Soldadura per raig làser
La soldadura per fes [o raig] làser (o LBW, per les sigles en anglés, laser-beam welding) és un procés de soldadura per fusió que utilisa l'energia aportada per un fes làser per a fondre i recristalizar el material o els materials a unir, obtenint-se la corresponent unió entre els elements involucrats. En la soldadura làser comunament no existix aportació de cap material extern. La soldadura es realisa pel calfament de la zona a soldar, i la posterior aplicació de pressió entre estos punts. De normal la soldadura làser s'efectua baix l'acció d'un gas protector, que solen ser heli o argón.
Per mig d'espills es focaliza tota l'energia del làser en una zona molt reduïda del material. Quan s'aplega a la temperatura de fusió, es produïx l'ionisació de la mescla entre el material vaporizado i el gas protector (formació de plasma). La capacitat d'absorció energètica del plasma és major inclús que la del material fos, per lo que pràcticament tota l'energia del làser es transmet directament i sense pèrdues al material a soldar.
L'elevada pressió i elevada temperatura causades per l'absorció d'energia del plasma, continua mentres es produïx el moviment del cabezal arrastrant la "gota" de plasma rodejada en material fos a lo llarc de tota la cordonera de soldadura.
Per a controlar la gruixa de la cordonera de soldadura, l'esgambi i la profunditat de la penetració es poden utilisar un atre tipo d'espills com són els espills de doble foc.
D'esta manera es conseguix una cordonera homogénea i dirigit a una chicoteta àrea de la peça a soldar, en lo que es reduïx la calor aplicada a la soldadura reduint aixina les possibilitats d'alterar propietats químiques o físiques dels materials soldats.
Depenent de l'aplicació de la soldadura, el làser de la mateixa pot ser amplificat en una mescla d'itri, alumini, granate i neodimi, si es requerix un làser de baixa potència, o l'amplificat per gas com el diòxit de carbono, en potències superiors als 10 quilovats i que per tant són amprats en soldadures convencionals i poden aplegar fins als 100 quilovats.
Els sistemes de varis quilovats en contínua s'utilisen per a seccions grosses lo que fa que la soldadura puga aplegar a ser més profunda. Per a evitar la formació de bombetes d'oxigen durant la fase líquida del material s'utilisen algun tipo de gas inerte, com poden ser l'argón o el heli. D'esta forma es produïx una miqueta de porosidad, deixant escapar dites bombetes.
Servix per a soldar relacions d'ample-profunditat d'entre 4-10.
Característiques del procés
[editar | editar còdic]El làser d'alta potència utilisat per a la soldadura es tracta d'un dispositiu que amplifica la radiació en una determinada llongitut d'ona i l'emet com fes coherent, casi paralel, el qual pot enfocar-se per a produir una certa cantitat d'energia capaç de fondre en material en el qual s'està treballant. Esta densitat d'energia pot ser del mateix tipo d'un fes d'electrons, utilisat per a la soldadura. El nom de làser està format per les lletres inicials del procés d'este tipo de radiacions: light amplification by stimulated emission of radiation.
Funcionament del làser (vore Figura 1.)
[editar | editar còdic]
- Els àtoms o molècules del material fluorescent són violats per bombardeig en llum o energia elèctrica (a) i es coloquen en nivells d'energia més alts (b). Es veuen debilitats per emissió espontànea i la major part dels fotons emesos que es troben desplaçats a lo llarc de l'eix del tubo generen més potència per emissió estimulada d'atres àtoms excitats sent aixina amplificada la llum (d). En l'espill reflectante (i) els fotons es reflectixen cap a arrere a lo llarc del tubo per a poder ser majorment amplificats. (f) En la finestra d'eixida alguns fotons es reflectixen per a continuar amplificant-se i el restant es transformen formant el fes eixint. Les etapes anteriors es produïxen casi simultàneament.
Dins del camp de soldadura per raig làser es poden trobar varis tipos com:
- Làsers d'estat sòlit.
- Làsers de gas.
Làsers d'estat sòlit
[editar | editar còdic]- Artícul principal → Làser d'estat sòlit.
