicho medio. Un láser basado en la emisión de radiación estimulada por electrones libres no tiene las limitaciones propias de los láseres anteriormente vistos, pues los electrones libres no están sujetos a la existencia de transiciones energéticas particulares y por lo tanto pueden generar radiación electromagnética en cualquier longitud de onda del espectro. Este tipo de láseres utilizan como medio activo un haz de electrones que se mueve con velocidades cercanas a la de la luz. Debido a esto se le llama haz relativista de electrones. Podemos describir un láser de electrones libres como un instrumento que convierte la energía cinética de un haz relativista de electrones en radiación láser. (Véase Fig. 11)

Fig. 11

9. Láser Nd-YAG

(acrónimo del inglés neodymium-doped yttrium aluminium garnet) es una emisión láser en medio sólido que utiliza el dopaje con neodimio de cristales de óxido de itrio y aluminio (Nd:Y3Al5O12), una variedad de granate, para la amplificación de su radiación de longitud de onda característica de 1064 nanómetros, en el infrarrojo. Los láser Nd-YAG se encuentran entre los dispositivos láser de mayor empleo, aplicándose en el tratamiento oftalmológico de las cataratas, en medicina estética o en procesos industriales, como tratamientos de superficie y mecanizados.

Nivel de energía diagrama de Nd: YAG (La línea sólida indica la transición con la luz y la línea discontinua indica la no radiactivo transición

La luz del láser, gracias a unas propiedades específicas, puede concentrarse de forma aguda con una lente de enfoque convergente. En el foco del rayo láser se produce una densidad de potencia extremadamente elevada, que hace que la luz del láser sea especialmente valiosa para la mecanización del material. Gracias a esta elevada potencia en el foco, se funde o evapora el material. Además la luz del láser puede ser expulsada por medio de una óptica adecuada (espejo) a través de grandes distancias, y ser dirigida y desviada completamente, sin pérdidas. Como sistemas de movimiento se utilizan sistemas de posicionamiento (Láser Plotter) o un escáner galvanómetro. De esta forma surge una herramienta universal, sin desgaste, porque el rayo láser nunca se queda romo.

Los dispositivos láser más extendidos en la industria son los de CO2 y los de Nd:YAG. En ambos casos es preciso el uso de un gas que garantice la protección del baño fundido y el cordón a alta temperatura.

· Láser de CO2:

  Es el más utilizado en la industria del automóvil y de sus proveedores. Para la obtención de soldaduras de gran calidad, la elección de los gases protectores adecuados es fundamental.

Los láseres de CO2 convierten la energía eléctrica en luz láser dirigida que puede ser transmitida a grandes distancias. En el corte por láser se utiliza la radiación para calentar la pieza hasta alcanzar la temperatura de fusión, al tiempo que una corriente de gas a presión arrastra el material fundido. El rayo láser puede ser desviado mediante espejos y enfocado sobre un punto de menos de una décima de milímetro –actúa como una herramienta puntual pudiéndose alcanzar densidades de potencia capaces de fundir o evaporar prácticamente cualquier material La zona afectada térmicamente es muy limitada, lo que evita la aparición de distorsiones. El contorno de la pieza a cortar puede ser de cualquier forma y complejidad, pudiéndose realizar el proceso a altas velocidades.

La aplicación industrial precisa aparatos de alta disponibilidad y larga vida útil, incluso bajo duras condiciones de trabajo.

Los rotuladores láser de CO2 son adecuados para la marcación por láser de aluminio anodizado, metal recubierto o sin recubrir. Con una elevada potencia láser, los láser CO2 producen un viraje de color. Antes de la marcación por láser se rocía el metal desnudo en los puntos relevantes con un spray o con pasta. Gracias a este método se puede producir una marcación de metal de cuasi-quemado, muy resistente.

· Láser – Nd: YAG:

  Ampliamente utilizado en la industria debido a su fácil automatización. El haz, en este caso, permite ser transportado por fibra óptica, lo que facilita su robotización.

  Es normal el uso de dispositivos de 2 a 5 Kw.

  Su longitud de onda, más pequeña que la del CO2, lo hace menos susceptible a la formación de plasma de inducción térmica, por lo que la selección del gas de protección dependerá de otros factores, como el material base.

 Ambos sistemas láser se caracterizan por su económica operación y por su prolongada vida. Los láser de CO2 son adecuados especialmente para la grabación y el corte por láser. Los láseres Nd:YAG son aplicados en particular para la marcación por láser.

En sistemas 2D la mejor focalización proporcionada por el láser de CO2 hace que su utilización esté ampliamente extendida.En sistemas 3D la flexibilidad y simplicidad del sistema proporcionada por la fibra óptica, junto con la mejora en los últimos años de los láseres de Nd:YAG, ha hecho progresar de manera notable su utilización para el corte de metales.

