CORPORACIÓN MEXICANA DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALESSA DE CV

DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POST-GRADO

^ *o« « PROCESO DE SOLDADURA LÁSER™ÍÍ ESTUDIO: UNIÓN DE LAMINAS DE DIFERENTES ESPESORES DEACERO DE BAJO CARBONO MEDIANTE EL PROCESO DE SOLDADURA

LÁSER DE CO2-

POR

JUAN ALFONSO MARTÍNEZ FRAUSTRO

MONOGRAFÍA EN OPCIÓN COMO ESPECIAUSTA EN TECNOLOGÍADE LA SOLDADURA INDUSTRIAL

SALTILLO, COAHUILA FEBRERO DE 2008

CORPORACIÓN MEX.CANA DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES

DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POST-GRADO

PROCESO DE SOLDADURA LÁSER«5Aj?? DE ESTUD,0: UN,ÓN DE LÁMINAS DE DIFERENTE ESPESORDE ACERO BAJO CARBONO MEDIANTE EL PROCESO DE SOLDADURA

LÁSER DE C02

POR

ING. JUAN ALFONSO MARTÍNEZ FRAUSTRO

MONOGRAFÍA

EN OPCIÓN COMO ESPECIALISTA EN TECNOLOGÍADE LA SOLDADURA INDUSTRIAL

SALTILLO, COAHUILA, MÉXICO DE FEBRERO DEL 2008

Corporación Mexicana de Investigación en Materiaies, S.A. de CV.Gerencia de Desarrollo del Factor Humano

División de Estudios de Postgrado

TrocesoVfotó'Xa^S^^Jt"31 /rmen<lam°S "ue la """"mitareatada por el alumno Juan Affonso Martínez Fraustro J número de maSla

Tutor en PlantaIng. Germán León Lara

M.C. Cía

Coor

El Comité Tutorial

Tutor AcadémicoDr. Jorge Leobardo Acevedo Dávila

M.C

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nzález RodríguezPostgrado

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arcia Cerecero

ÍNDICE

1 SÍNTESIS...1

2 OBJETIVO..2

2.1 Objetivo general2

2.2 Objetivos específicos2.3 Justificación.

3

3.INTRODUCCIÓN4

4 DESARROLLO DEL ESTUDIO...o

_4.1 Estado del arte Qo

_4.1.1 Principios de generacióri del láser 10_4.1.2 Aplicación del proceso en la unión con metales 16_4.1.3 Tipos de láser 20

4.1.3.1 Lásera base de gas 204.1.3.2 Láser a base de gas argón 204.1.3.3 Láser en estado sólido 214.1.3.4 Láser con Neodibio Itrio 224.1.3.5 Láser Semiconductores 224.1.3.6 Otros tipos de láser 254.1.3.7 Láser de iones yvapor de metal 274.1.3.8 Láser de líquido coloreado 274.1.3.9 Láser a base de CO2 28

_4.1.4 Evaluación de los sistemas más comunes de soldadura por láser... 50

4.2 Caso de estudio: Unión de láminas de diferentes espesores de acero debajo carbono mediante el proceso de soldadura láser de CO2 52

5. CONCLUSIONES 7g

6. REFERENCIAS82

1• =

SÍNTESIS

La soldadura por haz de luz láser se considera como una de las tecnologíasemergentes, tanto por el relativo poco tiempo de desarrollo como por lacontinua evolución que sigue teniendo hasta estos días. Esto también la colocacomo una de las tecnologías con más posibilidades de aplicación en laactualidad yen el futuro en áreas como la automotriz, instrumental, médica,etectrónica yconstrucción por mencionar algunas. Derivado de la importanciaque representa, en el presente trabajo se hace una breve exposición delproceso de soldadura mediante haz de láser, fundamentos, parámetrosinvolucrados, tipo de láser, aplicaciones en uniones de metales así como uncaso práctico del proceso láser de C02 en la unión de láminas de bajo carbonode diferentes espesores.

2,

OBJETIVO

2.1 Objetivo general

Estudiar el proceso de soldadura láser por CO2 aplicacto en la unión de lániinasde diferentes espesoresde acero bajo carbono

2.2 Objetivos específicos

- Analizar el proceso ele soldadura láser

- Determinar los diferentes tipos de láser aplicados en la soldadura demateriales

- Establecer yanalizar tos parámetros involucrados en tos procesos láser- Estudiarun caso de aplicación de soldadura láser

- Análisis y discusión de resultados

- Escritura y presentación del trabajo

2.3 Justificación

Nuestro país se encuentra iniciando el entendimiento yuso del proceso desoldadura mediante la aplicación de haz de láser a pesar de tener elconoorruento de que en México empresas trasr^donales de la industriaautomotriz cuentan con esta tecnología aplicada en sus procesos demanufactura desgraciadamente no sucede lo mismo con el personalespecializado. Lo anterior lleva a la necesidad de exponer una revisión de losconceptos y parámetros involucrados así como una aplicación práctica en launión de láminas de bajo carbono de diferentes espesores mediante láser deC02.

INTRODUCCIÓN

La tecnología láser aplicada a procesos industriales ha significado un granavance tecnológico que a pesar de estar aún en etapa de desarrollo, ya hasignificado grandes ventajas de volumen, economía, exactitud, precisión ycalidad

Entre las principales industrias donde la tecnología láser ha sido aplicada semenciona la automotriz, eléctrica, electrónica, construcción, naval, aeronáuticay aeroespaciaL sin embargo cada vez son mas las empresas y los camposindustriales donde encuentra aplicaciones. En el campo de investigación ydesarrollo, así como el académico también ha sido relevante el giro que haproporcionado al conocimiento humano.

La generación de energía láser tiene su origen en la capacidad de excitaciónatómica de los materiales y en el gradiente de energía liberado por loselectrones energjzados externamente al regresar a su condición natural,provocando el fenómeno de emisión espontánea predicho por Atbert Einstein aprincipios del siglo pasado.

B gradiente de energía antes mencionado provoca, al liberarse la energíaexcedente, la creación de un fotón de luz, idéntico a» electrón que lo creó, por lo

4

que tendrá la m,sma longitud de onda, la misma dirección ycantidad deenerg,a. La teoria de Einstein también indica que este electrón ósu fotón soncapaces de energizar aotros electrones que encuentren asu paso, generandoel m.smo fenómeno. Lo anterior genera una gran cantidad de electrones ysusrespectóos fotones viajando a la velocidad de la luz y energizando a loselectrones que encuentran asu paso con el consecuente efecto multiplicador.

Como cada fotón es idéntico al electrón que lo creó, y son muchos loselectrones energizados al mismo tiempo, entonces tendremos una grancantidad de electrones yfotones viajando en direcciones aleatorias, esto nosdará una fuente de tuz sumamente intensa, pero inútil para los efectos de lacreación de un haz de luz láser. Por lo anterior se ideó la uca£ de resonancia" lacual consiste en colocar espejos en ambos extremos del recipiente quecontiene el material energizado, lográndose así que una gran cantidad deelectrones fluyan en la dirección de los espejos donde rebotarán hacia el otroespejo y harán lo mismo, con esto, la mayoría de los electrones tendrán lamisma dirección, mejorando así el rendimiento del sistema, que es lo deseado.

B llamado espejo frontal permite la "fuga" controlada de luz a través de unorificio abierto en el mismo, lo que permite ta creación de» haz láser. Este haz,por las condiciones de su creación tendrá las siguientes características.Monocromático, coherente y cutminado. Estas características le permiten, unavez concentrado en un punto muy pequeño, elevar la temperatura del sitiodonde se enfoque, de temperatura ambiente a varios miles de °C en milésimasde segundo. Esta condición hace posible fundir prácticamente cualquiermateria!.

La capacidad de fusión, lo pequeño y exacto del punto de aplicación, la altavelocidad de proceso que se puede alcanzar y la poca energía inicial que serequiere para operarlo son algunas de las razones por las que se hadesarrollado tecnológicamente de manera tan rápida el proceso de soldadura

"" "" * ^ DiCh° <*** - genera desde „ pu* * vista ,.™ externa: demente oencámente. De acuerdo, a, modo de operarcoranua opulso. Por e, Upo de materia,; abase de gas, siendo e, mes col e,operado con CO, de estado sélido. el más conocido e, NdYAG olos de láser abase de semiconductores.

[ El presente trabajo se concentra en el láser generado abase de bióxido de¡ carbono oláser C02 como comúnmente se le conoce. Las propiedades yel| usos del bióxido de carbono han sido estudiadas desde hace varios siglos. El1 bióxido de carbono es un compuesto químico producto de la unión covalente de

dos átomos de oxigeno yun átomo de carbono, es uno de los compuestos más, abundantes en la naturaleza, alrededor de 383 ppm por volumen en

condiciones atmosféricas yde temperatura normales. Este gas es producido por; todos los animales, plantas, hongos ymicroorganismos durante la respiración y

es utilizado por las plantas durante la fotosíntesis. El bióxido de carbono es porlo tanto, un componente mayor en el ciclo del carbono yse genera como unsubproducto durante la combustión de materiales fósiles.

I • Existe también el bióxido de carbono inorgánico, generado por los fenómenosgeotérmicos principalmente. Artificialmente el bióxido de carbono puedeobtenerse de muchas maneras, todas ellas relativamente económicas ypara losefectos de generación de láser tiene la característica de ser fácilmenteenergizáble y de manejo relativamente sencillo.

En tos equipos a base de gas CCh el funcionamiento consiste en utilizar el gascomo un generador del haz de luz mediante la energización del mismo por mediode una corriente eléctrica ode radio frecuencia, esto logra la excitación electrónicaque da origen al fenómeno de la emisión espontánea. Este tipo de láser, adiferencia de los de estado sólido, es un equipo láser de alta potencia, lo quesignifica que es capas de generar un haz láser con potencia de salida en el puntode trabajo del orden de los kW, esto ha permitido utilizarlo en procesos de

soldadura en metales de gran espesor, algo que con los otros tipos de láser nopodía lograrse. Para ello se ha desarrollado la técnica de. «orificio crítico* quecanutan dejar que el láser penetre profundamente en el metal asoldar formandoun orrficio de metal fundido yvaporizado. Amedida que el haz avanza en la piezade trabajo, también lo hace el orificio fundiendo el material al frente ydejando atrásun área de material fundido yen proceso de solidificación.

Para contrarrestar las pocas desventajas que este proceso tiene como lo es elhecho de que debido a lo pequeño de su área de operación los materiales queserán soldados por este método requieren tener un acabado de los bordes a unirmuy preciso ysin irregularidades. Esto significa costos adicionales de preparaciónque se están evitando o al menos reduciendo en gran medida con la adopción detécnicas de láser de gas híbrido.

Finalmente, cabe mencionar que en el presente trabajo se exponer un caso deestudio, en el cual se compara el efecto de las variables del proceso sobre lasuniones obtenidas de dos materiales de acero inoxidable de bajo carbono libre deintersticio con diferentes espesores (0.7 y1.6 mm respectivamente).

DESARROLLO DEL ESTUDIO

4.1 Estado del arte

En 1917 Albert Einstein predijo que, bajo ciertas circunstancias, un fotónincidente generaría otro igual, de exactamente la misma energía y la mismafrecuencia. Einstein también dijo que en este tipo de emisión, ambos fotones, eloriginal yel nuevo estarán en fase, tendrán la misma polaridad yse propagaranexactamente en la misma dirección.

Sin embargo, no fue sino hasta 1954 cuando el fenómeno de emisiónestimulada fue usada por primera vez enforma paralela por Townes en EstadosUnidos y por Porochorov y Basov en Europa en la construcción de equiposequivalentes de amplificación de micro ondas; llamado "MASER" en EstadosUnidos, que es un acrónimo de "Amplificación de Microonda mediante laEmisión de Radiación Estimulada". El principio del MASER fue posteriormenteextendido a las frecuencias ópticas por Schawlow y Townes en 1958 lo quellevo al posterior desarrollo del "LÁSER"

"LÁSER" acrónimo de "üght Amplification by the Stimulated Emisión ofRadiation" esto es, "Amplificación de Luz mediante la Emisión Estimulada deRadiación", siendo la primera demostración exitosa de un dispositivo láser en1960, hecha por Maiman usando un cristal de rubí

Inicialmente se consideraba la aplicación del láser como una alternativa para lasáreas med.ca, joyería yen general para empresas oactividades muy delicadasyque demandan gran exactitud yprecisión en su aplicación.

Posteriormente se consideró como una tecnología emergente para empresasde bajo volumen de producción, con procesos mas enfocados aproductos y/oservicios especiales. Sin embargo, no fue si no hasta la década de los añossetenta del siglo pasado cuando se empezó a considerar la utilización enprocesos de alto volumen de producción, de la misma forma se consideró parala industria electrónica, de cableados eléctricos yen general para aplicarse ensecciones de láminas muy delgadas.

De entonces a estos días, las ventajas que se obtienen debido a la bajacantidad de energía de entrada necesaria, la gran precisión, exactitud yrapidezde estos procesos han hecho que esta tecnología sea cada vez másdesarrollada con el fin de encontrarle mayor uso el los procesos actuales parauna mayor variedad de productos.

Una vez desarrollada inició utilizándose para procesos de corte de metales en

función de las anteriormente citadas ventajas, además de penetración másprofunda y limpia que la lograda por los otros métodos.

Posteriormente se desarrollo esta técnica para operaciones de soldadura enmateriales de poco espesor y mas tarde se empleo para materiales con mayormasa, dependiendo de la fuente de luz utilizada. Las características quehicieron utilizable el haz de láser para corte de metales son también válidaspara los procesos de soldadura por este método.