Un dels materials més corrents per a este tipo de làser i també capaç d'entregar una potència elevada és el ion de cromo en un cristal de rubí. Un atre material per a este tipo de làser en estat sòlit és el granate d'itri i alumini dopat en neodimi o YAG. Una atra forma de caràcter pràctic de làser pot consistir en una vareta de rubí de 10 mm de diàmetro i 110 mm de llarc en els seus extrems rectificats en una gran precisió i poliments. El cristal pot ser irradiado per mig d'un tubo de descàrrega de xenón. Els ions de cromo en el cristal emeten radiació estimulada, per açò, la que va en un sentit axial es reflectix cap a un costat i un atre entre els extrems d'est. L'intensitat de radiació s'eleva i el fes del làser és irradiado per l'extrem que es troba menys polit.
Els alts nivells d'energia per a poder produir el fes del làser solament poden conseguir-se de manera intermitent, per a poder realisar este procés de intermitencia en el làser descarregarem una bateria de condensadores a través del tubo de descàrrega de xenón. Estos condensadores es troben carregats a un voltage entre 1,2 i 4,4 KV. l'intensitat lluminosa del tubo s'eleva en 1 ms al seu valor màxim i descendix de forma exponencial dins d'un periodo de 10 ms. En aproximadament 5 ms es produïx l'emissió de llum coherent dins d'una série d'impulsos. El rendiment total obtingut és del 1% en una eixida entre 3 i 55 juliol.
Tot açò nos permet obtindre una concentració d'energia per damunt dels 109 W/mm², el qual és un nivell molt òptim per a poder fondre el material. Quan treballem en estes densitat d'energia este procés es pot utilisar també per al trepat de forats i tallat en peces. Per a poder soldar en el làser l'energia produïda no deu aplegar més ràpida de lo que pot ser conduïda com a calor; açò exigix un impuls menys agut i més sostingut que es conseguix aumentant l'inductància del tubo o amprant una conducció de retardo.
El làser de rubí és utilisat per a trepar cojinetes de rubí per a rellonges i renc a escala microscòpic.
Làsers de gas
[editar | editar còdic]- Artícul principal → Làser de gas.
El làser més beneficiós per a la soldadura i el tall és el CO2, el mig emissor per a este tipo de làser és una mescla d'anhídrit carbónico, nitrogen i heli. Pot treballar contínuament i ha segut desenrollat per a l'entrega de baixos vats i inclús per damunt de 20 kW. La radiació es troba en la regió del infrarrojo lluntà de l'espectre, obtenint una llongitut d'ona d'uns 10,6 μm. Un dels làsers més típics de CO2 està comprés per un tubo de vidre pel qual circula una mescla de gas en electrodos en cada extrem els quals produïxen una descàrrega d'alt voltage. En un dels extrems del tubo es troba estajat un espill reflectante de superfície dorada gelat per aigua, mentres que en l'extrem opost hi ha una finestra reflectante en part, l'espai entre abdós rep el nom de cambra del làser. En les finestres s'utilisen rodajas d'arseniuro de germani o gali en montages gelats per aigua.
El rendiment del 10 al 25% es traduïx que del 75 al 90% de l'energia de la descàrrega es dissipa en el gas. Un increment de la temperatura del gas causaria la desestabilisació del anhídrit carbónico i una caiguda en energia d'eixida, per això deu fer-se circular contínuament a través del tubo permetent que partix de la calor que es produïx tinga contacte en les parets de vidre les quals deuen ser gelades en aigua. Este procés és cridat làser de fluix axial llent i en ell, el gas pot desfer-se o reciclar-se per mig d'un bescanviador de calor.
Si el gas és transportat a través del tubo del làser d'alta velocitat per mig d'un soplante, la pèrdua de calor produïda en les parets és molt chicoteta i per tant és despreciable, per això estes no necessiten ser gelades per aigua, pero tota la calor en excés deurà reduir-se per mig d'un bescanviador en algun punt del circuit del gas; est és el làser de fluix axial ràpit i el gas és recirculado per un soplante. Els làser de fluix axial llent poden suministrar al voltant de 50-70 W per metro de llongitut de la cambra, no obstant els làser de fluix axial ràpit poden generar fins a 600W per metro. Són possibles atres disposicions en les quals el gas passa transversalmente a través de la llínea de descàrrega i permeten cavitats òptiques més curtes i majors potències d'eixida. Per damunt dels 2,8 kW no poden amprar-se finestres d'eixida reflectantes perque es veuen someses excessiva calor, i en el seu lloc s'ampra una bateria d'espills en una finestra de aluro no reflectante, totalment transmisora, o una obertura.