En la mecanización por láser hay diferentes procesos, a saber:

• Grabación por láser

• Corte por láser

• Abrasion

• Templado (revenido)

• Quemado

• Espumado

• Viraje de color y blanqueamiento

Es requisito para la mecanización por láser la absorción de la radiación del láser en el material de base o en una capa de recubrimiento. La absorción depende de la longitud de onda, del tipo de láser y del material. Algunos materiales absorben la radiación del láser de forma excepcional, pero otros, algo peor. Por ejemplo, el aluminio o el latón sin recubrimiento tienen un grado de absorción débil. En este caso se necesita por lo tanto un potente sistema láser.

Aplicaciones a la ingeniería mecánica

En el mundo industrial se han producido avances sustanciales en el desarrollo e implantación de tecnologías láser en todo tipo de materiales, como puede verse en la Tabla 1. Por su parte, en la Tabla 2 pueden verse las ocho familias de aplicaciones industriales, en las que pueden hacerse en algunos casos divisiones importantes, como en el marcado, en el que también se engloban las utilizaciones de baja potencia destinadas al marcaje de material de embalaje con los datos de fecha de consumo preferente y lotes de fabricación, campo en el que se han multiplicado las instalaciones en los últimos años.

Dentro del procesado de materiales, el láser es utilizado como se había dicho en todas las ramas (corte, soldadura, marcado microscópico, etc.) al poder ser empleados en casi todos los materiales y tener una muy buena respuesta en el mecanizado. Se utiliza para:

• Realizar Soldaduras.

• Tratamientos superficiales como:

-       Endurecimiento o temple.

-       Aleación superficial.

-       Recubrimiento superficial.

-       Fusión superficial.

• Corte mediante el láser.

• Taladrado y punzonado.

• Marcado mediante láser.

Tabla 1 Materiales susceptibles de ser tratados mediante láser

Tabla 2 Resumen de aplicaciones industriales del láser

Corte mediante láser

En el corte mediante láser se utiliza la radiación procedente de la fuente láser para calentar la pieza hasta alcanzar la temperatura de fusión, al tiempo que una corriente de gas a presión arrastra el material fundido. La utilización del láser en este campo ofrece muchos aspectos positivos. El haz láser focalizado sobre la pieza tiene unas dimensiones mínimas, de modo que actúa como una herramienta puntual. Por tanto, la zona afectada térmicamente es muy limitada, lo que evita la aparición de distorsiones en piezas que pueden tener contornos muy complejos. El corte por láser se puede realizar sobre chapas finas de metal, madera, plástico, tela o cerámica en fin sobre diversos materiales, desde acero a corcho, pasando por materiales plásticos, etc., para formas en dos y tres dimensiones. Las fuentes láser utilizadas son de media y baja potencia (de 0,4 a 1,2 kw), consiguiéndose realizar cortes en piezas de espesores que van desde los 0,5 a los 8mm, con tolerancias entre +/- 0,05 y +/- 0,1 mm.

Ã, Las ventajas que ofrece el láser sobre las técnicas convencionales en este tipo de utilizaciones son las siguientes:

– Mejor aprovechamiento del material, debido a que la anchura del surco generado es mínima.

– Las paredes de corte son perpendiculares a la pieza y paralelas entre sí.

– La pieza cortada no precisa ningún tratamiento ni limpieza posteriores.

– Se pueden realizar cortes en cualquier dirección.

– El proceso es altamente flexible y automatizado.

– No se precisan cambios de herramienta, lo que aumenta la flexibilidad y eficiencia de los equipos.

-Es un proceso rápido y silencioso.

Dentro de este campo, podemos destacar las siguientes aplicaciones innovadoras:

– Corte de materiales innovadores (Titanio y plástico).

– Corte de vidrio.

Si bien el corte por láser constituye una inversión que -bien aplicada- brinda excelentes resultados, puede conducir a graves errores si usted no está convenientemente asesorado.

Este proceso corta rápidamente chapas finas de metal, madera, plástico, tela o cerámica, con un mínimo de pérdida de material y sin distorsión.

Al mismo tiempo, corta con un altísimo nivel de precisión, permitiéndole realizar tareas sumamente avanzadas y delicadas.

El cuadro 1 Ilustra la aplicación de este tipo de láseres en el corte de diversos materiales. En la mayoría de estas aplicaciones el uso del láser está sincronizado con elementos automáticos o computarizados tales como robots. De esta forma el corte de complicados diseños en diversos materiales puede realizarse en forma rápida y precisa. Hoy en día son ya: innumerables las industrias que utilizan robots-láser en sus líneas de producción, como la industria electrónica y la automotriz.

Criterios de Calidad en el Corte por Láser

Características de Acabado

• Anchura del corte muy fina: entre 0.1 y 0.2 mm para corte fino (2-3 mm) de acero al carbono.

•  Zona de corte libre de oxidación si se utiliza N2 como gas de aporte.

•  Estriación residual en el corte de espesores grandes de materiales metálicos.

•  Corte sin angulación.

•  Inexistencia de tensiones mecánicas.

•  Zona afectada térmicamente inferior a la anchura del corte.

•  Las deformaciones por calentamiento son muy inferiores a las producidas en el resto de cortes térmicos,  ya que la cantidad total de calor aplicada a la pieza es mucho menor.

•  Velocidades de corte superiores a los 7 m/min. para 1 mm de acero al carbono.