La soldadura por haz de luz láser puede considerarse como una de lastecnologías nuevas y revolucionarias, tanto por su relativo poco tiempo deestudio y desarrollo como por las nuevas posibilidades aportadas y la continua

evoluoón que sigue teniendo hasta estos das. Esto también la coloca comouna de las tecnologías con más posibilidades de aplicación tanto en laactualidad como en el futuro ycada vez son mas las áreas de la industria dondese esta utilizando

Esto hace que los procesos de soldadura industrial en donde se aplica estatecnología sean cada vez mayores ymas diversos, colocando a este procesoentre los más utilizados en el futuro previsible. Dentro de las iridusmas que másestán utilizando este proceso se encuentran; la industria automotriz, deinstrumental yequipo médico, electrónica ydeconstrucción.

4.1.1 Principios de generación del láser(1)

La generación de energía láser tiene su origen en la excitación atómica de losdiferentes materiales, provocando el fenómeno de emisión espontánea.

La emisión espontánea ocurre cuando un átomo es excitado por una fuente deenergía extema. La energía es absorbida por los átomos del material,específicamente por los electrones y causara que estos se muevan a un nivelsuperior de energía u órbita extema. Para lograrlo requerirán absorber lasuficiente energía según el material de que se trate

Posteriormente cuando estos electrones que fueron excitados regresanespontáneamente a su posición original liberan el diferencial de energía queabsorbieron a manera de un fotón como semuestra en la figura 4.1, puesto queel fotón es liberado por un electrón específico, en la misma órbita de energía,este tendrá exactamente la misma cantidad de energía, longitud de onda y lamisma dirección que el electrón que lo originó.

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Energy Sburce

J

Figura 4.1 Generación de fotones a partir de electrones excitados

Este fenómeno se repite una yotra vez a medida que estos fotones y losgenerados a su paso van afectando a los electrones excitados que seencuentran en su camino. Este fenómeno multiplicador ocasiona que cada fotónprovoque una gran cantidad de fotones idénticos a el, en todas suscaracterísticas.

Se tienen entonces diferentes grupos de fotones idénticos entre si, viajando enla dirección marcada por el fotón inicial en cada grupo, ver figura 4.2 ygenerando nuevos fotones al incidir en electrones excitados.

SOLID STATE CRYSTAL

Neodymiara YttiremAlm»i»uniG««t<ND: YAO)

r á \ É J

•^

t " ' tEnergy Source

^ PktK» Q EwttedNeo«lj»i«i«Ekct»•as

Figura 4.2Electrones yfotones viajando en direcciones aleatorias

ll

Basándonos en esta condición atómica fundamental, una barra de cristalcontener* algún elemento que tenga características adecuadas, tales comoser faalmente excitable con energías extemas ypor lo tanto tener una altacapacidad de liberar fotones constituye una de las bases de la actividad láser.

Teóricamente todos los materiales son capaces de emitir fotones cuando sonadecuadamente energizados, en la práctica no todos los materiales sonadecuados para este fin debido a su escasa facilidad de ser energizados. Aúndentro del numeroso grupo de materiales que reúne las característicasadecuadas, no todos son utilizables, esto por diferentes causas; dificultad deconseguirse, inestabilidad, costo, etc.

Dentro de los cristales mas adecuados para la generación de energía láser estael "Neodmio Itrio Aluminio" (Nd: YAG) esta consiste en una cápsula o barra decristal de Itrio - Aluminio conteniendo Neodyum disperso en el cristal. Estacombinación es altamente enegizable y tiene la propiedad, por lo tanto degenerar una gran cantidad de fotones de luz. La siguiente fase importante en lageneración del haz láser consiste en la concentración ydirección de la energíaluminosa obtenida por este medio.

Como se mencionó, los grupos de fotones viajan por el material que loscontiene a velocidades, longitud de onda e intensidad luminosa idéntica puesproceden del mismo material, excitado por la misma fuente de energía, pero endirecciones aleatorias en el espacio, dependiendo de la dirección de fotónoriginal que los creó. En condiciones normales tendríamos una generación deluz muy intensa, pero totalmente dispersa ypor lo tanto inútil para la creacióndel haz de láser.

Si colocamos el cristal del material que habrá de generar la energía luminosa enuna "cavidad de resonancia" esto es en un ambiente en el cual la energía

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luminosa se multiplique en la forma ydirección deseada, entonces tendremosuna generación de energía luminosa útil para crear el haz de energía láserPara lograr esto se coloca la barra de materia, en una cápsula en la cual elextremo posterior es cubierto con un espejo capaz de reflejar el cien por cientode la luz que recibe, aeste se le conoce como espejo trasero. En la parte frontalde la capsula se coloca otro espejo lográndose con esto el siguiente efecto:

Al iniciarse la emisión espontánea los fotones viajan en grupos en direccionesaleatorias, de acuerdo a las reglas de probabilidad, muchos de ellos tendránuna dirección longitudinal a la capsula, esto es en dirección a uno de losespejos. Al chocar con el espejo se produce un rebote luminoso que incrementala energía yenvía al fotón en dirección al otro espejo, excitando electrones a supaso y creando nuevos fotones idénticos a el. Al llegar al segundo espejosucede el mismo efecto provocándose un continuo rebote de fotones entre losdos espejos con la consiguiente energización de electrones en esta dirección,lográndose entonces que la mayoría de los fotones viajen en la direcciónlongitudinal de la capsula.

Para generar el haz de luz se pone el espejo trasero con capacidad de reflejarel cien por ciento de la luz, pero el espejo frontal reflejará alrededor del sesentapor ciento de la misma como lo muestra la figura 4.3. Esta "fuga" controlada deluz es el origen del haz de luz láser.

El resultado de esto es un haz de luz pura, que tiene tres característicasfundamentales:

+Monocromática - Todos los fotones que componen el haz de luztienen la misma energía y le misma longitud de onda,por lo tantoesta luzno se descompondrá en los

colores clásicos pues todo el haz es de un soloelemento.

13

i

+Coherente - No solo tiene la misma longitud de onda, sino que también estaen la misma frecuencia y ritmo.

+Colimado - El haz de láser no tiene divergencia, esto es, puede viajargrandes distancias sin dispersión significativa.

SOLID STATE LÁSER CAVTTY

Rear Mitrar: 100%Reflective

(ND: YAG) SoM State Crystal

EZ3 iEnergy Source

FiontMinor: (Up to 6095 Transmissive)

Projected LaaerBeam06 Hieran Wavstength

LASERBEAM

M onochromaücCoherent

Collimated

Figura 4.3 Haz de láser dosificado por el espejo frontal

Las características antes mencionadas son fundamentales para la generaciónde un haz de láser, la habilidad para crear un haz de luz pura a través de unsistema óptico y proyectarlo, o mejor aún concentrarlo en un diámetro muypequeño con una densidad de energía capaz de fundir e inclusive vaporizarmateriales metálicos, cerámicos, etc. depende principalmente de estascaracterísticas. De esta manera se pueden tener emisiones de luz conlongitudes de onda y por lo tanto frecuencias muy diferentes, dependiendo delmaterial empleado ycada aplicación requiere de materiales específicos que nosden las propiedades requeridas.

Después de que el haz de luz deja la capsula a través del espejo frontal debepasar por una serie de dispositivos tales como una obturador de seguridad, un

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.

concentrador de ka. después per un equipo que actúa de manera inversa alostelescopios, esto es, expande al haz de luz para posteriormente llevarlo a unconcentrador más contundente. Al salir de este concentrador se encuentra unespejo cóncava que direcciona el haz en la mayoría de los casos verticalmenteyhaca abajo (Figura 4.4) donde finalmente se encuentran los lentes focalesEntre estos dos últimos elementos se pueden colocar algunos otros dispositivosde ayuda.

La figura 4.4 nos ejemplifica como el último lente enfoca yconcentra el haz deláser hasta el diámetro de salida deseado. Adidonalmente este tente es la basepara medir la distanda focal entre los lentes yla pieza de trabajo.

LONGITUD

FOCAL CORTA

LONGITUD FOCALLARGA

características del enfoque

PROFUNDIDAD DELCAMPO CORTA

PROFUNDIDAD DELCAMPO LARGA

Figura 4.4 Lente concentrador del haz de láser en la pieza de trabajo

15

/Xamrh4T*t

Figura 4.5 Esquema típico de generadónde haz de láser

4.1.2 Aplicación del proceso en la unión con metales(1)

La soldadura se logra cuando los materiales son calentados hasta el punto defusión yse funden formando uno solo. El haz de láser genera energía luminosa,la cual esabsorbida por los materiales yconvertida en energía calorífica.

Utilizando un haz de luz en el espectro electromagnético visible, ó en elinfrarrojo podemos transmitir esta energía al material mediante dispositivosópticos, los cuales pueden enfocar ydirigir la energía a puntos muy pequeños yexactos. Puesto que el haz láser emite una radiadón coherente, el haz deenergía tiene una divergenda mínima y puede viajar grandes distandas sinpérdida significativa de energía

Desde el punto de vista de ingeniería de procesos esto ha significado indusive,una re definidón en el concepto de "efidenda" en lo relativo a la conversión de

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energía. Técnicamente el láser es un inefidente convertidor de energía eléctricaen energía luminosa, pues en los mejores casos solo el 2al 15 por dentó deesta energía logra convertirse, dependiendo del tipo de láser utilizado. Sinembargo, virtualmente toda la energía luminosa que es convertida esconcentrada en un pequeño punto del material, de apenas unas pocasmilésimas de pulgada.

Esto nos permite elevar la temperatura de los materiales muy rápidamente yatemperaturas muy altas, yesto es otra forma de efidenda. Para este tipo decomportamiento la energía láser es la mejor opción. Esta capaddad de aplicarla energía de manera selectiva ofrece algunas ventajas metalúrgicas distintivaspara algunas aplicaciones de soldadura.

Puesto que el calentamiento superfidal de material a soldar depende de laconductividad térmica del mismo material para producir la soldadura, ydebido ala alta veloddad de calentamiento, normalmente la profundidad de la soldaduraes de apenas 2 mm ó menos. Sin embargo, utilizando la técnica llamada del"orificio crítico" en lasers de alto poder, (mayores a 106 w/cm2) es posible lograrpenetradones mucho mayores.

Esta técnica consiste en enfocar el haz láser en un punto específico hastaalcanzar temperaturas superiores al punto de ebullidón del material, se puedenalcanzar temperaturas de hasta 3000 ° C. Esto produce un orificio vaporizadoen el material, dicho orificio se llena con el gas metálico ionizado el cual se

convierte en un en un punto de absordón de energía calorífica muy efectivo,capaz de captar el 95% de la energía láser dentro del cilindro formado. Esto

permite al láser elevar la temperatura dentro del orificio hasta los 25000 °Chaciendo así muy eficiente la técnica del orifido crítico.

Una de las causas de esta efidenda consiste en que en las técnicasconvencionales el calor fluye de la superficie hacia abajo en la pieza de trabajo,

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pero con la técnica del orificio arta, el calor es conducido radialmente haciafuera a través de la pared cilindrica del orificio yse forma un área fundidaalrededor del vapor generado.

Amedida que el haz láser avanza a lo largo de la pieza de trabajo, el metalfundido va solidificando detrás de orifido fonmando la zona soldada. La figura4.6 nos muestra la manera en que esta técnica se desarrolla. Esto nos permiteveloddades de avance de dentos de centímetros por minuto, dependiendo dela capaddad del láser.

Thermal Energy Beam

Mehing Pomt Boiindary

JotntFree Surface

Me Irel Zor.e

WéW

kMottcn FlowDireetion

Figura 4.6 Detalle de la técnica del orificio critico

Materiales, espedalmente metales con bajo punto de ebullidón producen unagran cantidad de metal vaporizado lo cual puede generar una crisis con el gas e

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.n,c,ar a su vez la generación de plasma en la región de mayor intensidad delhaz láser, la cual es justo por debajo de la superficie del material Este plasmapuede absorber la energía láser, bloquear el paso del haz y favorecer lacreaaón de burbujas en la raíz de la soldadura. Si la viscosidad del plasma esalta, las burbujas no podrán llegar ala superficie antes de quedar atrapadas porla solidificación.

Aún cuando el punto de fusión de los materiales no tiene espedal importandaen la soldabilidad con láser, este debe alcanzarse durante la fase inidal deabsordón de energía. Por lo tanto, los materiales con bajo punto de fusión sonmas fáciles de soldar con haz de láser que aquellos con punto de fusión masalto.

Tanto para los procesos que usan métodos láser de bajo poder como paraaquellos que usan lasers de gran poder yque generan el orificio crítico existendos consideraciones importantes especialmente en procesos que no involucranmetal de aporte; 1.- El ajuste y alineación de las piezas a soldar esfundamental. 2.- Para soldaduras de unión y de costura la energía láser seaplica en la unión de metales minimizando el calor de entrada yla distorsión delos materiales, permitiendo con esto altas velocidades de aplicadón. Esto causaque la exactitud en la unión de las partes sea muy importante, al grado de quefrecuentemente las soldaduras de unión con láser se restringen a piezascirculares, las cuales pueden presionarse una contra la otra para mejorar launión.

Por otra parte, para uniones de traslape la mayor consideración estriba en elespesor de los materiales El material de la parte superior constituye la mayorparte de la zona de fusión por lo tanto, el material con mejores condiciones desoldabilidad debe colocarse endma del material que presente característicasinferiores.

19

4.1.3 Tipos de láser

Hay muchas formas de definir los tipos de láser existentes, espedalmente conel desarrollo tan significativo que ha experimentado en los últimos años, sinembargo las formas más comunes son los basados en el:

Tipo de energía externa se tienen;

A- Láser generado ópticamente

B- Láser generado eléctricamente

Modo de operación;

A - Láser de onda continua

B- Láser operados por pulsos

De acuerdo al material utilizado para generar el haz de luz;

A- Láser a base de gas

B - Láser de estado sólido

C - Láser semiconductores

D - Otros tipos de láser

4.1.3.1 Láser a base de gas

Estos equipos funcionan de manera que el gas utilizado como materialgenerador del haz de luz es energizado por medio de una corriente directa, ouna corriente de radio frecuencia, esto excita los átomos del gas los cualesabsorben energía sufidente para que sus electrones pasen al siguiente nivel úórbita energética yse inida así el fenómeno de la emisión espontánea.

