36 PROCESOS Foto: audi-mediaservices.com Soldadura Láser: Un Gran Aporte para Pequeñas Reparaciones Jose Luis Ordóñez Jiménez Periodista Metal Actual Seis veces más veloz que la soldadura convencional. Industrias dedicadas a la producción de materiales metálicos deben reparar periódicamente partes y piezas de máquinas que ha sufrido algún tipo de rotura o desgaste, con la finalidad de no detener su funcionamiento, y producción. En este punto, la soldadura láser permite recuperar dichas piezas de manera rápida y precisa, para ahorrar tanto en costos, como en tiempos muertos. Debido al desgaste propio del uso constante, tanto moldes de inyección, como tubos y piezas de maquinaria, presentan defectos en sus estructuras, lo cual hace que sus ángulos pierdan las dimensiones exactas con las que fueron diseñados, en estos casos es necesario el remplazo inmediato de las piezas, para permitir el óptimo funcionamiento del equipo y evitar así que el ritmo de operaciones y producción se detenga. Si bien, el cambio de dichas piezas es la alternativa ideal para la solución a este tipo de inconvenientes, los altos costos y el tiempo requerido para encontrar los repuestos necesarios, hacen que las empresas opten por pensar en la reparación, por medio de métodos de soldadura eléctrica como MIG o TIG, antes de adquirir una pieza nueva, para prolongar la vida útil del equipo en cuestión.
PROCESOS 37 Esta clase de recuperación por soldadura es adecuada para grandes fisuras, pero en piezas con dimensiones pequeñas, por ejemplo en moldes o troqueles, estas se verían afectadas por las altas temperaturas que maneja el soldeo convencional, y no cumpliría con los requisitos mínimos para una óptima reparación. En este punto se hace necesario pensar en un tipo de soldadura que sí pueda suplir los requerimientos, y a su vez presente resultados óptimos para el normal funcionamiento de la maquinaria. De esta manera, los sistemas de soldadura láser se han convertido en la alternativa efectiva para la reparación de moldes y reconstrucción de piezas con fisuras, debido a que ofrece rapidez en el soldeo, gracias a que utiliza una alta energía calorífica, generada instantáneamente a través de un láser focalizado, para fundir los alambres de soldadura en la pieza deseada, dando como resultado una fusión firme con el sustrato original. La soldadura láser a diferencia de otros procesos por fusión como MIG/ MAG o TIG, genera una alta densidad de energía, lo que permite un aporte térmico mucho más preciso, con un nivel de distorsión menor y una zona afectada térmicamente más estrecha. La soldadura láser para pequeñas piezas puede automatizarse por completo, y se pueden reparar piezas tratadas y no tratadas térmicamente, de diferentes tipos de materiales. El proceso de soldadura láser, permite altos grados de precisión, con menores aportes de calor en las piezas a reparar, evitando deformaciones. por puntos y por costura, de recargue láser, por conducción térmica, soldadura por penetración, híbrida, por escáner, y soldadura con estaño. (Ver Tabla 1) Además, se puede emplear en una amplia variedad de procesos de soldadura, ya sea por conducción para la unión de láminas delgadas en donde la profundidad de la zona fundida, inicialmente superficial, aumenta Foto: filermicrowelding.com en función de la conductividad térmica o por penetración profunda la cual consigue desplazar la zona de mayor temperatura por debajo de la superficie del material, para que el material fundido se desplace hasta la superficie, por acción del vapor recalentado, y se mantenga allí por efectos combinados de gravedad, viscosidad y tensión superficial esto hace notoria la mejora en la formación de los cordones de soldadura. Precisión Láser Este tipo de reconstrucción profesional, hace referencia a la aplicación focalizada de energía para generar soldaduras con pocos milímetros de ancho, por medio de un procedimiento similar a la soldadura tradicional, con la diferencia que se realiza con ayuda de un microscopio, el cual le da una mayor precisión al proceso, y aporta solidez a cada una de las piezas tratadas. Dicha técnica se puede aplicar de diferentes formas; soldadura láser Espejo > 400 mm Gráfica: www.rafe.com.mx Láser en estado sólido bombeado por diodo Sistema de colimación Lente de campo plano Volumen de trabajo > 200 mm x 240 mm Gracias a que el haz puede ser enfocado con precisión, se puede acceder a zonas muy delicadas, con el apoyo de un microscopio y un brazo robótico.