•  Superficie de corte perfectamente pulida y brillante para corte de metacrilato.

Causas de Defectos más Comunes

• Exceso de potencia

• Sangrado excesivo

• Presencia de rebabas

• Zona Afectada Térmicamente excesiva

• Presión de gas incorrecta

• Presencia de rebabas

• Aumento de la rugosidad y la estriación

• Aceleración del sistema insuficiente

• Desviación de la geometría de corte real y la programada.

Principales parámetros del Corte por Láser

Prácticamente cualquier material se puede cortar con láser. La calidad de corte y la velocidad final alcanzable dependerán principalmente del material y los siguientes parámetros:

• Láser y potencia utilizados

• Calidad del haz

• Sistema de transmisión del haz (haz directo o fibra óptica)

• Sistema de focalización

• Tipo de gas utilizado

• Calidad del gas

• Presión efectiva del gas en la pieza

Ejemplos de aplicaciones de Corte por Láser:

• Corte de acero al carbono de hasta 20 mm

• Corte de aleaciones ligeras para el sector aeronáutico

• Corte de aceros de alta resistencia para el sector automoción

• Corte de composites para aplicaciones especiales

• Corte de polímeros en el sector de transformación de plásticos

• Corte de madera para aplicaciones decorativas o instrumentos musicales.

Corte láser, materiales en que se aplica

Soldadura con láser

Un láser focalizado se puede emplear en una amplia variedad de procesos de soldadura, entre los que la más tradicional es la de materiales metálicos. La soldadura por láser puede realizarse de dos formas diferentes:

– Por conducción: la profundidad de la zona fundida, inicialmente superficial, aumenta en función de la conductividad térmica y de la distribución de la intensidad de la radiación. Este tipo de soldadura se emplea en la unión de láminas delgadas.

– Por penetración profunda: en este tipo de soldadura se consigue desplazar la zona de mayor temperatura por debajo de la superficie del material, alcanzándose un mayor rendimiento. El material fundido se desplaza hasta la superficie por acción del vapor recalentado y se mantiene allí por efectos combinados de gravedad, viscosidad y tensión superficial, lo que favorece la formación de un cordón de soldadura que aporta excelentes características mecánicas a la pieza.

La afectación térmica reducida, la falta de necesidad de utilizar material de aportación en algunas utilizaciones, la flexibilidad y facilidad del control de proceso hacen del láser una herramienta de gran potencia para aplicaciones de soldadura en materiales difíciles de tratar por otras técnicas. Las soldaduras obtenidas son de alta calidad metalográficas y sin deformaciones dimensionales apreciables, están exentas de poros, grietas y mordeduras, y tienen características similares a la soldadura convencional, en muchos casos sin aporte de material y con una velocidad de proceso seis veces superior.

La fuente láser utilizada depende del tipo de materiales a soldar. Se pueden realizar aplicaciones en piezas de espesores de 1 mm (se habla de "cierto espesor" por encima de 3 mm), con penetraciones máximas de hasta 10 mm.

Existe un ahorro de fases en la operación de soldadura, ya que no afecta a los materiales existentes; por lo tanto, no requiere tratamientos posteriores para eliminación de tensiones. Las aplicaciones de soldadura con y sin aporte, así como la soldadura de bimetales están ampliamente establecidas dentro de la industria. Las novedades en este campo vienen representadas por la soldadura de materiales disimilares, soldadura de aleaciones ligeras, soldadura de oro y las aplicaciones de soldadura de materiales plásticos, que se encuentran en un avanzado estado de desarrollo.

Gases protectores para la soldadura con láser.

El soldeo láser se diferencia de otros procesos de soldeo por fusión (MIG/MAG, TIG…) por su alta densidad de energía, lo que permite un aporte térmico mucho más localizado. Las consecuencias de este efecto son un menor nivel de distorsión, una zona afectada térmicamente más estrecha y una mayor velocidad de soldeo.

La gran mayoría de las soldaduras por láser se efectúan sin aporte de material. Sólo cuando existe un riesgo alto de agrietamiento puede ser  indispensable el uso de material de aporte.

Con láser se puede soldar un amplio espectro de materiales: aleaciones férreas, no férreas e incluso plásticos.

Los dispositivos láser más extendidos en la industria son los de CO2 y los de Nd:YAG. En ambos casos es preciso el uso de un gas que garantice la protección del baño fundido y el cordón a alta temperatura.

La soldadura por láser, aun permitiendo una muy alta velocidad de proceso, es una soldadura de extrema precisión.Además, su alto nivel de automatización, unido a su calidad (sólo superada por la soldadura por haz de electrones) y velocidad de proceso, hace que se halle presente en prácticamente todos los sectores industriales, destacando laautomoción y el sector aeronáutico, sin descartar la electrónica, incluso la joyería.

Soldadura por Key-Hole

En prácticamente todos los materiales se puede realizar sin aporte de material.Se pueden soldar hasta 20 mm de acero al carbono.La zona afectada térmicamente es muy pequeña (algunas décimas de mm).La relación ancho de cordón/profundidad de penetración se sitúa típicamente entre 1/5 y 1/7, pudiendo llegar a 1/10.Las velocidades de soldadura son muy altas, situándose por encima de los 5 m/min para espesores finos (1-2 mm) de acero al carbonoEl tipo de gas de aporte utilizado, la geometría de aporte y el caudal juegan un papel fundamental en la calidad final de la soldadura.