20

Existe una gran variedad de características dentro de los lasers abase de gasLos extremos más comunes en ,a operadón de estos equipos van desde lasersemitiendo un haz débil, menor a 1mW hasta los equipos industriad quegeneran energía de salida de varios kilowatts.

Algunos equipos pueden emitir un haz continuo e ininterrumpido durante añosmientras que otros lo hacen a pulsos de pocos nanosegundos de duradón Deigual manera el rango óptico del haz varía desde lecturas muy dentro del rangoultravioleta, pasando por el espectro visible hasta llegar a rangos muyprofundos en elespectro infrarrojo

Avances recientes en la velocidad del flujo axial de las soldaduras utilizandoláser a base de C02 mejorado notablemente las características del haz,mejorando su competitividad en reladón al haz de electrones para aplicadonesde gran penetración. El rápido flujo en espiral del haz de C02 permite ahoragenerar potencia de salida en el orden de los kilowatts, lo que implicadensidades de energía mayores, adecuadas para soldar materialestérmicamente sensibles debido a su coefidente de expansión térmica omateriales donde la distorsión térmica es un problema.

4.1.3.3 Láser en estado sólido

En estos equipos el material que ha de emitir el haz de luz es fijado dentro deun cristal ó material cristalizable cuidando que quede uniformemente dispersoen todo el cristal que lo contiene. Normalmente el material que forma la cápsulaconteniendo este material puede contener algunos elementos que favorecen laacción generadora de energía.

El cristal, generalmente en forma de barra, se coloca en una barra hueca conespejos en ambos extremos de la misma, y una fuente de luz externa tal comolámparas de luz de pulsos, lámparas de luz continúa y brillante, otro haz deláser, etc son usados para excitar los átomos del material en la barra.

2!

Por consecuencia los electrones de este materia, son excitados hasta absorberHitarte energía para pasar al nivel energético úórbita superior del material encuestan. Así se inicia la emisión espontánea que producirá el haz lumínicobuscado. Us figuras 4.7 muestran los niveles de energía en un sistema degeneradón láser usando Cr-rubí y NdYAG

Banda debombardeo

Nivel superiorláser

Transición láser

Nivel de suelo

zNivel láserinferior

Figura 4.7 Diagrama de niveles de energía de Cr-rubí y Nd:

4.1.3.4 Láser con Neodimio Itrio

El láser con Neodimio (Nd.YAG) es un buen ejemplo ytambién el material mascomúnmente usado en los láseres de estado sólido. El material excitable ygenerador del haz es una cápsula de Itrio - Aluminio con presencia de ionestrivalentes neodimio como impurezas. El haz de láser resultante tiene unalongitud de onda de 1.06 mm yesta cercano a la región infrarroja.

4.1.3.5 Láser Semiconductores

El láser semiconductor es quizá la única tecnología láser, ó la más importantedesde el punto de vista de la opto-electrónica, Estos lasers son espedales en

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función asu tamaño (medido en mm en sus tres dimensiones) ysu capacidadnatural de integración con los circuitos micro eléctricos.

La generación de energía láser usando este método varía con respecto a.osotros s,stemas. Este sistema utiliza propiedades especiales de regiones detrans.cion en el área de unión de dos diferentes semiconductores.

En los materiales semiconductores se presenta una condición diferente,causada por la intensa interacción energética de los átomos, la figura 4.10 nosindica como los niveles de energía forman bandas energéticas claramentedefinidas yúnicas para cada material óaleación de que se trate. El desnivel deenergía entre la banda de valencia yla banda de conducción óenergética sedenomina "Eg" yse mida en electrónvolts. El nivel Fermi "Ef es el nivel quedivide los niveles de ocupadón de los vacíos.

Si un semiconductor tipo "p" es puesto en contacto con un semiconductor tipo"n" los niveles de energía se reajustan de acuerdo a las leyes de latermodinámica, como lo muestra la figura 4.8, de tal manera que las bandas "Efde ambos materiales sean la misma a lo largo de toda la unión (Figura 4.11).

"•"•Po" unión Tipo p

Figura 4. 8Diagrama de banda de energía de una unión "p-n"

Las bandas de valenda "Ev" yde conducción "Ec" del semiconductor tipo "p"son más altas que las correspondientes en el semiconductor tipo "n". por lo queal aplicar un voltaje positivo en el lado de "p" los electrones del lado de "n" son

23

atra.dos hacia "p" ycruzan el área de unión de materiales yuna vez ahí serecombinan con los huecos que se han creado en la unión por .a corrientepos,t,va. Esto continúa mientras que se este aplicando la corriente eléctricapues los electrones ylos vacíos recombinados son continuamente regenerados.

La figura 4.12 nos permite apreciar; a) Los niveles de energía resultantes de laexcitación de un semi conductor "p" yel inciso b) nos muestra la región de altaconcentración de eledrones yorificios. Cuando los electrones ylos huecos serecombinan, emiten energía en forma de fotones. La región de transición en launión donde esto sucede es por lo tanto generadora de radiación y puedeconsiderarse como el equivalente a los niveles de transición E2 yE1 revisadosanteriormente.

Para obtener la emisión estimulada ysu multiplicación a partir de esta región serequieren crear una alta densidad de electrones y una alta densidad de orificiossimultáneamente. Para lograr esta condición se utilizan dos materialessemiconductores ("p" y"n") altamente excitados los que son unidos para crearla coincidencia de los niveles de transición (E1 y E2) descritos anteriormente.La figura 4.9 muestra en el inciso (a) los niveles de energía resultantes cuandouna corriente eléctrica positiva se aplica en el semicondudor "p" El inciso (b)nos muestra una región dealta concentración de electrones yorificios.

Tipop

(a) (b)Figura 4.9 Diagrama de los niveles de energía resultantes cuando una corrienteeléctrica positiva se aplica en el semiconductor "p" El inciso (b) nos muestra una

región de alta concentración de electrones yorificios

24

Esta región sirve como medio de "inversión de pobladón» (de electrones yorificios) la cual amplifica la radiación emitida en e„a a causa de larecombinadón deelectrones yorifidos.

La siguiente figura 4.10, muestra esquemáticamente la unión de dossemiconductores ("p- y-n-) el área sombreada indica «a región de transidóndonde se genera el láser. Esta área es de aproximadamente 1ó2 mm deespesor ysu longitud se mide en dédmas de micrómetro, como resultado el hazemitido es comprimido obteniéndose una proyección de luz muy concentrada yde forma elíptica

IFigura 4.10 Semi conductor láser de unión "p-n"

4.1.3.6 Otros tipos de láser

Láser híbrido

Las aplicadones de la soldadura láser continúan en aumento impulsadas porlas ventajas que este método provee. Esto ha causado también que el espectrode materiales soldables con láser se incremente significativamente a medidaque aparecen nuevasformas de utilizar este proceso.

2S

La industria automotriz es una de las ramas industriales que más ha impulsadoesta técnica yes utilizada en elementos tan variados en función yforma como-piezas de carrocería, engranes de transmisión, riñes para llantas, flechasacumuladores, etc. El desarrollo ha llevado esta técnica a poder soldar aúnaceros de alto contenido de carbono sin los dásicos problemas de fradura.Cuando a la tecnología láser se le adiciona otro método de soldadura, entonceslas ventajas de cada uno complementan el trabajo obteniéndose así resultadosyprocesos mixtos, en los cuales las propiedades de un sistema se combinan ycomplementan al otro de manera coordinada ycalculada para mejorar algunosde los procesos aduales.

Esto ha dado origen a la soldadura láser híbrida, esto es, proceso lásercomplementado por otro proceso normalmente más convendonal pero quecombinados accedan a procesos mas variados yde mayor calidad.

Adualmente las combinadoras más comunes para el proceso láser es consoldadura de arco eléctrico, la figura 4.11 a) nos muestra específicamente unacombinación de Láser-GMAW (MIG). La figura 4.11 b) por su parte nos muestrala unión de tecnologías Láser-GTAW (TIG). En ambos casos el sistemaconsiste en aplicar el haz láser a la pieza de trabajo utilizando la condición delhoyo critico produddo por este haz, para inmediatamente aplicar el metal deaporte de la soldadura convendonal que se este utilizando. Como es sabido, losdiferentes metales de aporte procuran diferentes caraderísticas mecánicas ymetalográficas al material soldado.

26

Figura 4.11 ayb. Equipo láser híbrido a) con GMAW (MIG) b) con GTAW (TIG)De la misma forma se han desarrollado procesos para otras técnicas de uniónde materiales tales como brazing ó bien para materiales no ferrosos, tales comoaluminio, cobre, estaño, etc.

4.1.3.7 Láser de iones y vapor de metal

Estos equipos operan a muy altas temperaturas para mantener el metalvaporizado y producen una luz láser en todas las regiones, infrarrojo, visible yultravioleta. Producen excelentes haces de lázer de rangos de pulso muy altos,muy cortos y de muy alta intensidad.

La mezcla de metal vaporizado con gases nobles es muy común y es excitadacon descargas eléctricas

4.1.3.8 Láser de líquido coloreado

Utilizan líquidos orgánicos coloreados y pueden produdr un amplio espectro decolores en la parte visible del espectro. Con sistemas ópticos apropiados sepuede selecdonar cualquier coloro bien cambiar de un colora otro.

07

Esto es útil para aplicadones donde el color exacto yespecífico es importante.Normalmente son excitados por medio de otro láser.

4.1.3.9 Láser a base de C02

Como anteriormente se mencionó, el gas C02 es uno de los elementos másutilizados en la generación de haz láser. El bióxido de carbono fue uno de losprimeros gases en ser descritos como una sustancia distinta del aire. En el siglodiedsiete el químico Jan Baptist van Helmont observó que al quemar carbón enun recipiente cerrado, la masa de ceniza resultante era mucho menor que ladel carbón originalmente puesto. En su investigación concluyó que parte delcarbón transmutaba en una sustanda invisible que El llamó gas ó "espíritusilvestre"

Las propiedades del bióxido de carbono fueron estudiadas mas de cerca porel

físico escocés Joseph Black, quien encontró que la piedra caliza (carbonato de

calcio) podía ser calentada ó tratada con áddos para liberar un gas que el llamó

"fixed air" o "gas tratado" Este gas era más denso que el aire, no mantenía la

flama, así como tampoco la vida animal. También observó que este gas era

produddo por la respiración animal y por la fermentación microbiana.

Posteriormente ha habido una serie de eventos que han permitido llegar a

conocer este gas profundamente, pues como lo muestra la figura 4.15, no solo

es uno de los más comunes en el medio ambiente, sino uno de los más

utilizados hasta la actualidad.

El bióxido de carbono (C02) es un compuesto químico formado por la unión

covalente de dos átomos de oxigeno y un átomo de carbono. En la atmósfera

se le encuentra en estado gaseoso a temperatura ambiente. En nuestro planeta

se encuentra en una concentración promedio de 383 ppm por unidad de

volumen de gas. El bióxido de carbono es producido por todos los animales,

-><3

Plantas, hongos ymicroorganismos durante la respiradón yes usado por lasPlantas durante la fotosíntesis, para generar azúcares que utilizarán ellasm,smas durante la respiradón ocomo materia prima para su propio credmiento.

La figura 4.12 nos permite apredar las concenfradones de bióxido de carbonodurante el período comprendido desde la segunde mitad de la década de 1950hasta la primera mitad de la década del 2000.

El bióxido de carbono es por lo tanto un componente mayor en el ddo delcarbono y se genera como un subprodudo de la combustión de materialesfósiles. Por otra parte el bióxido de carbono inorgánico se obtiene, además deotros procesos químicos, de los gases generados por los volcanes y otrosfenómenos geotérmicos,

390

Atmospheric Carbón DioxideMeasured at Mauna Loa, Hawaii

1960 1970 1980 1990 2000

Com^tr^»<>nesatmosíérku»sdeCC^medktesenellaboratofk>deMaunaLoa

310

Figura 4.12 Concentraciones atmosféricas de C02 medidas en el Laboratoriode Mauna Loa

?.Q

Para obtener el bióxido de carbono líquido se requieren presiones mínimas de5.1 atan yse solidifica atemperaturas de -78°C el cual es conoddo como "hieloseco" La figura 4.16 corresponde al diagrama Presión-Temperatura de estecompuesto indicando las diferentes fases, así como el llamado punto triple.

Propiedades físicas yquímicas del Bióxido deCarbono.El bióxido de carbono es un gas incoloro e inodoro, que a concenfradonesmucho mayores a las normalmente encontradas en la atmósfera producen unsabor ó sensadón ádda en la boca y una sensadón picante en la nariz ygarganta, esto debido a la disoludón del gas en las membranas mucosas ysaliva formando una solución débil de ácido carbónico. Concenfradones arribade las 5000 ppm se consideran dañinas a la salud ysi son mayores a 50000ppm (5% en volumen) son peligrosos para la vida animal. La figura 4.13 nosmuestrael diagrama de fase presión temperatura del bióxido de carbono.

«a

I

10OOO

10OO -

100

200 250 300 350

temperatura <K)

400

Figura 4.13 Diagrama fase presión temperatura del CO2

A presión y temperatura estándar, la densidad del bióxido de carbono es deaproximadamente 1.98 kg/m3 aproximadamente 1.5veces la del aire.