38 PROCESOS Dicho procedimiento utiliza la energía aportada por un haz láser, el cual es amplificado a través de lentes ópticos, para concentrarlo en un punto exacto, lo cual permite al área de la pieza fracturada ser reparada mediante el uso de delgadas varillas de aportación depositadas sobre el área requerida, para provocar la fusión conjunta del material de aporte y la superficie del material base, con cordones de soldadura de uno a dos milímetros de ancho, o incluso inferiores, con velocidades de soldadura que alcanzan los cinco metros por minuto. Para crear este tipo de uniones fijas, se utiliza un láser de fotones denso que puede trabajar tanto con piezas de metal finas como gruesas o un láser de gas con nitrógeno, dióxido de carbono o helio, popular en la producción de aviones, automóviles y naves espaciales. Este haz de luz, el cual es muy pequeño y centrado, calienta los metales de forma rápida para que las piezas se fundan en una sola, sin la necesidad de material de aporte, lo que permite además, un rápido proceso y enfriamiento del metal, por lo que el tratamiento anterior y posterior para la eliminación de tensiones en la pieza soldada, necesario en la soldadura convencional, no se requieren en el proceso con láser. La soldadura láser se puede desarrollar de igual manera en piezas con espesores de 1.0 mm, y de ser requerido, en dimensiones mayores que puede llegar a una penetración máxima de hasta 10 mm, en donde la zona afectada térmicamente, puede llegar a medir 0.1 mm, lo cual hace que la relación, ancho de cordón y profundidad de penetración, sea de 1/7 mm. Esta tecnología permite además, conseguir diferentes geometrías y longitudes de cordones de soldadura, en reparaciones de tubos, con cordones resultantes muy finos y de alta calidad, y de ser necesario, se puede adelantar con diferentes tipos de unión y ángulos, usando el mismo procedimiento que la soldadura convencional. Tabla 1. Tipo de aplicación de soldadura láser Si bien la soldadura láser permite unir piezas en superficie, o generar cordones de soldadura profundos, este procedimiento tiene diferentes formas de aplicación: 1. Soldadura láser por puntos y por costura. La soldadura por láser permite efectuar la inserción mediante pulsos individuales o en régimen continuo, en donde la geometría de costura, describe cómo coinciden entre sí los bordes de las piezas por unir. La costura debe alcanzar la resistencia requerida y no puede transmitir un exceso de calor al interior de la pieza. El tipo de costura por régimen continuo, se caracteriza por estimular el medio activo de forma continua y generar un rayo láser ininterrumpido. Por su parte, en la operación por pulsos, el medio activo no se estimula continuamente y se emite un rayo láser interrumpido en el proceso. 2. Soldadura de recargue por láser. Este tipo de aplicación, pertenece a los procedimientos generativos y se emplea en la reparación o modificación de piezas, la cual se adelanta de dos maneras diferentes: Soldadura de recargue por láser manual En la soldadura de recargue manual, el soldador conduce el material de aportación con la mano hasta la estación de trabajo. El material de aportación más utilizado en este procedimiento es el alambre fino con un diámetro entre 0,15 y 0,6 mm. Soldadura de recargue DepositionLine En la soldadura de recargue automatizada, el material de aportación se conduce hasta la estación de trabajo de forma automática. El material también puede ser el alambre, aunque en esta técnica casi siempre se utiliza el polvo metálico por capas, sobre un material de base, con el que se fusiona sin dejar poros ni grietas. 