La soldadura por key-hole recibe este nombre debido a la forma transversal típica del cordón de soldadura (similar al ojo de una cerradura)

Efecto de la Focal

La utilización de lentes con focales cortas implica un tamaño de spot menor, lo que permite una mayor concentración de energía y por tanto la posibilidad de una mayor velocidad de proceso. Sin embargo un tamaño de spot más pequeño provoca que el haz presente una longitud de Rayleigh menor (una longitud de la zona donde el haz permanece fuertemente focalizado más pequeña). Por tanto para espesores gruesos será necesario utilizar lentes de focal grande, al objeto de que el haz permanezca fuertemente focalizado en todo el espesor.De esta manera podemos decir que para espesores pequeños es conveniente utilizar lentes de focal corta (excepto cuando por algún motivo queramos tamaños de spot grandes) y para espesores grandes utilizaremos lentes de focal grande. Obviamente la decisión final dependerá de las características de cada proceso en concreto, optándose en ocasiones por focales más grandes de las que "teóricamente" se aplicarían, por ejemplo, cuando tengamos problemas con las tolerancias de posicionado.

Geometrías Básicas de la Soldadura

Soldadura por contacto (a "testa)"

? Altas velocidades de proceso (entre 5 y 10 m/min en la mayoría de los casos).

? Se pueden soldar hasta 20 mm de acero al carbono (con láseres de muy alta potencia).

? Tolerancias en la trayectoria del haz muy estrictas

? Necesidad de una separación en las piezas inferior a 0.1 mm.

Soldadura por transparencia (solape)

? Menores velocidades de proceso que en la soldadura por contacto.

? Se puede controlar la penetración hasta conseguir penetración total (aconsejable en la mayor parte de los casos).

? Ausencia de problemas por la trayectoria del haz.

? Alta resistencia del cordón.

? Problemas de porosidad (evitables) cuando las chapas están zincadas por las dos caras.

Soldadura en T

? Se puede soldar con gran precisión y con una distorsión térmica muy inferior al resto de soldaduras (exceptuando el haz de electrones).

? La zona afectada térmicamente es muy pequeña.

? En los casos en los que no existe penetración total la soldadura puede presentar menor resistencia a la fatiga que en soldadura por contacto o solape.

? Posicionado de la pieza más compleja.

? La parametrización es compleja, ya que es conveniente introducir un determinado decalaje del haz sobre el interior de las dos piezas.

Soldadura de tailored blanks

Los tailored blanks consisten en paneles planos de acero de diferentes espesores y calidades que se sueldan entre si. Una estampación final les dará la forma definitiva. La fabricación de tailored blanks permite disminuir el peso de los coches y controlar la deformación en caso de choque de las piezas

•  Tolerancias en el posicionado de las chapas muy estrictas: gap (separación) inferior a 0.1 mm.

•  Altas velocidades de soldadura: superiores a los 7 m/min.

•  Alta resistencia a tracción de la soldadura (mayor que la del material base).

•  Zona afectada térmicamente muy estrecha.

Búsqueda de Parámetros

La soldadura láser, aún permitiendo una muy alta velocidad de proceso, es una soldadura de extrema precisión (hay que tener en cuenta que se pueden conseguir anchos de cordón de 1-2 mm o incluso inferiores). Es precisamente esta precisión lo que origina que los parámetros de soldadura deben estar muy bien ajustados. Los parámetros más importantes (aunque no los únicos) son:

•  Búsqueda del punto de focalización (posición del spot en, dentro o por encima de la chapa.

•  Búsqueda de la relación potencia-velocidad óptima.

•  Búsqueda del plano de unión (posición del spot en la junta de la soldadura).

•  Búsqueda del decalaje (desviación del haz sobre la posición en la junta).

•  Clamping (presión entre piezas).

Tolerancias

Debido a la gran precisión de la soldadura láser el posicionado de las piezas debe responder a esta precisión. Tolerancias típicas de posicionado sin aporte de material oscilan entre los 0.1 y los 0.2 mm.

Algunos defectos evitables

Una mala parametrización (incluido el posicionado de las piezas) puede ocasionar algunos defectos en la soldadura. La utilización de los parámetros óptimos elimina estos problemas.

• PRESENCIA DE POROS: la mayor parte de las ocasiones están producidos por el atrapamiento de gas en el interior de la soldadura, por tanto hay que evitar contaminación de la superficie que la pueda provocar o, en el caso de ser porosidad producida por recubrimientos volátiles hay que posicionar las piezas dejando un pequeño gap (sin superar las tolerancias de posicionado), que permita la calidad de los gases

• FALTA DE PENETRACIÓN: la velocidad de proceso es excesiva para la potencia utilizada.

• EXCESO DE SALPICADURAS: ocasionadas la mayor parte de las veces por la presencia de aceites o contaminantes en las chapas o por utilización de una potencia excesivamente alta para la velocidad de proceso utilizada.