30

La molécula de bióxido de carbono contiene dos uniones dobles ytiene unadisposidón linear (0=C=0) no presenta bipoiaridad eléctrica, cuando suestructura esta totalmente oxigenada es moderadamente reactiva y no esflamable, pero mantiene la combustión de metales tales como el magnesio.

A partir de -78.51°C ó -109.3°F si la temperatura desdende, el bióxido decarbono solidifica mediante el fenómeno de la deposidón. Pero si latemperatura asdende, entonces se produce el fenómeno de la sublimadón,donde el bióxido de carbono pasa directamente del estado sólido al líquido.

El bióxido de carbono sólido, conoddo como "hielo seco" seconodó en 1825 através del químico francés Charles Thilorier. La figura 4.14 nos muestra; a)Pequeños pelets de hielo seco, mientras que el indso b) nos esquematiza laestructura cristalina de este compuesto. Desde que se comenzó a usarcomerdaJmente cada vez ha tenido mayor aceptadón y demanda.

Pequeños pelets de hielo

sublimando en el

Estructura cristalina del hielo seco

Figura 4.14 ayb. a) Pequeños pelets de hielo seco sublimando en el aire,b) Estructura cristalina del hielo seco

31

1

El b.oxKÍo de carbono pu^ ser obte^este método propordona muy pequeñas cantidades de este gas Es por estarazón que se ha optado por métodos basados en reacdones químicas délascuales existen una gran cantidad, prindpalmente las que provocan una reacdónde casi todos los ácidos ymetales conteniendo carbonatos. Un ejemplo típicoes la reacción del ácido sulfúrico con carbonato de caldo.

H2S04 +CaCOg =CaS04 +H2C03

El HaCOa se descompone en agua (HaO) y CCfe Esta es una reacciónampliamente utilizada en la industria pues ayuda en muchos procesos, asicomo a neutralizar deshechos ácidos.

El carbonato de caldo al calentarse a850°C también produce CCh

CaC03 + calor = CaO + C02

La combustión de todos los combustibles que contienen carbono, como elmetano (gas natural), los destilados del petróleo (gasolina, diesel, kerosene,gas propano). También se obtiene CO2 de la madera yel carbón combustible ónuda.

El hierro es reduddo en los altos hornos usando coke y generando "hierrosucio" y bióxido de carbono. En las industrias del vino, cerveza y demásbebidas alcohólicas, la levadura produce bióxido de carboro yetanol (conoddocomo alcohol)

En los organismos aeróbicos se produce CO2 cuando oxidan los carbohidratos,ácidos grasos y proteínas en la mitocondria de lascélulas.

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El bióxido de cartono es soluble en agua, donde espontáneamente sereconvierte en C02 yH, C03 (Aoido carbónico), (ndustnalmente e, bióxido decarbono se obtiene apartir de seis procesos fundamentales:

1" Como un subproducto en las plantos productoras de amoniaco ehidrtgeno,donde el metano se convierte en C02.

2° Como resultado de la combustión de madera ycombustibles fósiles.

3o Como un biproducto de la fermentadón del azúcar en la fabricadón decerveza, vino y otras bebidas alcohólicas fermentadas

4o En la descomposidón térmica de la piedra caliza en la manufadura de óxidode calcio (cal)

5o Como un biprodudo en la fabricadón de fosfato de sodio

6o Directamente de la formación de bióxido de carbono en los manantiates,donde se produce por la acdón del agua acidificada sobre la piedra caliza ódolomita

El bióxido de carbono es utilizado por un gran número de empresas, estodebido a ser relativamente fácil de obtenerse, a su bajo costo ya su abundandaen la naturaleza Otros atributos igualmente importantes lo son; su falta de«amabilidad yel hecho de pasar del estado sólido al gaseoso de manera diredaysin generar agua óalgún otro líquido a temperatura ambiente ya presiones deaproximadamente 60 bar(59 atm ó 870 psi)

Las industrias que más comúnmente lo utilizan son la alimenticia, aceitera yquímica. Es usado en muchos produdos que requieren gas presurizado, talescomo las industrias refresquera, cervecera, etc (Ver figura 4.15)

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Figura 4.15 Burbujas de C02en una bebida gaseosa

De igual manera la condidón de rápida gasificadón del bióxido de carbono esusado como un elemento aprovechable en la manufadura de chalecossalvavidas, botellas de gas presurizado para inflar rápidamente llantas,extinguidotes de fuego, invernaderos yotros produdos de uso común.

Generación de energía láser d)

El láser abase de CO2 esta compuesto de una mezda gaseosa formada pornitrógeno yhelio como los elementos de mayor contenido en el sistema, con unpequeño pordento de bióxido de carbono. Y es predsamente el bióxido decarbono el gas que es energizado y el que genera el haz láser, mediante laexcitadón atómica. Los gases nitrógeno yhelio son el medio en el cual el COaesta contenido. Esta mezda gaseosa puede ser energizada por descargaeléctrica o por ondas de radio frecuencia

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En los equipos «ser abase de CO, la oámara de resonancia, que es el mediodonde se realiza la excitación atómica, es energizada yel compuesto de gasesse hace fluir por la misma, entrando por un extremo ysaliendo por el opuestopara ser regenerado yrecirculado. Esto implica que el gas ha de recorrer casitoda la extensión del resonador, al tiempo que esta en contacto con la fuenteextema de energía dando tiempo de excitarse a un mayor número deeledrones

La fuente de energía externa más común es la descarga eléctricaincandescente yse considera la más efidente para generar haz láser de altapotenda

Los lasers a base de bióxido de carbono son categorizados de acuerdo al tipode flujo de gas que emplean yse clasifican en; Flujo axial lento, Flujo axialrápido o Flujo transversal.

Los lasers de flujo axial rápido (FAF) tienen un acomodo de componentessimilar al sistema anteriormente comentado, excepto que en este caso se utilizasopladores o bombas de turbina para hacer drcular el gas a altas veloddades através del resonador ylos intercambiadores de calor, los cuales son del tipo"gas a líquido" los cuales tienen mucho mayor poder de enfriamiento, ayudandocon esto a lograr niveles de potenda mayores a 2kW por mefro lineal.

Los lasers de flujo transversal operan por drculación continua de gas endirecdón transversal al flujo del eje del resonador utilizando un soplador deabanico de alta veloddad mientras se produce una descarga eléctricaperpendicular, tanto a la direcdón del flujo del gas como al eje óptico del hazláser.

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Fusión de la soldadura (2)

En una superfide caliente existen fres formas principaJes de pérdida de calor;conducción, convecdón y radiación.

Cuando el haz de láser toca la superfide del metal ocurren una serie deeventos. La energía láser inddente, obviamente calentará dicha superfide alabsorber esta energía. Si tenemos en cuenta que el haz de láser es un puntomuy pequeño y concentrado, este punto es una fuente de calor para lasuperfide en la cual indde, entonces debemos entender que este es un puntode balance térmico entre el calor redbido por el haz de láser yla cantidad decalor absorbido por la superficie yla cantidad de calor perdida en el proceso.Con las temperaturas típicas de un proceso de soldadura se considera que elcalor perdido por radiadón es insignificante yla pérdida de calor por convecdónes un efedo secundario. Esto nos indica que la pérdida real de calor en esteproceso es porconducdón hada el interior del metal que será soldado.

La temperatura en el punto de inddenda puede alcanzar el punto deliquefacdón y la re solidificación solo ocurre cuando la fuente de calor esremovida yel calor se distribuye por conducdón hada la masa de metal querodea el charcode material líquido.

Si este láser se hace inddir en la unión de dos piezas de metal, las cuales sefunden por el proceso antes descrito, el líquido de ambos metales se mezclarácreando una unión osoldadura de las dos piezas una vez que seproduzca la resolidificadón.

Durante el proceso de soldadura, el charco de material fundido no es estáticosino que es constantemente agitado por diferentes causas. La prindpal de ellases conocida como la "fuerza marangonr yse refiere a la tensión superfidal. El

36

flujo del fluido es controlado por la variadón espacial de la tensión superfidalexistente en la superfide del charco de soldadura.

La variadón espadal de la tensión superfidal causa que el metal fundido en lasuperfide sea atraído de la zona de menor tensión hada la de mayor tensiónsuperfidal (Zacharia et al 1990). Para metales yaleadones puras el coeficientede temperatura de la tensión superfidal es negativo, por lo que la mayor tensiónsuperfidal se encuentra cerca de la región de la inferíase solido-líquido, dondela temperatura es menor. Esto ocasiona que el flujo del metal líquido sea delcentro del mismo hada fuera. Para metales con impurezas, las impurezasinfluyen significativamente en el comportamiento hasta el grado deocasionalmente tener flujos en la direcdón contraria.

Existen dos formas diferentes de soldadura. La primera de conoce comosoldadura por conducdón, en la cual, el tamaño del charco de la soldadura eslimitado por la pérdida de calor por conducdón a partir del punto de inddendade la fuente de láser Esta forma de soldadura puede produdrse tanto poremisiones continuas o de pulsos. Si se utiliza un haz de pulsos, el charcofundido, así como el cacahuate de soldadura produddo en una superficie plana,o en una unión a tope tendrá forma hemisférica. Puede usarse un haz pulsadorepetitivamente para crear una serie de cacahuates traslapados, los cualesformarán una junta o sello hermético.

La segunda forma de soldadura se conoce como soldadura de penetración osoldadura de orificio critico. Esto ocurre cuando se tiene un haz suficientementeintenso como para produdr un orifido enel metal, lleno demetal vaporizado. Entérminos generales se considera que se requiere una intensidad del haz deláser de un MW/cm2 para soldar aceros. Dependiendo de las condiciones de lasoldadura, el orifido puede perforar pardalmente el metal base o atravesarlopor completo.

37

Esta forma de soldadura normalmente se realiza por lasers de operacióncontmua ytienen la característica de presentar una soldadura muy profunda yangosta. y

Amedida que el calor de entrada aumenta, también lo hace la temperatura delmetal, hasta alcanzar la temperatura de vaporizadón. El haz de láser perfora unorifico en el metal através del metal líquido haciéndolo cada vez más profundoEste orifido, conteniendo metal líquido en el fondo se llena con los vapores dedicho metal, los cuales son atravesados por el haz láser al igual que el líquidomismo para continuar perforando el metal base. Si el haz de láser se mueve enreladón del metal base, el orifido formado se moverá también fundiendo elmaterial al frente del mismo yuna zona de flujo de metal fundido a los lados delorifido para re solidificar en la parte trasera del mismo. El flujo de material esesencialmente de material en la fase líquida, no en la fase de vapor (Dowden etal 1983)

Parámetros de Proceso(2)

Potencia o energía láser y densidad de Potencia.

Los sistemas láser de operadón continua (CW) invariablemente son medidospor la cantidad de potenda de salida, sea en watts o kilowatts. Medida referidaa la cantidad de potenda generada en el espejo o ventana de salida del sistemay normalmente detectada internamente por un dispositivo de medidón depotencia y mostrado en un monitor. En algunos casos una parte del hazprindpal es separada, medida la potenda y mostrada en un monitor. Existenotros equipos donde las leduras de potencia pueden ser tomadas solo cuandoel haz láser no va a la pieza de trabajo sino que es dirigido al medidor, lo quesignifica que el láser puede ir a la pieza de trabajo o al medidor, pero no aambos simultáneamente.

38

Los equipos láser de alto poder usan medidores de energía, por lo genera,medidores térmicos; el haz indde, calienta yes medido en función a estecalentamiento sobre un objeto específico. Debido aque la conducdón térmicaes un proceso relativamente lento, estos medidores tienen una respuesta lentayno pueden detedar la moduladón del haz olas fransidones inidales lo quepuede tener un efedo negativo en lasoldadura.

Para los procesos de soldadura lo mas importante no es la potenda en elequipo láser sino la energía en la posición de la pieza de trabajo. Aúnaceptando que los espejos recubiertos dé oro tienen una refledividad teóricadel 99% normalmente se entiende que existe una pérdida del 4% en lasuperfide de cada espejo. En un sistema motriz multiejes se tienen una grancantidad de espejos ylentes a lo largo de todo et recorrido del haz láser desdesu generadón hasta la pieza de trabajo, esto ocasiona que la potenda dellegada a la pieza de trabajo sea considerablemente menor que la informaciónde los medidores de salida de potenda. Esta diferenda debe ser medida yregistrada en toda información referente al proceso. En los lasers conduddospor fibra óptica ocurren pérdidas semejantes a la entrada ya la salida del láserde la fibra óptica para enfocarlo en la pieza de trabajo.

Para los sistemas utilizando láser pulsado, el parámetro más importante no esla potenda, aquí lo más importante es la energía generada en cada pulso, lacual es igualmente disminuida entre la salida del láser yla pieza de trabajo. Lasoldadura es realizada mediante pulsos individuales yla potenda promedio enlos lasers pulsados es propordonal a la cantidad de pulsos por unidad detiempo, para una determinada energía por pulso y determina el valor de lospuntos de soldadura desarrollados en la pieza de trabajo. Las dimensiones dela soldadura son determinados fundamentalmente por la energía de los pulsosindividuales.

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Sin embargo, independientemente del sistema láser que se utilice, continuo opulsado, la potenda de salida yla energía por pulso no son tan importantescomo lo es la densidad de la potenda, la cual se mida en watts por centímetrocuadrado, o la densidad de la energía, medida en joules por centímetrocuadrado.

