Conformación de pulsos láser para unir materiales diferentes

La soldadura láser de materiales disímiles es un proceso dinámico y ha llegado su momento.

Cuando se requiere este tipo de soldadura (en electrónica, dispositivos médicos, bienes de consumo, aplicaciones automotrices y aeroespaciales), la soldadura por láser de fibra se destaca como un proceso superior. Reduce los costos de fabricación al tiempo que ofrece flexibilidad de diseño.

En teoría, un láser puede soldar cualquier material que pueda unirse mediante procesos convencionales. Sin embargo, debido a sus diferencias en las propiedades físicas y químicas, como los puntos de fusión y ebullición, la conductividad térmica, la densidad y el coeficiente de expansión, pueden surgir problemas al soldar materiales diferentes, lo que hace que la unión resultante sea inaceptable.

En la Tabla 1 se ilustra la soldabilidad de pares de metales. Al soldar metales diferentes, una buena solubilidad sólida es esencial para obtener buenas propiedades de soldadura. Esto se logra sólo con metales que tienen rangos de temperatura de fusión compatibles. Si la temperatura de fusión de un material está cerca de la temperatura de vaporización del otro, se produce una mala soldabilidad y, a menudo, significa la formación de estructuras intermetálicas frágiles.

En el pasado, la mayoría de los proyectos de soldadura diferentes se realizaban con láseres de lámpara pulsada Nd:YAG. Los láseres bombeados por lámpara son capaces de producir pulsos largos de varios milisegundos con potencias máximas muchas veces superiores a la potencia promedio nominal del láser, siempre que el ciclo de trabajo sea suficientemente bajo. Los láseres Nd:YAG bombeados por lámpara y pulsados ​​de alta potencia máxima, junto con capacidades de conformación de pulsos, hacen que estos láseres sean ideales para soldar materiales diferentes. Una profundidad de soldadura demasiado profunda, que puede provocar uniones defectuosas y también profundidades de soldadura insuficientes, se puede evitar adaptando la potencia inicial y la potencia final correcta a la geometría de la junta y a las propiedades del material (Figura 1).

En Prima Power Laserdyne, los expertos en soldadura han desarrollado una gama de formas de pulso para mejorar la calidad de la soldadura al reducir el agrietamiento y la porosidad. Su objetivo ha sido proporcionar soluciones de soldadura de materiales diferentes en aplicaciones de productos propensos a defectos de soldadura como grietas, porosidad o una combinación de ambos. Las industrias más comúnmente afectadas incluyen la automotriz, médica, electrónica y aeroespacial. Se generó una variedad de formas de pulso utilizando el nuevo sistema LASERDYNE 811 con un controlador S94P, que incluye un complemento de funciones de hardware y software diseñadas para dar forma a pulso. Estos proyectos se llevaron a cabo con láseres de fibra de onda continua (CW) y de onda casi continua (QCW).

Los siguientes son dos ejemplos en los que se utilizó la conformación por pulsos para mejorar la calidad de la soldadura durante la soldadura láser de materiales diferentes.

La fundición gris se utiliza mucho en la industria del automóvil. Una limitación importante es la soldabilidad de un material diferente sobre hierro fundido debido al agrietamiento en caliente y la formación de porosidad como resultado de la falta de ductilidad del grafito y el proceso de fundición. En el primer ejemplo, una parte de un componente automotriz requirió unir acero inoxidable 304 con hierro fundido gris en una configuración de soldadura de superposición parcial. En el proceso anterior, la pieza se soldaba con soldadura por haz de electrones (EBW) para reducir la formación de porosidad excesiva y eliminar el agrietamiento de la interfaz. El usuario final deseaba reemplazar la EBW con soldadura por rayo láser (LBW) para reducir el costo por soldadura y la preparación de la soldadura. La mayor diferencia es que la EBW se realiza al vacío, mientras que la soldadura láser se realiza en un entorno de presión de aire ambiente y se elimina del proceso el peligro de los rayos X. Se llevó a cabo un trabajo de desarrollo para diseñar parámetros láser que fueran capaces de producir soldaduras de la misma o mejor calidad en comparación con EBW, es decir, sin porosidad ni grietas en la interfaz. El trabajo de desarrollo de parámetros del láser, incluida la forma del pulso, se llevó a cabo con el láser de fibra CW.

Los exámenes microscópicos del metal de soldadura realizados con una salida láser CW estándar mostraron una porosidad severa en la porción de hierro fundido de la soldadura (Figura 2). No hubo señales de microfisuras en la interfaz conjunta. La soldadura realizada con el controlador LASERDYNE S94P y el modelado por pulsos produjeron soldaduras libres de porosidad (Figura 3).

El segundo ejemplo se centra en la industria aeroespacial. Las técnicas de soldadura y unión juegan un papel importante en el sector aeroespacial, tanto para la fabricación de piezas nuevas como para la reparación de estructuras y componentes aeroespaciales. La mayoría de los componentes de los motores de aviación están fabricados con superaleaciones a base de níquel. La mayoría de estos materiales para motores de aviones son susceptibles a la porosidad, al agrietamiento o a ambos durante la soldadura láser. El riesgo de agrietamiento de la soldadura y de formación de porosidad depende de las condiciones de soldadura. En gran medida, estos defectos de soldadura se pueden evitar cambiando el proceso de soldadura, es decir, optimizando el láser y los parámetros de procesamiento.

Un componente aeroespacial requería soldadura láser de Haynes 230 (aleación de níquel-cromo-tungsteno-molibdeno tratada con solución) a Waspaloy (superaleación de níquel-cromo-cobalto endurecible por envejecimiento) en una configuración de soldadura superpuesta. Los requisitos de calidad de la soldadura fueron que no hubiera grietas ni porosidad en la zona de fusión, considerando que ambas aleaciones son propensas a agrietarse cuando se sueldan individualmente.

La Figura 4 muestra una unión soldada diferente entre dos aleaciones a base de níquel soldadas con salida CW. La soldadura se realizó con dos gases de protección diferentes, es decir, nitrógeno y argón, respectivamente. La soldadura láser con gas protector de nitrógeno resultó en microfisuras en la interfaz pero no porosidad, mientras que las soldaduras realizadas con gas protector argón no tuvieron grietas pero sí una porosidad excesiva. La porosidad reducida con el gas protector de nitrógeno se debió a la reducción de la tensión superficial del baño fundido, lo que permitió que las burbujas escaparan más fácilmente del baño de soldadura.

Se realizaron más pruebas con configuración de pulsos para mejorar la calidad de la soldadura. Estas operaciones se realizaron únicamente con gas de protección nitrógeno. Los resultados mostrados en la Figura 5a y la Figura 5b muestran que no hubo signos de microfisuras en la interfaz de la junta. La penetración de la soldadura y el ancho de la interfaz son ligeramente diferentes en comparación con las soldaduras realizadas con salida CW; sin embargo, la forma de la soldadura se puede controlar ajustando la potencia promedio y la velocidad de la soldadura sin cambiar la configuración de la forma del pulso.

El trabajo de desarrollo de Prima Power Laserdyne con la conformación de pulsos láser ha logrado soldaduras de alta calidad de materiales diferentes. Estos nuevos procesos y las capacidades del controlador LASERDYNE SP94 mejoran la calidad de la soldadura al resolver las microfisuras y la formación de micro y macro porosidad. La empresa ha desarrollado procesos adicionales de forma de pulso para evaluar y mejorar muchas otras aplicaciones de la soldadura por láser de fibra.

Para obtener más información llame al 763-433-3700 o visite www.primapowerlaserdyne.com.

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