• FALTA DE FUSIÓN EN RAIZ O SUPERFICIE: además de una mala relación potencia-velocidad, puede estar ocasionada por un excesivo gap entre las piezas.

• AGRIETAMIENTO DE LA SOLDADURA: en este caso no existe ninguna causa que sobresalga de las demás. Puede ser debido a un mal posicionado de las piezas, exceso de potencia, exceso de carbono en el material,… Las causas deben ser determinadas mediante un análisis más exhaustivo.

Aplicaciones de la Soldadura Láser

El tremendo nivel de automatización de la soldadura láser, unido a su alta calidad (sólo superada por la soldadura por haz de electrones), y gran velocidad de proceso (existen procesos industriales donde se suelda espesores superiores a 1 mm de acero con velocidades entre los 8 y 9 m/min), hace que hoy se halle presente en prácticamente todos los sectores industriales, destacando especialmente el sector de automoción, tanto en la fabricación del automóvil por las grandes compañías, como por sus proveedores.El láser se halla presente en la soldadura de los techos con los laterales, pero también en el resto de la carrocería, en la soldadura de los tailored blanks para largueros, puertas,… así como en piezas del motor, engranajes o incluso los plásticos correspondientes a los distintos pilotos y luces.También en el sector aeronáutico se ha demostrado la conveniencia de utilizar el láser para la soldadura de aleaciones ligeras y materiales disimilares, ya que produce soldaduras con resistencias superiores a las conseguidas al soldar por otros métodos.La siguiente tabla muestra un resumen de los principales sectores industriales donde se encuentra el láser y algunas aplicaciones

Sectores de la Soldadura Láser

Taladrado y punzonado

Las técnicas utilizadas para el taladrado y el punzonado son las mismas que las utilizadas en el corte mediante láser (para efectuar un corte hay que realizar un taladro inicial). Con estas técnicas se consiguen penetraciones máximas en piezas de espesores considerables (de hasta 13 mm), y diámetros desde 0,075 mm. Para segurar un taladro correcto en piezas de cierto espesor (por encima de los 3 mm) es importante controlar los niveles de potencia media empleados y los tiempos de interacción, ya que si se sobrepasan ciertos niveles se puede provocar el "reventón" del agujero. LasÃ,  investigaciones en este campo están centradas en la realización de taladrados con la máxima energía posible disminuyendo los tiempos de interacción, sin llegar a explosionar el agujero taladrado, ya que, en la práctica, por motivos obvios de aseguramiento de la calidad de la pieza, son excesivamente bajos y los tiempos de interacción demasiado altos.

Marcado mediante láser

La técnica utilizada normalmente para realizar el marcado mediante láser es por desplazamiento del haz. Con esta técnica se focaliza un haz láser de media potencia sobre la superficie a marcar. El haz se orienta mediante una combinación de espejos galvanométricos de manera que sigue el recorrido del diseño a marcar. En función del tipo de material que se va a grabar, se utilizan distintos tipos de fuentes láser: CO2, Nd:YAG.

Actualmente pueden marcarse una gran variedad de materiales: materiales metálicos, plásticos, vidrio, etc. La profundidad de la zona marcada va desde algunas micras (marcado superficial) a décimas de milímetros (marcado profundo). La superficie máxima de marcado es un cuadrado de 100×100 mm. Mediante la utilización de quipos de baja potencia se puede realizar el marcado de elementos de envasado sobre ventanas preimpresas, sobre todo papel, con los datos sobre lotes de fabricación y fechas de consumo preferente, muy importantes en la industria del envasado de bienes de consumo.

La marcación por láser de metal, como el aluminio anodizado, el acero (noble) y la chapa metálica, es la aplicación en curso en diferentes industrias y sectores. Se utilizan para caracterizar piezas con el correspondiente número de serie, código de barras, código matricial de datos o logotipo. Los rotuladores por láser se adaptan especialmente bien a esta tarea ya que producen una marcación en metal estable térmica y químicamente en piezas de trabajo e instalaciones. La marcación por láser se caracteriza por unas elevadas velocidades de mecanización, precisión y flexibilidad.

ROTULACION

Los rotuladores láser de CO2 son adecuados para la marcación por láser de aluminio anodizado, metal recubierto o sin recubrir. Con una elevada potencia láser, los láser CO2 producen un viraje de color. Antes de la marcación por láser se rocía el metal desnudo en los puntos relevantes con un spray o con pasta. Gracias a este método se puede producir una marcación de metal de cuasi-quemado, muy resistente.

 Con un rotulador por láser Nd:YAG se marcan directamente los metales. Dependiendo de los ajustes del rayo y del material se producen grabados o un viraje de color. Al principio del templado, se pueden conseguir diferentes efectos de color.