Formas de generación de láser

Normalmente los lasers son dasificados de acuerdo a la forma o modo y eltérmino que se utiliza describe la manera en que se distribuye la intensidad delláser en el haz mismo. Para láseres industriales se utiliza el término "corto" paradescribir láseres de "modo transversal" esto es donde la distribución de laintensidad se realiza de manera perpendicular al plano óptico yes determinadapor el diseño de los espejos usados en la construcdón del dispositivo láser. Deaquí sedesprenden cuatro tipos de generación de lasen estable, inestable, porcondudor efédrico de ondas e híbridoestable-inestable

Cualquier haz de luz tiende naturalmente a disiparse o"difradar" a medida queviaja por el espacio. El modo estable se forma cuando la radiadón luminosarebota fuertemente, en ambas direcdones, entre dos espejos y el láser esreenfocado o centrado cuando uno o los dos espejos son curvos, estereenfoque se contrapone a la tendencia a difradarse y mantiene el haz muycerca del eje entre ambos espejos Uno de los espejos debe permitir ciertasalida del haz láser para permitir su posterior utilizadón. La parte remanente delhaz que queda en el dispositivo láser es reflejado dentro del sistema ycontinuaamplificando la cantidad de luz para compensar la pordón del haz queabandonó el sistema Este sistema de haz de luz rebotando entre espejos esllamado "resonador" porque la luzamplificada resuena entre ellos.

40

A

Por otra parte, este tipo de láser abase de bióxido de carbono se dasifican deacuerdo a. tipo de flujo de gas que emplean yse dividen en: flujo axial lentoflujo axial rápido oflujo transversal. El láser de flujo axial lento (SAF) es la forma'más simple de láser CO, El gas fluye en la misma direcdón que el campo deexcitación eléctrica del resonador láser. El flujo de gas a través del sistema selogra utilizando una bomba de vacío en el extremo opuesto ala entrada de gasal resonador, consiguiéndose así el flujo continuo del gas en el sistema láser

La exdtadón de las moléculas de C(h causan la reducdón del mismo a CO +Opor el bombardeo de eledrones, por este motivo el flujo axial del gas esmantenido a través del tubo para regenerar las moléculas de bióxido decarbono El enfriamiento del gas se logra por conducción a través de lasparedes de los tubos de descarga, que se pasan por un manto de líquidorefrigerante yayudados por sistemas externos de intercambio de calor.

Este sistema utiliza la típica cabina resonadora de espejos trasero yfrontal, losresonadores de flujo axial lento son capaces de generar haces de láser deaproximadamente 80 watts por mefro lineal de descarga, el uso de tobosdoblados permite alcanzar potendas de salida de 50 hasta 1000 watts (prindpiode los instrumentos de viento)

El láser de flujo axial rápido (FAF) tienen un acomodo de componentes similaral sistema anteriormente comentado, excepto que en este caso se utilizasopladores o bombas de turbina para hacer drcular el gasa altas velocidades através del resonador y los intercambiadores de calor, los cuales son del tipo"gas a líquido" los cuales tienen mucho mayor poder de enfriamiento, ayudandocon esto a lograr niveles de potenda mayores a 2kW por metro lineal.

Existen numerosas formas de generadón de láser de forma transversal en laforma de distribudón de la radiadón láser que pueden obtenerse a partir de un

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resonador estable. Dichas formas son soluciones de ecuadones matemáticaslas cuales describen la propagadón de «a luz. Una vez estableados los límitespor ios dos espejos de. resonador. La forma preferida de generadón de energíaláser es aquella que tiene «a mayor fuerza centrada en el eje entre los espejosyla intensidad decae en forma gausiana en reladón al eje entre espejos (curvanorma, de Gauss) Este tipo de sistemas es llamado TEMoo. Las otras formas osoluciones de las ecuadones matemáticas también pueden realizarse en lapráctica. El láser de alta capaddad casi siempre opera de manera multimodalcon una gran variedad de formas operando simultáneamente.

La intensidad de disfribudón en el haz TEMoo es simétricamente drcular yestadada por la siguiente ecuación:

l(r) = P/(K<o2)exP(-2(2/e?)

Donde res la distanda transversal del eje óptico. Pes la potenda total del haz yco es el radio del haz. De acuerdo a la ley de la difracdón, el haz se expande amedida que se propaga en el espado, sin embargo una propiedad del hazGausiano es no expandirse cuando viaja en el espado. No obstante, lapropagadón del haz TEMoo puede describirse por la manera en que el hazcambia de radio yse expresa en la siguiente ecuadón:

<o(z) = ato sqrt (1+(z-z1)2/z02)

Donde mes el valor mínimo del radio, conoddo como "dntura del haz" el cualocurre en la posidón z, Tanto mcomo z, son determinados por la naturalezade la retro reflexión de los espejos y la distancia entre ellos. Si uno de losespejos es plano (en lugar de que ambos sean curvos), entonces la dntura delhaz se dará en este espejo. . -* <tf/\ esta ecuación describe la expansión delhaz a medida que se propaga Aquí Xes la longitud de onda de la luz láser

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Para la z-z1»2o el radio del haz se expande linealmente con la distanda »~Qz donde:

9 = (Ool Zo =X/nroo

es la mitad del ángulo de divergenda del radio del haz. Es prácticamenteimposible encontrar materiales ópticos transmitentes que puedan soportaremisión de los haces de alta potencia, en consecuenda los equipos de láser dealto poder permiten la expansión del haz láser dentro de la caja de resonancia,esto es mientras rebotan entre los espejos, con esto la distribudón de laintensidad del haz comienza a ser "inestable" respedo a la restricdónconsiderada a lo largo del eje entre espejos. La salida del haz de la cajaresonadora se debe, no a la condidón de tener un espejo pardalmentetransparente, es debido a una de las siguientes causas: el haz de luz llega asertan grande que sobrepasa el diámetro del espejo menor, o bien uno de losespejos permite a fravés de sus bordes la salida de la parte exterior del hazdejando la parte central del mismo para continuar dentro del medio amplificador.Los haces resultantes de resonadores inestables son descritos por un fadorllamado "fador de magnificadón M" el cual es el cociente del diámetro exteriordividido entre el diámetro interior. Este fador es determinado por el grado decurvatura de los espejos que forman la cavidad láser, y la distanda entre ellos.La mayoría de los lasers a base de bióxido de carbono con resonadoresinestables producen su máxima salida cuando el fador de magnificadón escercano a 2. El uso de instrumentos ópticos que propordonan una mayormagnificadón resultan en una pérdida o sacrifido de potenda de salida.

El resonador de onda guiada es utilizado en lasers enfriados por difusión, dondeno existe enfriamiento de la mezcla de gas por convecdón y el gas, exdtadoeléctricamente o RF es enfriado por conducdón que va de la mezda de gas alas paredes de la cámara de resonancia, enfriadas por agua. La efedividad delenfriamiento requiere que la configuradón del láser lo mantenga de un tamaño

43

reduddo. Y,a forma de. .aser de sa.ida es determinada por .a "guía" de ,aradiación entre .as paredes de .a cámara así como la curvatura de los espejos

Un láser híbrido estaWe-inestable es aquel que tiene un resonador deconfiguradón estable en una direcdón (eje x), yresonador de confiquradón«nestable en la direcdón perpendicular aeste (eje y) yla direcdón del eje delláser es en el eje z Una forma de escalar la potenda del láser consiste enextender los electrodos en la direcdón transversal al flujo del gas; esto lleva auna región de exdtación de forma redangular Adualmente se investiga el usode resonadores híbridos estable-inestable para extraer la energía de estaszonas de excitadón redangulares

Más recientemente el sistema láser enfriado por difusión ha sido puestoelectrodos en forma de tablas oplanchas, los cuales se han prolongado uno acada lado de la región redangular de exdtación. En este caso el modo deresonador láser es el de onda guiada dirigida entre los eledrodos con el modoestable en la direcdón perpendicular a la anterior.

Caracterización de! haz

La amplitud del haz es definida como el diámetro del círculo que induye; 1-1/e2-85% de la potenda total del haz. Para el haz TEMoo descrito anteriormente eldiámetro del haz aquí mostrado corresponde a dos veces el radio del haz©

La calidad del haz es medido por su habilidad de ser enfocado en un pequeñopunto, incrementando su intensidad, o potencia por unidad de área (o energíapor unidad de área, para haces pulsados) sedentemente alta, para tenerutilidad prédica. La calidad del haz también es determinada por el diseño delresonador y la elecdón de tos espejos. La medidón de la calidad del haz esconocida como fador M*. Esta Mes diferente a la utilizada anteriormente para lamagnificadón de resonador inestable Los usuarios europeos de láser utilizan

44

un fador kcon la siguiente equivalenda. K= 1/ft*. Para el valor mas bajo delmodo Gausiano M* =1 El fador Wpuede ser determinado determinando laentura del haz coB del láser, esto se logra a través de múltiples medidones delradio del haz ysu divergenda Por lo tanto, el fador de calidad del haz es dadopor el radio de la divergenda del haz, comparado con el valor de divergendadel haz que tendría si fuera un modo TEMoo, esto es: M2 =0Mu «*).Donde 0M corresponde a la mitad del ángulo de divergencia del haz.

La calidad del haz es muy importante, pues un haz de baja calidad diverge másrápidamente yel enfoque del radio del haz, fador Masera mayor, esto significaque la intensidad en el punto de enfoque es menor con la consecuente baja enla capaddad de trabajo.

La profundidad del enfoque, o el rango de distanda sobre el cual el hazmantiene un valor mínimo es también menor que el fador M*. Es por esto quees muy importante conservar el enfoque durante la operadón de soldadura,especialmente con lasers de modo de alto orden.

La longitud focal mínima, en la práctica, para soldadura con láser CO2 es deaproximadamente 5 pulgadas (125 mm). Esto a causa de las salpicaduras desoldadura, así como el daño que los vapores del proceso pueden causar en laslentes y demás componentes ópticos Puesto que el diámetro del punto deenfoque en el plano focal varía inversamente con el diámetro del haz inddenteen el elemento óptico de enfoque que se utilice, se puede utilizar un expansorde haz para incrementar su diámetro y posteriormente enfocarlo, esto permitedistancias de enfoque mayores sin sacrificar densidad de potencia.

La medida del punto de enfoque del haz varia directamente propordonal a lalongitud de onda del haz láser y el número de fador F, que es el radio de ladistancia focal de la lente al diámetro del haz (f/d0)

45

wapestarte hacer notar que la calidad del haz esta determinada por las^ctensticas del láser. Amedida que el haz se propaga en e, espado, si esenfocado oalargado por lentes perfedos, la calidad permanece igual Pero seel haz pasa através de sistemas de enfoque imperfedos, su calidad disminuiráEn algunos casos, «a calidad del haz se ha mejorado enfocando el haz conayuda de un pequeño orifido yrecolimado nuevamente, este orifido absorbe loscontornos del haz que significan potencia en los modos de mas alto orden.

Medición de la dimensión del punto de enfoque

El diámetro del haz en el punto de enfoque, también llamado dimensión delpunto, determina no solo la exaditud con que un equipo puede cortar osoldar,también determina la intensidad opotenda por unidad de área en el punto deenfoque. Las interacdones del material láser están determinadas por laintensidad, de aquí que la dimensión del haz enfocado es un parámetro muyimportante.

Amedida que la dimensión del haz se reduce, hasta tender a cero el radio delhaz es controlado por la calidad del haz, tal y como se manifestó en ladivergenda 9del haz antes de que el mismo llegue al lente.

cor~0F

Donde Fes la longitud focal de las lentes oespejos utilizados para concentrar elhaz en la pieza de trabajo. Sin embargo, una ledura direda de la distribudón depotenda en el área de enfoque provee informadón mas directa yconfiable. Estetipo de mediciones consideran todas las aberradones que puedan produdrsepor los lentes de enfoque.

46

Desde que ,a mayor parte de los lasers para trabajo con metales tienen el poderhTT23r CüakM"r """** "**"**> *"***" *- <™to <* «**» hasido todo un reto. Esto se ha logrado utilizando una variedad de equipo

corneamente disponible basado en e, espardmiento o recolecdón de luzmediante escaneo rapidísimo, por medio de un alambre oaguja hueca por todael área de enfoque. Esta aguja no es destruida por el calor debido ala veloddadcon que se mueve, entrando ysaliendo de la zona de calor, pero sin dar tiempoa calentarse sedentemente como para resultar dañada

Apartir de la señal enviada por este sistema, se puede calcular el radio del hazSi el sistema de detección se mueve a lo largo yen direcdón del avance delhaz láser, entonces se puede conocer la dimensión del haz como una funciónde su posidón. Es entonces que se encuentra la dntura mínima del haz ysecalcula oconoce la divergenda del haz en posidones alejadas de la dntura delhaz Apartir de estos datos, se puede evaluar la calidad del haz láser usando laecuación c(Z) =co0*sqrt (l+íz-z^/Z 02 donde Z. -* «*/*, M2 es el parámetroque describe la expansión del haz en los puntos alejados a su valor mínimo.

Parámetros de láser pulsado

La potenda promedio de salida de los lasers pulsados representa la potendapromedio entregada por et sistema. Por ejemplo, un láser que entrega pulsos de

I 7joules de energía aun valor de repetición de 10 Hz. La potenda promedio es^ de 70 W. Si los pulsos duran un milisegundo entonces la potenda promedio es

calculada dividiendo la energía del pulso entre la duradón del pulso Ejemplo, silos pulsos de 7joules del ejemplo anterior duran un milisegundo, entonces elpaquete de potenda es de 7 kW Pero es mas corredo considerar la potenciapromedio durante el pulso. El pulso en si mismo puede tener fluctuadones quesolo pueden observarse con detedores yosdloscopios muy rápidos, por esto elcálculo de la potenda en paquete puede dar resultados significativamente masaltos que la potenda promedio durante el pulso. Hasta el momento, la mayoríade los láseres pulsados para trabajo con metales son láseres Nd:YAG

47

Otros factores relacionados con el haz láser

Distorsión térmica.