Quan la densitat de potència en el punt enfocat del làser excedix de 12 kW/mm², té lloc un canvi en la cantitat d'energia absorbida per la superfície. Per baix de dita sifra una cantitat generosa d'energia que aplega a la superfície es reflectix, pero una volta s'ha superat el nivell de llindar, el raig làser incidix en característiques perforantes, produint una transferència de calor millorada. Per a realisar cordoneres planes, és necessari protegir el bany per mig d'un gas inerte observant-se que quan és utilisat heli per a este fi el plasma obtingut, és menys visible que quan és utilisat argón.
La soldadura en la pràctica no és fiable per baix d'un nivell de potència d'1,7 kW, pero a major potencia la capacitat de penetració és d'uns 2,5 mm/kW. Per això un nivell de potència de 5 kW introduïx dins de la capacitat del làser una gama àmplia de possibles aplicacions. El cort en làser de CO2 es realisa per mig d'una chorrada de gas coaxial en el raig làser. Açò s'obté fent passar el raig làser a través d'una cambra que termina en una filtre d'aproximadament 1,2 mm de diàmetro. La cambra es troba plena de gas a pressió i tant el gas com el raig làser ixen a través de la filtre, la qual es troba per damunt de la superfície a tallar entre 1 i 2 mm. Quan es tallen metals férreus es veu aprofitada la reacció exotèrmica entre el metal i l'oxigen per a obtindre energia extra. Els òxits fosos produïts es rebugen a través de la peça per la pressió de la chorrada d'oxigen. Si la velocitat de tall és molt baixa la reacció d'oxidació es manté per sí mateixa i per açò obtenim el resultat d'un tall irregular. A velocitats molt altes l'ample de cort és controlat pel làser, per mig del qual s'obté un ample de 0,6mm. Est és un procés de tall de baixa deformació. La gruixa que es podrà tallar dependrà de la potència del làser i est pot ser de fins a 14 mm en 2,3 kW.
Per a la realisació de tall de materials no metàlics deurem ajudar-nos per mig d'una chorrada de gas coaxial, pero no d'oxigen perque no nos proporcionarà una reacció exotèrmica en tals materials. No obstant és factible utilisar una chorrada de nitrogen, aire o gas inerte, que rebuge els productes de descomposició i vapors produïts per la calor del làser.
En l'àmbit industrial modern, l'evolució de la soldadura làser s'ha enfocat en la tecnologia de fibra. A diferència dels métodos d'arc elèctric convencionals, el làser de fibra concentra una alta densitat d'energia que permet focalizar el fes en extrema exactitut. Açò reduïx dràsticament la Zona Afectada per la Calor (ZAT), una característica tècnica fonamental per a realisar treballs de precisió o unions de materials disimilares i prims sense comprometre l'integritat estructural ni causar deformacions tèrmiques en la peça.[1]
Aplicacions
[editar | editar còdic]S'utilisa principalment per a soldar:
- Peces de transmissions en l'indústria automotriz.
- Peces unitàries grans.
- Séries grans i en bons acabaments.
- Peces d'electrodomèstics.
- Peces per a l'indústria aeronàutica d'alumini, titani o níquel.
- Indústria del ferrocarril.
- Recipients a pressió.
- Indústria alimentària, a l'hora de realisar embalage d'aliments, cuchilles de cort.
- Per a instrumental mege i quirúrgic.
- Odontologia.
Vore també
[editar | editar còdic]Referències
[editar | editar còdic]Bibliografia
[editar | editar còdic]- Fonaments de manufactura moderna: Materials, processos i sistemes, de Mikell P. Groover
- Tecnologia dels processos de soldadura, de P. T. Houldcroft
- Manual del soldador', de Germán Hernández.
Referències
[editar | editar còdic]
- Este artícul conté una traducció derivada de «Soldadura por rayo láser» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.