Tratamientos superficiales con láser

Los tratamientos superficiales están encaminados a modificar las características superficiales de un material, tanto desde el punto de vista de sus propiedades mecánicas como de la resistencia a la corrosión. Son aplicables a materiales metálicos con alta absorción térmica y suficiente capacidad de disipación de calor por conducción. Los tratamientos superficiales se llevan a cabo con fuentes láser de alta potencia en dos y tres dimensiones. Las aplicaciones más difundidas en esta técnica de tratamientos son las siguientes:

– Endurecimiento o Temple

En este tipo de tratamiento superficial, el láser de potencia se convierte en una herramienta que, dadas sus características, permite actuar sobre zonas puntuales minimizando la interacción con el material base, y creando zonas con características mejoradas sobre las piezas, tales como un aumento en la tenacidad de la zona tratada, y en la resistencia a golpes y vibraciones, lo que redunda en la vida útil. La pieza tratada no debe sufrir posteriores transformaciones ni manipulaciones, quedando lista para su uso; el proceso es rápido y la dureza conseguida es superior a la de un tratamiento convencional. Puede limitarse a áreas concretas de una misma pieza consiguiéndose de esta forma endurecimientos localizados.

– Aleación superficial (Alloying)

La aleación superficial permite la generación de aleaciones sobre la superficie de las piezas para mejorar sus propiedades térmicas y mecánicas frente al desgaste o la corrosión. Las aleaciones realizadas son específicas y puntuales, por lo que tiene la ventaja de que realmente necesita ver mejoradas sus características.

– Recubrimiento superficial (Cladding)

El recubrimiento superficial supone la incorporación de material sobre una superficie para mejorar las propiedades de ésta. Mediante la interacción de un láser de alta potencia con un polvo metálico o no metálico pueden crearse capas de espesor controlado sobre las superficies metálicas. Los recubrimientos superficiales se pueden realizar con materiales antidesgaste, anticorrosión, de características especiales, etc. Confiriendo las características superficiales requeridas a la superficie tratada.

– Fusión superficial (Melting)

Otra posibilidad reside en la reconstrucción de piezas dañadas o desgastadas mediante la adición del mismo material en el que esté construida la pieza. Asimismo, puede procederse al sellado de capas de deposición realizadas mediante la aplicación de plasma, confiriéndoles mayor adherencia al substrato y un grado de compacidad superior al obtenido mediante la técnica original. Otras aplicaciones son la ablación o eliminación de materiales adheridos a substratos y la realización de vitrificados estructurales, donde se consiguen profundidades máximas de 50 mm. Otro tipo de actuaciones a destacar por su componente innovador son los recubrimientos y los tratamientos superficiales de diferentes componentes metálicos. Un ejemplo es la fusión superficial de titanio en atmósfera de N2 para conseguir capas de nitruro de titanio.

Abrasión

 Con la abrasión se volatiliza o evapora una capa superficial. Las capas superficiales finas, como las capas de pintura o de anodizado, son especialmente apropiadas para el grabado por láser. Puesto que la radiación láser resulta particularmente bien absorbida en estas capas, una potencia de láser baja es capaz de producir fuertes contrastes. En plásticos pintados se puede crear, mediante la abrasión de la capa de pintura, un diseño diurno/nocturno, por ejemplo, los salpicaderos de automóviles. 

Templado (revenido)

Si se calienta el metal, éste se tiñe por un efecto de templado. Esto se produce por las modificaciones de la textura en la capa extrema. Con el láser se pueden calentar las superficies de forma controlada. La coloración o tintado dependen de la temperatura máxima lograda. De esta forma, dependiendo de los parámetros del láser, pueden crearse colores claros y oscuros de templado. Si se calientan las piezas rotuladas por revenido o templado, podría desaparecer la rotulación.

Viraje de color y blanqueamiento Este efecto sólo se puede conseguir con plásticos. Depende de la longitud de onda de la radiación láser y exige, por regla general, un láser Nd:YAG regular o un láser Nd:YAG especial de doble frecuencia. La radiación láser penetra en el plástico y es absorbida en pigmentos. Si los pigmentos se modifican químicamente, entonces se produce una modificación del color en el material. Puesto que la radiación láser penetra en el plástico, la superficie queda prácticamente sin daños. La modificación de color depende del pigmento y, también, del material de base.

Recocido Una marca de contraste puede ser creada usando un efecto de recocido en los materiales metálicos. El rayo láser calienta el metal, creando cambios estructurales en la superficie. El color de la marca está determinado por la temperatura máxima alcanzada en el metal, las propiedades del metal y los parámetros seleccionados en el láser. La técnica de recocido tiene una característica única en el sentido de que produce marca de contraste sin perturbar el acabado de superficie del metal.

Quemado Los metales se rotulan mejor quemando por inserción las capas superficiales con polvo cerámico. La capa superficial es aplicada mediante un procedimiento de pulverización, y, vuelve a quitarse tras el grabado. Si se necesita este procedimiento para grabar por láser, entonces se pueden conseguir grandes contrastes en los metales de baja absorción, mediante un láser de CO2. En el metal se da un proceso de oxidación en la superficie. Para el grabado del vidrio con láser Nd:YAG hay igualmente un polvo adecuado.

Espumado

En determinados plásticos, con la mecanización por láser se produce un espumado. El rayo láser funde la superficie del plástico. Por ello se producen burbujas de gas que al enfriarse el material, quedan cerradas. Mediante el gas encerrado se forma el volumen, y los puntos que han sido mecanizados por el láser, quedan visibles en relieve, salientes.