Existen cambios en la medida del enfoque como una función de la potenda delláser. Por ejemplo, un láser abase de COz de 20 kW enfocado por un espejo de70 cms de longitud focal. Se observó un cambio en la posidón excediéndoseen un centímetro entre diferentes medidas del punto de enfoque tomadas a2kW, ya20kW El cambio, el cual se acompañó de un cambio en la medida delenfoque, esto es atribuido a la distorsión térmica de la ventana ocámara láserdel haz inducido La distorsión térmica de los lentes de enfoque oventanas desalida no ocurre instantáneamente. Se comprobó que la posidón de enfoque ala salida de un láser a base de C02 de 16kW cambió en un período de 60segundos después de encendido.

Se ha asumido que los equipos láser alcanzan la potenda programada demanera instantánea, sin embargo, se realizaron investigadones en el equipoláser de 1.6kW mencionado anteriormente. Las mediciones de los cambiostransitorios en el momento del encendido se realizaron utilizando detedores notérmicos de respuesta rápida mostraron que en ocasiones el láser excede elvalor programado hasta en un 25% y regresando al valor programado enaproximadamente 10 segundos. Se repitió la medición algunos días después yse observó que la potenda se incrementaba gradualmente hasta llegar al valorprogramado en aproximadamente 10 segundos. La causa de esta diferenda derespuestas no ha sido definida, este láser es sellado y el gas es cambiadosemanalmente. Esto hace suponer que la condidón del gas láser estareladonada con las diferentes respuestasobtenidas.

Pero independientemente de las causas de esta variadón, se han obtenido lasmejores soldaduras cuando le acción del láser se ha adivado fuera del área de

48

trabajo, en un receptor para el haz, yse inicia el trabajo de soldadura sotodespués de un tiempo suficiente para que la intensidad se estabilice

Otros parámetros

Existen una serie de parámetros en .a soídadura .aser que afedan el procesoLas especificadones de los procedimientos de soldadura generalmente losdasrfican como variables "esenda.es" y"no esenciales". Una variable esenciales aquella que tiene un impado mayor en la calidad de la soldadura, si se da uncambio sustancial en una variable esencial el proceso de soldadura debe ser recalificado, y esto puede ser costoso y tardado. Los parámetros esendalesinduyen aspedos tales como ; la intensidad del láser (o energía de pulso,duradón del pulso yrepetidón del pulso para lasers pulsados), perfil de. tipo dehaz, .ongitud foca, de fas lentes, posición de la lente foca., dimensión genera,de. haz, veíoddad de movimiento, número de pasos, ángu.o de inddenda,posición de soldadura, tipo de boquilla del gas. composición de. gas.composidón o tipo o cambio de gas auxiliar, tipo o cambio en la composidónde. gas de respaldo, cotomnas de reducción de salida de gas a presióninduyendo su orientación, valores de flujo o presión de varios gases, cambiosen el material o tipo de material de aporte o medidas, diseño y abertura deuniones

Metal de aporte

Existen dos razones para utilizar meta, de aporte en la soldadura láser lapequeña dimensión de! láser enfocado implica que Jas partes a soldar por estemétodo deben tener un acabado muy fino en los bordes a soldar, lo querequiere trabajo y costos adidonales de preparadón, sin embargo al utilizarmeta, de aporte esta condidón deja de ser tan exigente pues el meta, de aportellenará esas variadones. La segunda razón es controlar la metalurgia de lasoldadura por mediodel meta, de aporte.

49

El metal de aporte puede suministrarse en forma de alambre, polvo ocomoinsertos precolocados El surtidor del meta, de aporte deberá ser integrado aloscircuitos de centro, del láser, el problema es que la mayoría de tos surtidores noestán a.a aítura de. desarroílo láser como para produdr soldaduras confiab.es,particularmente al final de la soldadura cuando el surtidor debe apagarligeramente antes que e. haz láser de otra manera ei alambre solidificará en e!charco de soldadura requiriendo operadones manuales de liberadón. Tambiénen e. inido de la operadón, el alambre debe ser cuidadosamente colocado yelavance del alambre integrado al encendido. Toda esta coordinadón es menoscrítica cuando se usa metal en polvo.

Posicionamiento del haz

La soldadura láser normalmente se rea.iza dirigiendo ef haz iaser a (a costura o

unión entre las partes a soldar, pero existen dos razones para soldar fuera de launión. La primera es para controlar la metalurgia de de. meta, soldado cuando

se dan situadones como el soldar un metal de bajo carbono con uno de altocarbono, para prevenir fraduras es benéfico tratar de disminuir e. contenido de

carbono en el metal soldado. Se define cuidadosamente la localizadón defundido, de tal manera que la mayor parte del metal soldado prevenga del acerode bajo carbono de tal manera que la profundidad total de la soldadura no seaafedada.

Una segunda razón es el mejorar al absordón del haz láser por los metalessujetos al proceso de soldadura.

4.1.4 Evaluación de los sistemas más comunes de soldadurapor láser

Como anteriormente se mendonó, los tipos más comunes son C02 y Nd:YAG(o Nd:Glass). Ambos tipos pueden operar tanto de modo continuo como por

50

pulsos. Los lasers a base de C02, cuyo rango de potenda de salida va de los50 alos 15, 000 watts son mas efidentes en (a conversión de energía elédricaen radiadón láser que los lasers de Nd:YAG, cuyo rango de conversión deenergía varia entre los 50 a800 watts Pero por otra parte, la refledividad en lamayoría de los metales es mucho mas alta el las longitudes de onda de lossistemas con C02 que en los a base de NdYAG

Los últimos avances en la tecnología a base de C02 han mejoradonotoriamente las caraderísticas del haz, hadendo este sistema competitivo conel de soldadura por haz de eledrones en aplicaciones de alta penetradón.

51

4.2 Caso de estudio: Unión de láminas de diferentesespesores de acero de bajo carbono mediana"elproceso de soldadura láser de COz ea,a"«* ei

Como caso de aplicadón del proceso de soldadura mediante la aplicadón deuna haz de láser, acontinuación se analiza el comportamiento del proceso deunión de dos láminas de acero de bajo carbono grado IF (Interstidal Free)(Galvanil), de 070 y1.60 mm de espesor respedivamente. La unión se realizaa tope. Estas piezas se utilizan en la fabricadón de componentes automotrices.Las piezas de lámina provienen de diferentes proveedores p >.

En el proceso normal estas piezas, una vez soldadas son estampadas deacuerdo al diseño previamente estableado, siendo en esta etapa del procesodonde apredaron fisuras paralelas a la línea de soldadura.

Para evaluar la calidad de la soldadura se realiza de manera rutinaria unaprueba destrudiva que es el método Olsen (prueba de copa) que consiste enaplicar una carga con un punzón de punta esférica justo en el centro de la uniónsoldada. El criterio de aceptadón de ésta prueba consiste en que la pieza deberomper en el metal base (generalmente rompe la plantilla más delgada) pero noen !a unión soldada

Por lo anterior, a continuadón, se presenta un estudio de la sanidad de la unióna tope de los componentes mencionados de acero bajo carbono unidosmediante haz de rayo láser, para lo cua. serealizaron los siguientes aspedos:

Inspecdón visual

Caraderizadón de. acero

Evaluación de las fisuras en la soldadura

52

Cabe mencionar que se analizaron tres muestras representativas obtenidas demodificadores en el proceso láser, las cuales se sometieron a .a prueba decopa yalgunas evidenciaron fisuras en la zona afedada por el calor (ZAC)

La caraderizadón de la materia prima, acero bajo carbono grado InterstidalFree (IF) de las plantillas, así mismo la evaluación de la soldadura mediante lasiguiente metodología(4):

Caraderizadón de la materia prima. Se realizaron análisis yensayos en ambaspartes de acero al carbono ga.vanil (IF) de diferentes espesores, siendo estos:

• Análisis químico

• Análisis metalográfico

• Pruebasmecánicas (dureza y tensión)

Evaluadón de tres muestras de diferente proceso. Se analizarán tres muestrasobtenidas de modificadones en el proceso láser, las cuales se sometieron a laprueba de copa y algunas evidendaron fisuras en la ZAC.

• Análisis metalográfico

• Ensayo de micro dureza

• Microscopía electrónica de barrido (MEB)

MUESTRA

Muestra 1B

Muestra 2B

Muestra 3B

Tabla 1 Condidones de las probetas unidas

DESCRIPCIÓNSoldadura de una pieza procesada antes de colocarelequipo de enfriamiento en la línea. (T = 35°C)Soldadura de una pieza procesada despuésde colocarel equipo de enfriamiento en la línea. (T =20°C)Soldadura de una pieza procesada en otra procesoLÁSER similar.

^3

Resultados de la caracterización del metal base

Inspección visual

La unión mediante soldadura láser de componentes de acero al carbono, serealiza en dos secdones de diferente espesor identificadas como "Parte A"mayor espesor («1,60 mm) y "Parte B' («0,70 mm). El cordón de soladura fueanalizado mediante esteremicroscopía con magnificadones hasta 60X

Se inspecdonaron fres muesfras identificadas como 1-A, 2-A y3A las cualesse observan en la figura 4.16. Serealizaron varios acercamientos a la soldadurade cada una de las muesfras respectivamente, ver las figuras 4.17, 4.18 y4.19.

Figura 4.16 Secciones de unionesinspeccionadas, identificadas comomuestras 1-A, 2-A y 3-A. Cadaensamble se compone de Parte Amayor espesor y Parte B de menorespesor

54

Figura 4.17 Acercamientos a la soldadura de la muesfra 1-A

3 A 6 7. ,é 9JUUL

Figura 4.18Acercamientos a la soldadura de la muestra 2-A

Figura 4.19. Acercamientos a la soldadura de la muestra 3-A

55

Observador**: La soldadura láser en general se observa en buenascondidones de textura ycontinuidad, no presenta distorsiones, ni concavidad oconvexidad, asimismo está libre de grietas, poros ysocavados.

Análisis químico. Vía de análisis de la mayoría de los elementos, se realizó porespectrometría de Rayos-X de acuerdo alas norma ASTM E1085-2004. El %Cy%S, por combustión ydetecdón infrarroja, ASTM E1019-2003. Ver tabla 2

Tabla 2. Composidón química de las laminillas AyB

| E,emen,o ^nkl te A

Yo)Parte B

(%)AISI/SAE

Gr. 1006C 0,010 0,010 0,08 MAXs 0,006 0,006 0,050 MAX.

Mn 0,190 0,060 0,25-0,45P 0,011 0,011 0,040 MAX.Si 0,030 0,010 ...„

Cr 0,020 0,010 _

Ni <0,040 <0,040 —

Mo <0,020 <0,020 .,.__

Cu 0,016 0,010 —

V <0,004 <0,004 —

Nb <0,034 <0,002 -_

Ti <0,041 <0,058 —

W <0,002 <0,002

Análisismetalográfico: ASTM E45 y E3.

Inclusiones no metálicas ASTM E45

La figura 4.20 nos muesfra las indusiones no metálicas de las muesfras AyBrespedivamente, a 100X. El tipo y severidad de estas indusiones no metálicaspresentes en las partes A y Bson del tipo óxidos D %d.

S6

Figura 4.20 Indusiones no metálicas de muesfras AyB, respedivamente,100X

Análisis microestructural ASTM E3. La microestrudura que presentan ambaspartes Ay Bconsiste de una matriz de granos equiaxiales de ferrita, con untamaño de grano Ferrítico de 9 -10 ASTM parte Ay8 - 9 ASTM parte Bcomopuede apreciarse en la figura 4.21.

wssmm nüniü^. o

.0- Viv^r^S o%^^^m^M•:; - \&

^^^^r£'^rm^¡

X-^ó ^rV f ¿fe,',.' ' .

fe- •<*&**

Figura 4.21 Microestrudura totalmente Fem'tica en muestras AyB,respectivamente. 100X, Nital 5%.

Pruebas mecánicas.

Dureza

ASTM E-384Carga 500 gr.

57

l«%» II UCSll as pr oDiemas A y B

^^|^A Lecturas (HV) PromedioMuestra "A" 76 78 74 78 74 76 76

Muestra "B" 55 57 60 62 58 60 58

Tensión

ASTM E-8

Se realiza en dos probetas planas en sentido longitudinal, con 0.500"sección calibrada, utilizando el 0.2% offset.

Tabla 4 Resultados de la prueba mecánica de tensión

IdentificaciónEsfuerzomáximo

Mpa (Psi)

Esfuerzo de Elongadón encedenda 2" Long. Cal.

Plantilla A 301 (43,655) 159(23,084) 46

Plantilla B 285(41,390) 173(25,030) 44

AISI / SAE

Gr. 1006<6)

305-360

(44,000-52,000)

180-240

(26,000-35,000)32-48

en

Evaluación de la unión por soldadura láserInspección visual

Se analizaron fres muestras de unión por soldadura láser de pruebas de copa,identificadas como 1B, 2B y3B mostradas en la figura 4.22. La figura 4.23 nosmuestra los acercamientos a las muestras 1B2, 2B5 y 3B5 respectivamente,que fueron las selecdonadas para ser analizadas y que corresponden a lasplantillas 1-A, 2-A y 3-A, respedivamente. Las observadones son lassiguientes:

sx

Tabla 5Condidones generales del proceso yresultadoen las muestras.

de la inspecdón visual

Muestra Condiciones de proceso Inspección visual

Muestra

1B

Muestra

2B

Muestra

3B

Soldadura de una pieza

procesada antes de

colocar el equipo de

enfriamiento en la línea.

(T ~35°C)

Soldadura de una pieza

procesada después de

colocar el equipo de

enfriamiento en la línea.

(T =20°C)

Soldadura de una pieza

procesada en otra

proceso láser similar.

La muestra presenta cuatro

pruebas de copa, donde la fisura

se encuentra en el MB parte B de

menor espesor, dos de éstas se

recorren hada la ZAC de la

soldadura láser. Se analizó la

1B2.