3. Soldadura por conducción térmica. En este procedimiento, el rayo láser funde las piezas a lo largo de la junta, en donde el flujo de las coladas convergen para acabar solidificándose en un cordón de soldadura. La soldadura por conducción térmica se utiliza para unir las piezas de pared fina, como las costuras de esquina en los bordes visibles de las carcasas. Otras aplicaciones también se observan en la electrónica. El láser genera un cordón de soldadura liso y redondeado que no requiere un mecanizado posterior. En la soldadura por conducción térmica, la energía sólo penetra en la pieza a través de la conducción térmica, por este motivo, la profundidad de costura sólo puede tener entre unas décimas de milímetro a 1.0 mm. 4. Soldadura por penetración. Para efectuar la soldadura por penetración se necesitan unas densidades de potencia muy elevadas, aproximadamente, de un megavatio por cm2. Aquí el rayo láser no sólo funde el metal, sino que también genera vapor. Cuando el vapor sale, este ejerce una presión sobre la colada y provoca el desplazamiento de una parte de la misma y la pieza se sigue fundiendo, posteriormente se forma un agujero profundo, estrecho y lleno de vapor. Lo que produce un cordón de soldadura estrecho, profundo y con una estructura homogénea. La profundidad de costura puede ser hasta diez veces superior a la anchura de costura y puede llegar a tener un máximo de 25 mm. 5. Soldadura por escáner. Actualmente, la soldadura por escáner permite unos conceptos de instalación flexibles y altamente productivos que, en la producción en serie, convierten a la soldadura en un procedimiento más rápido, más preciso y por consiguiente, más rentable que los procedimientos de soldadura habituales. En la soldadura por escáner, la guía del rayo se efectúa a través de espejos móviles, en donde el rayo se guía mediante las modificaciones angulares de los espejos, lo que da lugar a un campo de procesamiento, en el que la soldadura puede realizarse de forma precisa y altamente dinámica. El tamaño del campo depende de la distancia de trabajo y del ángulo de desviación. La velocidad de procesamiento y el tamaño del diámetro del foco en la pieza dependen de las propiedades de reproducción del sistema óptico, así como del ángulo de incidencia del rayo, la calidad del rayo láser y el material. 6. Soldadura híbrida. Los procedimientos híbridos, combinan la soldadura por láser con otros métodos de soldadura como la soldadura MIG o MAG soldadura por gas metálico inerte y soldadura por arco bajo gas activo así como la soldadura TIG soldadura con electrodo de tungsteno bajo gas inerte o la soldadura por plasma. Esto permite soldar amplias placas de chapa de hasta 20 m de longitud y 15 mm de espesor en la construcción de barcos. 7. Soldadura con estaño. Un material de aportación, como la soldadura de estaño, sirve para unir piezas en donde la temperatura de fusión del material de soldadura, es inferior a la de los materiales de la pieza, por este motivo, durante el procesamiento sólo se funde la soldadura de estaño. En este procedimiento las piezas por unir se calientan, posteriormente, cuando la soldadura de estaño está líquida, fluye hacia la ranura de fusión y se une con la superficie de la pieza. Para poder soldar una costura con estaño es preciso que sólo uno de sus lados sea accesible.
Comparación de la soldadura láser y soldadura convencional Láser Convencional Tipo de deposición Varilla Varilla Tipo de unión Soldadura Soldadura Área de aplicación (volumen) Pequeña / mediana Media / alta Tamaño soldadura 0.2 0.8 mm 0.5 5 mm Impacto térmico sobre el molde Bajo Alto Zona afectada térmicamente Muy reducida Amplia Precalentado necesario para aleaciones duras No Si Grado de automatización Semi automatizado manual Con información de: primross.com.mx El procedimiento láser, permite alcanzar ángulos difíciles en piezas y moldes, haciendo que sea ideal para procesos de reparación y reconstrucción en áreas milimétricas. De la misma manera en que la industria automotriz hace uso de la soldadura láser, para la fabricación de carrocerías y autopartes, industrias relacionadas con los moldes, troqueles y matrices de extrusión, para la reparación de pequeñas fisuras, debido a que sus juntas están libres de poros, y presentan cien por ciento de resistencia. Un aspecto que hace de la soldadura láser un procedimiento enfocado a la reconstrucción de pequeñas fisuras, es el hecho de que su aplicación puede traer altos costos, haciéndola ideal para reparaciones con pocos milímetros de distancia, sin descartar que se pueden hacer cordones de soldadura de grandes dimensiones, con resultados óptimos. Foto: directindustry.es El sistema de soldeo láser permite hacer uniones de chapa inferior a un milímetro, con y sin aporte de material.