Grabación por láser Cuando se graba por láser, el material de base es fundido o evaporado por la radiación láser. La intensidad de la radiación láser deberá por tanto superar un valor límite determinado, la denominada intensidad de valor umbral. La intensidad de valor umbral es especialmente elevada en materiales que presenten una alta conductividad eléctrica. Por el perfil del rayo y, eventualmente, por la conducción térmica en el material de base, se produce una profundización en forma cónica. La grabación por láser es el método más rápido de la mecanización por láser.

Las grabadoras por láser también son muy adecuadas para la fabricación de placas metálicas. Las plantillas se producen en un programa gráfico y pueden ser transmitidas a la grabadora fácilmente mediante un sencillo procedimiento de impresión. El grabado de placas es rápido, limpio y de gran calidad. Se produce sin contacto alguno; se ahorra tener que tensar la pieza de trabajo.

Micro: reparación de moldes y matrices por laser

Ventajas:

• Mínima zona afectada térmicamente. No se producen deformaciones.

• Posibilidad de soldaduras extremadamente finas con varillas desde 0,25 mm de diámetro.

• No precisa precalentamiento de la pieza.

• No genera rechupes.

• Posprocesado mínimo.

• Durezas resultantes de 45 a 60 HRC sin fisuras ni poros.

• Posibilidad de soldar Aluminio y Cobre.

Gases para la tecnología láser

La tecnología láser se complementa con ciertos gases imprescindibles para llevar a cabo las funcionalidadesbien de corte o bien de soldadura láser.

Se utilizan gases de alta pureza o mezclas de ellos para generar el haz láser en los resonadores de CO2.

También se utilizan gases de aporte para expulsar el metal fundido o vaporizado en la zona de corte, para un aporte adicional de energía, para la protección del camino óptimo o para controlar la formación de plasma y proteger la zona de soldadura.

Gases para el resonador

• Solo para láseres de CO2.

• CO2 La transición entre dos de sus estados de oscilación molecular es la responsable de la emisión láser.

• N2 Transfiere energía a la molécula de CO2, ya que la probabilidad de transición del CO2es muy pequeña.

• He Desexcita las moléculas de CO2.

Gases para el resonador. Mezclas

• Línea de gases para resonadores láser LASERGAS.

• Laser gas-1: He, N2, CO2.

• Lasergas-3: He, N2, CO2.

• Lasergas-4: He, N2, CO2, H2.

• Lasergas-6: He, N2, CO2

• Lasergas-8: He, N2, CO2, CO.

• Lasergas-10: He, N2, CO2. Caudal: 10 l/h

• Lasergas-12: He, N2, CO2.

• Lasergas-slab: He, N2, CO, CO2, O2, Xe. Caudal: 0,3 l/h (consumo por cargas)

 Gases para el resonador. Gases puros.

• Helio C-50: Pureza > 99,999%

Caudal: 13-20 l/h, 5-7 bar

• Nitrógeno C-50: Pureza > 99,999%

Caudal: 6-8 l/h, 5-7 bar

• Dióxido de carbono C-45: Pureza > 99,995%

Caudal: 1-1,5 l/h, 5-7 bar

Gases de Aporte para Corte

• Oxígeno Seco: Pureza > 99,5%

Caudal: 1-6 Nm3/h, 1-6 bar

• Oxyláser: Pureza > 99,95%

Caudal: 1-6 Nm3/h, 1-6 bar

• Nitrógeno Seco: Pureza > 99,95%

Caudal: 5-70 Nm3/h, 6-20 bar

• Nitrógeno C-45 (líquido): Pureza > 99,995%

Caudal: 1-6 Nm3/h, 1-6 barGases de Aporte para Soldadura

• Control del plasma:

• Nube de plasma = Mezcla de plasma metal + Gas de aporte

• Capacidad de absorción de radiación

• Posterior irradiación de la luz láser

• Capacidad para desfocalizar el haz

• Gas de protección

• Desplazar el aire de la zona de soldadura:

• Baño de fusión

• Z.A.T. (Zona Afectada Térmicamente)

• Evitar la contaminación por:

• Oxígeno

• Nitrógeno

• Humedad

Helio:

• Mayor PI

• Menor densidad

• Más eficaz de los 3 gases

Argón:

• Bajo PI

• Densidad intermedia (entre He y N2)

• Para bajos caudales puede ser una alternativa

Nitrógeno:

• Bajo PI

• Densidad muy alta

• Menos recomendable de los 3 gases

• Helio: Pureza > 99,95%Caudal: 15-20 l/min, 1-2 bar

Argón: Pureza > 99,99%Caudal: 30-40 l/min, 1-2 bar

Peligros del Láser

Un láser o sistema láser utilizado debidamente no es peligroso pero si se utiliza de manera inapropiada puede herir gravemente al usuario.