La muestra presenta cinco

pruebas de copa, donde la fisura

se encuentra en el MB parte B de

menor espesor, a 3 mm de la ZAC

de la soldadura láser. Ninguna se

recorre hacia la soldadura Se

analizó la 2B5.

La muestra presenta seis pruebas

de copa, donde la fisura se

encuentra en el MB parte B de

menor espesor, a 3 mm de la ZAC

de la soldadura láser. Una fisura

se recorre hada la soldadura. Se

analizó la 3B5.

59

Sfr' ^R _ <3b 3B B

Figura 4.22 Aspedo de las secciones de uniones con "prueba de copaidentificadas como muestras 1B, 2B y3A. Se indican las muestras

representativas para ser analizadas

ra™^ '¡'W|4J iSÍ ifíl

"JlÍMIMIIIlllllllllllIlTlllllll0 llSilillllllll

a)copa1B2

''i'iélV

b)copa2B5

c)copa3B5

Figura 4.23 Acercamiento a la "prueba de

copa" de las muestras 1B2, 2B5

3B5.representativas para ser

analizadas

60

Perfil metalográfico.

Muestra 1B2

Se realizaron dos cortes para evaluar el comportamiento de la soldadura enzona plana yen zona de prueba de copa, indicados en la figura 4.24

Corte 1(zona plana) auna pulgada de distanda de la fisura que llega a lasoldadura, para evaluadón microestrudural yde microdureza.

Corte 2(prueba de copa) justo en el extremo que se recorre hada la ZAC,para evaluadón microestrudural y de microdureza.

ftfj/fffl/lJIffllffI jllílilil

Figura 4.24 Secciones en muesfra 1B2.

Corte 1(zona plana). El aspecto macro del corte 1 se observa en la figura4.25, el perfil metalográfico muestra daramente las partes Ay Bde mayor ymenor espesor, respectivamente.

61

Figura 4.25 Corte 1en muesfra 1B2. Nótese las partes A, Byla unió

El perfil metalográfico yvalores promedio de microdureza (Hard Vickers, HV)la zona de unión muestra las siguientes caraderísticas:

en

Tabla 6Concentrado de microestrudura ymicrodureza de corte 1en la muestra1B2

ZONA

Metal base B

ZACB

Soldadura

ZAC A

Metal base A

MICROESTRUCTURA

Granos equiaxiales de Ferrita

Grano Ferrítico alargado

Granos columnares de Ferrita

acicular

Grano Ferrítico alargado

Granos equiaxiales de Ferrita

MICRODUREZA

56 HV

66 HV

137 HV

83 HV

77 HV

Las figuras 4.26 y4.27 corresponden amapeos a50X y200X, respectivamentede la unión. Se observa claramente transformación microestructural de ferritaequiaxial a granos alargados en la ZAC y ferrita adcular, ver acercamientos a200X y500X en la soldadura donde se evidencian las agujas de Ferrita adcular.Figura 4.28.

62

Figura 4.26 Mapeo del perfil metalográfico del corte 1 en muestra 1B2.Seindican las partes de la soldadura láser de la unión de partes AyB. Nital 5%.50X.

Figura 4.27 Mapeo del perfil metalográfico del corte 1en muestra 1B2. Nital5%. 200X.

Figura 4.28 Acercamiento a la soldadura (recuadro indicado en la figura 4.25).200X y500X. La microestrudura consiste de Ferrita adcular (agujas). Nital 5%.

63

SfideZiEDjgbadewBaL El aspecto macro del corte 2de la figura 429 seobserva el perfil metalográfico muestra claramente que la fisura ocurre en elmetal base de la parte Bde menor espesor, justo después de la zona afectadapor el calor (ZAC).

Figura 4.29 Mapeo del perfil metalográfico del corte 2 en muesfra 1B2. Seindican las partes de la soldadura láser de la unión de partes AyB Nital 5%50X.

El perfil metalográfico yvalores promedio de microdureza (Hard Vickers, HV) enlazona de unión muestra las siguientes caraderísticas:

Tabla 7Concentrado de microestrudura ymicrodureza del corte 2en lamuestra 1 B2

ZONA

Metal base BZACB

SoldaduraZAC A

Metal base A

MICROESTRUCTURAGranos equiaxiales de FerritaGrano Ferrítico alargadoGranos columnares de Ferrita acicularGrano Ferrítico alargadoGranos equiaxiales de Ferrita

MICRODUREZA

175HV

156 HV

219 HV

137 HV

133HV

64

La figura 4.30 muesfra acercamientos alas diferentes zonas de la soldadura de.mapeo de la figura anterior. Se observa claramente .a transformaciónmicroestrudura. de grano alargado de Ferrita en .a ZAC parte AyFerritaacicular (agujas) en la soldadura.

Figura 4.30 Transformadón microestrudural de grano alargado (ZAC) yFerritaacicular (soldadura) a 200X, respectivamente. Nital 5%.

La figura 4.31 muesfra flujo de material justo en la interfase de la ZAC y lamicroestrudura del metal base parte B.

'• >.'•'

Wr%- •^

Figura 4.31 Flujo de material en fisura de (ZAC) yMicroestrudura de Ferritaequiaxial Parte B. Nital 5%. 100X

65

Muestra 2B5

Se realizó un corte en la muestra 2B5 (figura 4.23b) justo en e, extremo de lafisura mostrado en la figura 4.32, la cual ocurre a3mm de la ZAC, para evaluarel comportamiento de la soldadura en zona de prueba de copa.

Figura 4.32. Muestra 2B5 donde se realizó el corte para obtener el perfilmetalográfico de la fisura.

El perfil metalográfico de la figura 4.33 muestra claramente que la fisura ocurreen el metal base de la partes Bde menor espesor, a una distanda bastantealejada de lasoldadura (3 mm de laZAC).

Figura 4.33 Mapeo del perfil metalográfico del corte en muestra 2B5. Se indicanlas partes de la soldadura láser de la unión de partes AyB. 50X. Nital 5%.

66

Nótese que la fisura ocurre en zona del mete, base parte B, auna distenciaalejada de la ZAC.

El perfil metalográfico yvalores promedio de microdureza (Hard Vickers, HV)la zona de unión muestra las siguientes caraderísticas:

en

Tabla 8Concentrado de microestrudura ymicrodureza del corte en la2B5

muestra

ZONA

Metal base BZACB

SoldaduraZAC A

Metal base A

MICROESTRUCTURAGranos equiaxiales de FerritaGrano Ferrítico alargadoGranos columnares de Ferrita adcularGrano Ferrítico alargadoGranos equiaxiales de Ferrita

MICRODUREZA151 HV

154 HV

218 HV

125 HV

123 HV

Se realizaron acercamientos a la unión (figura 4.34), evidendando unamicroestrudura bastante homogénea en la zona de soldadura, es dedr la ferritaacicular fina indicado en la figura 4.35.

I ; i

• «••••"•

Figura 4.34 Mapeo del perfil metalográfico del corte 1en muestra 2B5. Nital5%. 200X.

67

g£8£& (U^

Figura 4.35 Acercamiento al recuadro de la figura 4.37, se observan agujasfinas de Ferrita acicular. Nital 5%. 200X y500X, respectivamente.

Muestra 3B5

Se realizó un corte en la muestra 3B5 (figura 4.23c) justo en el extremo de lafisura, la cual ocurre a 3 mm de la ZAC y luego se recorre un extremo hacia lasoldadura, se observará el comportamiento microestrudural de la soldadura enzona de prueba de copa. Ver figura 4.36.

Figura 4.36 Muestra 3B5 donde se realizó el corte para obtener el perfilmetalográfico de la fisura.

68

El perfil metalográfico de la que aparece en la figura 4.37 muestra daramenteque la fisura ocurre en el metal base de la partes Bde menor espesor, a unadistancia próxima de la ZAC.

Figura 4.37 Mapeo del perfil metalográfico del corte en muestra 3B5. Se indicanlas partes de la soldadura láser de la unión de partes Ay B. 50X. Nital 5%.

Nótese que la fisura ocurre en zona del metal base parte B, a una distandapróxima de la ZAC.

El perfil metalográfico yvalores promedio de microdureza (Hard Vickers, HV) enla zona de unión muestra las siguientes caraderísticas:

Tabla 9 Concentrado de microestrudura y microdureza de corte en la muestra2B5

ZONA

Metal base B

ZACB

Soldadura

ZAC A

Metal base A

MICROESTRUCTURAGranos equiaxiales de FerritaGrano Ferrítico alargadoGranos

acicularcolumnares de Ferrita

Grano Ferrítico alargadoGranos equiaxiales de Ferrita

MICRODUREZA

154 HV

184 HV

228 HV

148 HV

144 HV

6Q

Metal

Base

B

Se realizaron acercamientos a la unión, evidendando una transformaciónm.croestructural de ferrita equiaxial en el metal base a grano alargado Ferríticoen la ZAC yen la soldadura granos alargados de ferrita adcular (agujas)lo muestra la figura 4.38.

como

'"•^s^L:

Figura 4.38 Acercamientos alas zonas de la soldadura, se observan granos deferrita alargados en la ZAC-A, granos de Ferrita acicular (agujas) en la soladuray nuevamente granos alargados de Ferrita en la ZAC-B, respedivamente. Nital

5%. 200X

70

Microscopía eledrónica de barrido (MEB)Se analizó la superficie de fractura de las fisuras de las pruebas de copa en elmicroscopio eledrónico de barrido (MEB). Las figuras 4.39 y4.40 permitenobservar el aspecto dúctil caraderístico de aceros bajo carbono, con evidenciade zonas fibrosas y micro hoyuelos.

25kV X100 100umL

Figura 4.39 Aspedo de fradura de las fisuras de las pruebas de copa. 100X(MEB).

71

Figura 4.40 Fradura tipo dúdil, con la presenda de micro hoyuelos. 1000X.(MEB).

Un microanálisis químico cualitativo por energía dispersiva de Rayos Xrealizado en la superfide de la fisura demuestra la composidón típica del acerobajo carbono, sin la evidencia de algún otro agente externo o del recubrimientode zinc. Ver la figura 4.41

72

Figura 4.41 Espectro de análisis químico cualitativo realizado en la superfidede fractura de la figura 4.43 (MEB).

Análisis de resultados

Microestructura y microdureza

La microestrudura de los plantillas A y Bde acero grado interstidal free (IF)consiste de granos equiaxiales de Ferrita, tamaño de grano ASTM 8-10 (figura4.24). La microdureza de las plantillas de 58-76 HV, es congruente con sumicroestructura.

El perfil metalográfico de la soldadura del ensamble de plantillas A y B dediferente espesor evidencia daramente transformación microestructural de

ferrita equiaxial en el metal base a granos alargados de Ferrita en la ZAC ygranos irregulares de Ferrita acicular en forma de agujas. Figuras 4.28-4.30. La

73

razón del credmiento de grano esta reladonado con el rápido gradtente térmicogenerado durante el proceso láser en este tipo de aceros <6 >.

El perfil metalográfico de la soldadura de las tres muestras sometidas a laprueba de copa" de diferente espesor, identificadas como 1B2, 2B5 y3B5presentan las siguientes observadones:

Tabla 10 Perfil metalográfico de la muestra 1B2, 2B5 y3B5

MUESTRA CONDICIONESDE PROCESO PERFIL MICROESTRUCTURAL

Muestra1B2

Muestra

2B5

Muestra

3B5

Soldadura deuna piezaprocesada antesde colocar elequipo deenfriamiento enla línea. (T

=35°C)

Soldadura deuna piezaprocesadadespués decolocar el equipode enfriamientoen la línea. (T

=20°C)

Soldadura deuna piezaprocesada enotra procesoLÁSER similar.

Corte 1 (zona plana)transformación

granos alargados de Femta en la ZAC ygranos desformairregular de Femta acicular en forma de agujas en lasoldadura.

Se observamicroestructural de femta

claramente

equiaxial a

Corte 2 (prueba de copa) La fisura ocurre en el metalbase de la parte Bde menor espesor, justo después de lazona afedada por el calor (ZAC).El perfil metalográfico muestra transformaciónmicroestructural de grano alargado de Femta en la ZACparte A y granos de forma irregular de Femta acicular enforma de agujas en la soldadura.

El perfil metalográfico muestra claramente que la fisuraocurre en el metal base de la parte Bde menor espesor, auna distancia bastante alejada de la soldadura (3 mm dela ZAC). La microestructura es bastante homogéneaevidenciado crecimiento de grano Ferrítico en la ZAC yenla zona de soldadura, los granos de ferrita acicular sonfinos.

El perfil metalográfico evidencia transformaciónmicroestructural de femta equiaxial en el metal base agrano alargado Ferrítico en la ZAC y en la soldaduragranos irregulares de Femta adcular (agujas).

74

Tabla 11 Concentrado de microdureza de la soldadura en las tres muestrassometidas a la prueba de copa

M 1B2Corte1 M 1B2Corte2 M 2B5 M 3B5MB-A 77 133 123 144

ZAC-A 83 137 125 148SOLD 137 219 218 228ZAC-B 66 156 154 184MB-B 56 175 151 154

El comportamiento de la microdureza evidencia durezas promedio en el MBcon un ligero incremento en la ZAC y en la soldadura aumenta a menos deldoble, como se muestra en la figura 4.42.

Es notorio que las tres muestras sometidas a la "prueba de copa" evidencian

incremento en la dureza en las diferentes zonas del MB, ZAC y SOLDADURA,

sin embargo los valores de dureza cercanos a 200 HV indican que la zona de

soldadura mantiene buenas propiedades de ductilidad ^

La dureza de la muestra 1B2, corte 1 presenta valores de dureza menores que

las demás muestras expuestas a la "prueba de copa" debido a que está en la

condición del rolado de la plantilla, mientras que las otras han sido deformadas

por dicha prueba.