40 PROCESOS Soldadura Láser y Automatización Las máquinas para adelantar procesos de soldadura láser se caracterizan por tener cabezales con rotaciones de 360 grados, los cuales pueden ser ajustados manualmente, con el objetivo de abarcar un amplio rango de aplicaciones, apoyados por microscopios que facilitan la ubicación del área afectada, cuando esta es muy pequeña. Para una mayor precisión, el movimiento del microscopio se realiza por medio de un joystick palanca de mando con el cual se puede determinar la calidad de soldadura, con mínimos porcentajes de error, y un volumen constante de aplicación de material de aporte, lo que genera velocidades constantes con gran eficiencia. De manera automática, los sistemas de control de movimiento, con los que viene equipado estas máquinas regulan además, el sistema de retroalimentación de la corriente en tiempo real, para asegurar la estabilidad en la potencia del láser, durante todo el proceso. Foto: primross.com.mx Imagen 1 Por otra parte, si bien el contacto directo con el láser, puede llegar a ser nocivo para la salud, la longitud de onda láser que emiten estos sistemas, con un promedio de 1064 nanómetros medida comúnmente utilizada para calcular la longitud de onda de la radiación ultravioleta, radiación infrarroja y la luz no trae Al utilizar la soldadura como medio de reparación, o para prevenir el desgaste de una pieza, se evitarán altos costes en la fabricación de una nueva, evitando detenciones prolongadas en máquinas de producción. Las máquinas de soldadura láser, se caracterizan por su alta precisión. perjuicios para los operadores, de este tipo de máquinas. Estos equipos se pueden encontrar en el mercado en forma de cabina, los cuales incorporan puertas laterales, que proporcionan ventaja al momento de cargar una amplia gama de moldes con diferentes diámetros, con pesos que pueden llegar a los 350 Kg. (Ver imagen 1). La potencia media máxima utilizada por el láser en estos sistemas, es de 100 vatios, para desarrollar trabajos con varillas de aporte delgadas y gruesas. Además, la evacuación de los humos producto del proceso de soldeo, se realiza por medio de filtros de aire, que vienen incorporados al sistema, adicional a los sistemas de refrigeración utilizados para controlar la temperatura de todo el sistema. Ventajas Foto: serbusamantenimientoindustrial.com El realizar reconstrucciones con el sistema de soldadura láser, supone ventajas sobre otros métodos, los cuales permiten que sea utilizada en diferentes campos y con variedad de usos, por ejemplo en la mayoría de moldes o troqueles, los cuales son tratados térmicamente con durezas
PROCESOS 41 que oscilan entre 50 y 65 HRC y que al ser soldadas con cualquier otro método que no sea láser, produce revenido localizado, que puede llegar a generar choques térmicos y fisuras posteriores. Otra de las ventajas que trae el sistema, es que permite hacer uniones de chapa inferior a un milímetro, sin aporte de material, en este caso, la fusión de las partes a soldar se convierte en el electrodo, con grandes aportes en la producción con chapa, debido a que la unión es del cien por ciento y no deja material residual en la pieza, eliminando el proceso de limpieza al finalizar el trabajo de soldadura. Una ventaja notoria, proviene de su mayor velocidad de calentamiento y enfriamiento del metal a soldar, lo que permite volúmenes menores del baño de fusión, en donde los riesgos de distorsiones, debilitamiento y formación de grietas se reducen considerablemente, obteniendo así, estructuras notablemente más finas, que además, pueden ser trabajadas con varillas de hasta 100 micras de diámetro. Con la soldadura láser, países como Alemania, Japón y China, adelantan reparaciones de piezas en sectores como la joyería, en el cual se trabaja sin problema materiales de aporte en oro y plata, los cuales por ser tan específicos, son muy costosos y poco comunes. De esta manera, características como la afectación térmica reducida, la falta de necesidad de utilizar material de aportación en algunas piezas, su flexibilidad y control del proceso, permiten a la soldadura láser, ser una herramienta con resultados profesionales, en materiales difíciles de tratar por otras técnicas, puesto que las piezas resultantes de este proceso, tienen alto grado de resistencia y ductilidad. Si bien estos resultados son similares a los obtenidos por la soldadura convencional, la diferencia radica en que la soldadura láser, se adelanta con una velocidad de proceso seis veces superior a la tradicional, y en sectores tan reducidos que la soldadura convencional no puede reparar, lo que hace de esta una fuente viable de reconstrucción de moldes, dispositivos médicos, herramientas mecánicas y quirúrgicas, implantes y otros componentes delicados y pequeños, con altos rendimientos a largo plazo, acorde con los estándares requeridos por empresas competitivas, en diferentes sectores industriales. Fuentes Edwar González Sánchez. Laser Especialist Makser Ltda. e.gonzalez@ makserweb.com Victor Prieto. Ingeniero de Servicios Imocom. vprieto@imocom.com.co www.primross.com.mx - www.sistemasdevibracion.com - www.fundaciocim.org.