– Radiación Láser- Riesgo de electrocución- Riesgo de incendio- Riesgo de ruido– Riesgo tóxico- Riesgo mecánico

Principales causas de accidente en instalaciones láser

• Exposición inapropiada de los ojos durante operaciones de alineamiento

• Uso inexistente o inadecuado de las protecciones oculares

• Shock eléctrico debido a acceso inadecuado a fuentes de alta tensión

• Inexistencia de protecciones contra riesgos asociados al láser pero no provenientes del haz

• Puesta en marcha inadecuadas

Mal funcionamiento del equipo

 Efectos de la radiación

Longitudes de onda inferiores a 400 nm se absorben en el cristalino.Longitudes de onda entre 400 y 1400 nm focalizan en la retina. Sin embargo sólo hasta 700 nm producen deslumbramiento. Entre 700 y 1400 nm el reflejo al dolor se produce por quemadura (el más lento de todos)Entre 1400 y 1900 nm la luz se absorbe principalmente en el humor acuoso (detrás de la córnea)Por encima de 1900 nm la luz se absorbe en la córnea.

Medios de protección

• Instalar pantallas en las instalaciones con materiales adecuados que absorban las reflexiones o incidencias accidentales.

• Utilizar gafas de protección adecuadas cuando sea necesaria la presencia humana en zonas peligrosas o exista imposibilidad de apantallamiento.

• Eliminar de la zona de trabajo materiales fácilmente inflamables (si el material inflamable es el que se procesa, extremar las precauciones)

• Seguir todas las normas de seguridad eléctrica.

• Utilizar sistemas de ventilación que eliminen los humos nocivos causados por el proceso.

• Seguir todas las normas de seguridad mecánica, eléctrica y de gases.

• Herramienta imprescindible: una formación adecuada

Conclusión

El láser es una herramienta multifuncional. La geometría de la pieza puede ser simple o intrincada – el láser resuelve ambos casos con la misma facilidad.

La importancia del software de control en estas tecnologías es básico, ya que se controlan desde los parámetros del haz de luz como velocidad y frecuencia, hasta los movimientos del mismo cabezal o pieza (según que desplacemos), mediante en control numérico (CNC).

En la operación de corte por láser se divide un material en forma de placa mediante un rayo láser dirigido. Distinguimos básicamente entre corte láser por fusión y corte láser por sublimación. En el corte láser por fusión se funde o se evapora el material, por ejemplo, un material acrílico. En el corte láser por sublimación se evapora el material, por ejemplo, la madera, saltándose la fase de licuefacción.

El corte por láser es una herramienta de precisión, fácilmente ajustable, y que no necesita contacto mecánico con la pieza. Nos permite cortar piezas de alta precisión a una altísima velocidad de corte; además es un proceso rápido y silencioso orientado al corte de chapas finas de metal, madera, plástico, tela o cerámica, con un mínimo de pérdida de material y sin distorsiones.

La unión de las piezas mediante soldadura por láser también ofrece grandes ventajas. Aquellas aplicaciones de soldadura que son difíciles o incluso no pueden ser realizadas usando técnicas comunes son factibles usando la alta densidad de potencia de un rayo láser enfocado. La combinación de la alta calidad del cordón de soldadura y la rapidez del mecanizado dan como resultado una excelente productividad y eficiencia.

Si se quieren unir varias piezas mediante soldadura, por ejemplo componentes modulares de diversas variantes de un modelo, el láser realizará esta tarea de forma rápida y segura y con costuras de soldadura ópticamente atractivas que no necesitan repasos. Con la muy buena accesibilidad de la luz láser también se pueden mecanizar costuras de soldadura interiores o parcialmente ocultas. Debido a la baja aportación de calor se consiguen costuras de máxima calidad que incluso permiten procesos de conformado posteriores. Además, el láser se puede integrar fácilmente en líneas de producción automatizadas y resulta muy económico y seguro debido a que trabaja sin contacto y por tanto sin desgaste de los útiles.

Esta tecnología podría, por tanto, sustituir a la electroerosión y al centro de mecanizado en algunas aplicaciones. De todas formas, el rayo láser extrae muy poco material por unidad de tiempo y, por este motivo, esta aplicación sólo es adecuada para pequeñas operaciones de grabado.

Es imprescindible conocer los riesgos asociados al láser, pero también aquellos que son comunes con otros tipos de instalaciones, especialmente los eléctricos y mecánicos.

La utilización de unas normas de seguridad básicas junto con la formación del personal implicado permite la utilización del láser de una manera totalmente segura.

Bibliografía

Metal handbooks tomo 6 Weld, brazing and soldering

http://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%A1ser

http://cadcamcae.wordpress.com/2007/04/24/mecanizado-laser/

www.plasmo.eu/…/Durchshuss.jpg

www.dmgcanada.com/ino/journal_2009_01/images/

www.es.trumpf.com/206.Mecanizado_laser.html

www.monografias.com/trabajos61/laser-aplicaci..

www.df.unipi.it

www.nibbler.com.ar/news.cgi?accion=vernew..

www.servilaserplus.com/serv_teoria_pag03.html

Autor:

Alejandro Pino

Pedro Briceño

Asignatura: procesos de fab. II

Profesor: Wilson Urrutia

Fecha: 10-06-2009