75

COMPORTAMIENTO DE MICRODUREZA EN SOLDADURA

MB-A ZAC-A SOLD

ZONAS DE LA SOLDADURA

r I I

ZAC-B MB-B

M 1B2-C1

M 1B2-C2

M 2B5

M 3B5

Figura 4.42 Comportamiento de la dureza en la soldadura de las muestras

analizadas.

Nótese que la dureza de la soldadura se incrementa a menos del doble que ladel MB.

Propiedades mecánicas

Las probetas de tensión fueron preparadas yensayadas de acuerdo a la normaASTM E8, ver figura 4.43. Los resultados de ambas plantillas A y B, delesfuerzo máximo, esfuerzo a la cadencia y % de elongación para del metalbase indican que se trata de un acero bajo carbono grado IF mostrado en lafigura 4.44. Las probetas para evaluar el cordón de soldadura láser, rompenfuera de la soladura, en la plantilla de menor espesor. El modo defradura a 45°de todas las probetas indican buenas propiedades de ductilidad para este tipode aceros. Las gráficas de esfuerzo-deformación se muestran en la figura 4.29.

76

X^^^^^^..A^&^aia^,,^,,^,,,;-;! a£,,11,,, ,«&, ',,,£?' L TtSKtt 82

A) Probetas maquinadas para tensión en metal base yen soldadura.

E'?.^„„

Xj

B) Probetas de tensión ensayadas del metal basede ambas plantillas A y B, respectivamente.

I 'A«i¿U4ü¡t^ilUJ S..líl, ,¿,HI ¿!fi*i, ^ dJ«¿htl SUiáua, •,¡¡!| «ál e*sui

C) Probetas de tensión con entalle y sin entalle ensayadas de la soldaduradel ensamble de las plantillas A y B, respectivamente.

Figura 4.43 Probetas de tensión maquinadas y ensayadasdel metal base yde

la soldadura.

Nótese que las fraduras de ambos ensayos del metal base y soldadura se

desarrolla formando un ángulo a 45°, característico de fractura dúctil de los

aceros bajo carbono grado IF.

77

Figura 4.44 Gráficas esfuerzo-deformación de lasdiferentes probetas.

78

5. CONCLUSIONES

El presente trabajo se realizó con los siguientes objetivos:Objetivo general. Que es el "estudiar el proceso de soldadura láser por C02aplicado en la unión de láminas de diferentes espesores de acero bajocarbono".

Para llegar a este punto se establecieron algunos objetivos específicos, loscuales fueron:

- Analizar el proceso de soldadura láser

- Determinar los diferentes tipos de láser aplicados en la soldadura de

materiales

- Establecer y analizar los parámetros involucrados en los procesos láser

- Estudiar un caso de aplicación de soldadura láser

- Análisis y discusión de resultados

- Escritura y presentación del trabajo

Los objetivos se cumplieron. Para ello fue necesario ir en retrospediva hasta los

orígenes del fenómeno láser, Entendiendo la visión del fenómeno de la emisión

estimulada de Albert Einstein y su aplicación práctica casi medio siglo después.

La generación de energía en forma de haz de luz es una forma relativamente

nueva y de gran potencial. Su capaddad de elevar la temperatura en varios

miles de OC en milésimas de segundo sobre un objeto seleccionado permite la

fusión del material, cualquiera que este sea, lo cual permitió primero realizar

cortes de materiales, especialmente metálicos con una precisión y velocidad no

lograda anteriormente.

Estas características fueron llevadas a aplicación en el campo de la soldadura

industrial con resultados iguales o superiores a los logrados en el corte de

79

materiales. Esto es debido ala característica única de esta técnica, queconsiste en excitar un material por un medio externo provocando así elfenómeno de la emisión espontánea. La luz lograda por este medio debecolocarse en una "caja de resonancia" para alinear los fotones yelectronesgeneradores de esta luz, pues de otra manera viajarían en todas direcciones yno serían útiles.

Existen varias formas de generar haz láser, entre las más comunes están; lásera base de gas, estado sólido y semicondudores.

El láser a base de gas de C02 pertenece a la categoría de alto poder ya queson capaces de generar potencia de salida de varios kW en el punto de uso loque permite acceder a piezas de mayor espesor.

La tecnología láser en la soldadura trae las ventajas: Baja energía de entrada ygran energía de salida, velocidad de proceso superior a la conseguida por losmétodos convencionales, área de fusión pequeña y por lo tanto menos zona

afectada por el calor (ZAC), menor distorsión en los materiales soldados,capacidad de soldar materiales de mayor espesor que con otros métodos,mayor limpieza y calidad en las soldaduras.

Entre las desventajas que presenta son la alta inversión inicial, costos deoperación mayores, alta espedalizadón del personal a cargo y la necesidad depreparar los bordes a unirse de tal manera que no tenga ninguna irregularidad.

En base al análisis de los resultados del caso de estudio se concluye:

En el caso de estudio se arrojo lo siguiente:

- Es evidente que la formación de ferrita acicular en la zona de soldadura de la

unión de plantillas de diferente espesor de aceros bajo carbono grado IF,presenta altos_valores de dureza, pero menores al doble que el MB.

80

- La ZAC presenta crecimiento de grano ferrítico y por ende un ligeroincremento en la dureza con respecto al MB.

- De los tres tipos de muestras analizadas, la muestra 2B5 presenta mejorescaracterísticas de microestructura y de dureza, lo cual indica que lascondiciones del proceso de soldadura láser con enfriamiento en la mesa de

trabajo a temperatura de 20°C, es la mas apropiada.

- El modo de fractura de las probetas de tensión a corte o cizalla a 45° y la

evidencia de micro hoyuelos en la superficie de fradura observada en las

fisuras de las pruebas de copa, indica que el material tiene comportamiento

totalmente dúctil. Por lo que el ensamble por soldadura láser de este tipo de

acero bajo carbono grado IF, es susceptible para el proceso de estampado en

las condiciones normales de operación.

- El material base de ambas plantillas A y B presenta una microestructura de

granos equiaxiales de ferrita y las propiedades mecánicas de dureza, de

esfuerzo máximo, esfuerzo de cadencia y % de elongación, así como la

composición química, se asemejan a los aceros bajo carbono AISI/SAE 1005 y

1006. Pero cumplen para aceros intersticial free (IF) que son acero ultra bajo

carbono y trazas de elementos aleantes (Cu, Nb, Cr, Mo, Ti, etc.)

81

6. REFERENCIAS

^¡^^^Si^ Vol. 2. Welding Process, Cap 22 Láser Beam Welding*VMerchant, New Developments in Advanced Welding, Editado por WoodheadPublishing Limited (200) vvooaneaa

3GGarcía. JAcevedo, AReyes, JLucio, Evaluación microestructura, de laminas deacero bajo carbono unido mediante el proceso de soldadura láser de C02 4° Foro deIngeniería eInvestigación en Materiales, Vol 4, pp 100-105 (2007)jMetals Handbook, ASM, Vol 11, Failure analisys and prevention, (2003)5PD Harvey, Engineering properties of steel. ASM (1990)EBayraktar, DKaplan, LDevillers, JP Chevalier, Grain growth duríng the welding of

mterstitial free (IF) steels, Jof Materials Processing Technology, Vol 189 pp 114-125(2007)

7SK Panda, DR Kumar, HKumar, AK Nath, Characterízation of tensile properties ofTaylor welded IF steel sheets and their formability in stretch formimg, J of MaterialsProcessing Technology, Vol 183, pp 321-332 (2007)

6

82

TABLAS Y FIGURAS

Figura 4.1 Generadón de fotones apartir de electrones excitados 11Figura 4.2 Electrones yfotones viajando en direcdones aleatorias 11Figura 4.3 Haz de láser dosificado por el espejo frontal 14Figura 4.4 Lente concentrador del haz de láser en la pieza de trabajo 15Figura 4.5 Esquema típico de generadón de haz de láser 16Figura 4.6 Detalle de la técnica del orifido critico 13Figura 4.7 Diagrama de niveles deenergía de Cr-rubi yNd.YAG 22Figura 4.8 Diagrama de banda de energía de una unión "p-n" 23Figura 4.9 Diagrama de los niveles de energía resultantes cuando una corrienteeléctrica positiva se aplica en el semiconductor "p" El indso (b) nos muestra unaregión de altaconcentradón de electrones y orifidos 25Figura 4.10 Semi conductor láser de unión "p-n" .25Figura 4.11 ayb. Equipo láser híbrido a) con GMAW (MIG) b) con GTAW (TIG)

27

Figura 4.12 Concentraciones atmosféricas de C02 medidas en el Laboratoriode Mauna Loa 3q

Figura 4.13 Diagrama fase presión temperatura del C02 31Figura 4.14 a y b a) Pequeños pelets de hielo seco sublimando en el aire , b)Estructura cristalina del hielo seco 32

Figura 4.15 Burbujas de C02 en una bebida gaseosa 34Tabla 1 Condidones de las probetas unidas 54

Figura 4.16 Secdones de uniones inspeccionadas, identificadas comomuestras 1-A, 2-A y 3-A. Cada ensamble se compone de Parte A mayorespesor y Parte Bde menor espesor 55

Figura 4.17Acercamientos a la soldadura de la muestra 1-A 55

83

Figura 4.18 Acercamientos ala soldad^d7la~r^e¡tra7A^ 5¡Figura 4.19 Acercamientos ala soldadura de la muestra 3-A 5^Tabla 2. Composición química de las laminillas AyB 57Figura 4.20 Indusiones no metálicas de muestras AyB,'respectivamente100X

Figura 4.21. Microestructura totalmente Ferrítica en muestras Ay Brespectivamente. 100X, Nital 5%

58

Tabla 3Lecturas de dureza de las muestras problemas AyB 58Tabla 4Resultados de la prueba mecánica de tensión 59Tabla 5Condiciones generales del proceso yresultado de la inspecdón visualen las muestras.

59

Figura 4.22 Aspecto de las secciones de uniones con "prueba de copaidentificadas como muestras 1B, 2B y 3A. Se indican las muestrasrepresentativas para ser analizadas qqFigura 4.23 Acercamiento a la "prueba de copa" de las muestras 1B2, 2B5 y3B5.representativas para ser analizadas 61Figura 4.24 Secciones en muestra 1B2 61Figura 4.25 Corte 1en muestra 1B2. Nótese las partes A, Byla unión 62Tabla 6Concentrado de microestrudura ymicrodureza de corte 1en la muestra1B2

62

Figura 4.26 Mapeo del perfil metalográfico del corte 1 en muestra 1B2.Seindican las partes de la soldadura láser de la unión de partes AyB. Nital 5%50X

63

Figura 4.27 Mapeo del perfil metalográfico del corte 1 en muestra 1B2. Nital5%. 200X „

63

Figura 4.28 Acercamiento a la soldadura (recuadro indicado en la figura 3.32).200X y500X. La microestructura consiste de Ferrita adcular (agujas). Nital 5%."' 63

Figura 4.29 Mapeo del perfil metalográfico del corte 2 en muestra 1B2. Seindican las partes de la soldadura láser de la unión de partes AyB Nital 5%50X 64

84

Tabla 7Conoelrado de miaoestmcturaTmi^du^a^e^r^íTi^^1 B2

65Figura 4.30 Transformación microestrudural de grano alargado (ZAC) yFerritaacicular (soldadura) a200X, respedivamente. Nital 5% ^Figura 4.31 Flujo de material en fisura de (ZAC) yMicroestrudura de Ferritaequiaxial Parte B. Nital 5%. 100X

65

Figura 4.32 Muestra 2B5 donde se realizó el corte para obtener el perfil metalográficode la fisura

66

Figura 4.33 Mapeo del perfil metalográfico del corte en muestra 2B5. Se indicanlas partes de la soldadura láser de la unión de partes AyB. 50X. Nital 5% 66Tabla 8 Concetrado de microestructura ymicrodureza del corte en la muestra285 67Figura 4.34 Mapeo del perfil metalográfico del corte 1 en muestra 2B5. Nital5%. 200X C7

67

Figura 4.35. Acercamiento al recuadro de la figura 4.37, se observan agujasfinas de Ferrita adcular. Nital 5%. 200X y500X, respectivamente 68Figura 4.36 Muestra 3B5 donde se realizó el corte para obtener el perfilmetalográfico de la fisura 68Figura 4.37 Mapeo del perfil metalográfico del corte en muestra 3B5. Se indicanlas partes de la soldadura láser de la unión de partes AyB. 50X. Nital 5% 69Tabla 9 Concentrado de microestrudura y microdureza de corte en la muestra

285 69Figura 4.38 Acercamientos a las zonas de la soldadura, se observan granos deferrita alargados en la ZAC-A, granos de Ferrita adcular (agujas) en la soladuray nuevamente granos alargados de Ferrita en la ZAC-B, respedivamente. Nital5%.200X 70

Figura 4.39 Figura 4.42 Aspecto de fradura de las fisuras de las pruebas decopa. 100X. (MEB) 71

Figura 4.40 Fradura tipo dúctil, con la presencia de micro hoyuelos. 1000X.(MEB) 72

85

Figura 4.41 Espedro de análisis químico cualitativo realizado en la superfidedefradura de la figura 4.43 (MEB)

• / O

Tabla 10 Perfil metalográfico de la muestra 1B2, 2B5 y3B5 74Tabla 11 Concentrado de microdureza de la soldadura en las tres muestrassometidas a la prueba de copa

Figura 4.42 Comportamiento de la dureza en la soldadura de las muestrasanaizadas. Nótese que la dureza de la soldadura se incrementa a menos deldoble que la del MEB 76Figura 4.43 Probetas de tensión maquinadas yensayadas del metal base ydela soldadura 77

Figura 4.44 Gráficas esfuerzo-deformación de las diferentes probetas 78

86