Historia del desarrollo de la soldadura láser

Métodos de soldadura para piezas micro y pequeñas La soldadura láser es un método de soldadura eficiente y preciso que utiliza un haz láser de alta densidad energética como fuente de calor. Es una de las aplicaciones importantes de la tecnología de procesamiento de materiales láser. En la década de 1970, se utilizaba principalmente para soldar materiales de paredes delgadas y soldadura de baja velocidad, y el proceso de soldadura pertenecía al tipo de conducción de calor. Específicamente, la radiación láser calienta la superficie de la pieza de trabajo, y el calor en la superficie se difunde hacia el interior a través de la conducción térmica. Al controlar parámetros como el ancho, la energía, la potencia pico y la frecuencia de repetición de los pulsos láser, la pieza de trabajo se funde para formar un baño fundido específico. Debido a sus ventajas únicas, se ha aplicado con éxito a laSoldadura de precisión de piezas micro y pequeñas.La tecnología china de soldadura láser se encuentra entre las más avanzadas del mundo. Posee la tecnología y la capacidad para fabricar componentes complejos de aleación de titanio de más de 12 metros cuadrados mediante láser, y se ha aplicado en la fabricación de prototipos y productos para diversos proyectos nacionales de investigación aeronáutica. En octubre de 2013, un experto chino en soldadura recibió el Premio Brook, el máximo galardón académico en este campo, lo que confirmó el nivel de excelencia mundial de China en soldadura láser.

## Historia del desarrollo El primer rayo láser del mundo se generó en 1960 mediante la excitación de cristales de rubí con una lámpara de destellos. Debido a la limitación de la capacidad térmica del cristal, solo podía producir haces pulsados ​​muy cortos de baja frecuencia. Aunque la energía pico instantánea del pulso podía alcanzar hasta 10⁶ vatios, seguía perteneciendo a una salida de baja energía. Una varilla de cristal de granate de itrio y aluminio dopado con neodimio (Nd:YAG), con neodimio (Nd) como elemento de excitación, puede generar un rayo láser continuo de una sola longitud de onda con una potencia de 1 a 8 kW. El láser YAG, con una longitud de onda de 1,06 μm, puede conectarse al cabezal de procesamiento láser mediante una fibra óptica flexible, lo que permite una disposición flexible del equipo y es adecuado para soldar piezas de trabajo con un espesor de 0,5 a 6 mm. El láser de CO₂, que utiliza dióxido de carbono como excitante (con una longitud de onda de 10,6 μm), puede alcanzar una energía de salida de hasta 25 kW y realizar soldadura de penetración completa en una sola pasada de placas de 2 mm de espesor. Se ha utilizado ampliamente en el procesamiento de metales en el sector industrial. A mediados de la década de 1980, la soldadura láser, como nueva tecnología, atrajo gran atención en Europa, Estados Unidos y Japón. En 1985, ThyssenKrupp Steel AG (Alemania) y Volkswagen AG (Alemania) colaboraron para adoptar con éxito la primera pieza soldada por láser del mundo en la carrocería del Audi 100. En la década de 1990, los principales fabricantes de automóviles de Europa, Norteamérica y Japón comenzaron a utilizar ampliamente la tecnología de soldadura láser en la fabricación de carrocerías. La experiencia práctica, tanto de laboratorios como de fabricantes de automóviles, ha demostrado que las piezas soldadas por láser pueden aplicarse con éxito en la producción de carrocerías. La soldadura láser a medida utiliza energía láser para empalmar y soldar automáticamente varios aceros, aceros inoxidables, aleaciones de aluminio, etc., con diferentes materiales, espesores y recubrimientos en una placa, perfil o panel sándwich integrado. Esto cumple con los diferentes requisitos de rendimiento de los materiales de los componentes y logra equipos ligeros con el menor peso, la estructura óptima y el mejor rendimiento. En países desarrollados como Europa y Estados Unidos,soldadura láser a medidaNo solo se utiliza en la industria de fabricación de equipos de transporte, sino que también se aplica ampliamente en campos como la construcción, puentes, producción de soldadura de placas para electrodomésticos y soldadura de placas de acero en líneas de laminación (conexión de placas en laminación continua). Entre las empresas de soldadura láser de renombre mundial se incluyen Soudonic (Suiza), ArcelorMittal Group (Francia), ThyssenKrupp TWB (Alemania), Servo-Robot (Canadá) y Precitec (Alemania). La aplicación de la tecnología de soldadura láser de piezas en bruto en China acaba de comenzar. El 25 de octubre de 2002, se puso en marcha oficialmente la primera línea de producción comercial profesional de China para soldadura láser de piezas en bruto. Fue introducida por Wuhan ThyssenKrupp Zhongren Laser Tailor Welding de ThyssenKrupp TWB (Alemania). Posteriormente, Shanghai Baosteel Arcelor Laser Tailor Welding Co., Ltd., FAW Baoyou Laser Tailor Welding Co., Ltd. y otras empresas comenzaron a producir sucesivamente. En 2003, países extranjeros se dieron cuenta de la soldadura de alambre de relleno láser de CO₂ de doble haz ySoldadura con hilo de relleno láser YAGpara la estructura del panel inferior de la pared de aleación de aluminio del A318. Esta tecnología reemplazó la estructura remachada tradicional, reduciendo el peso del fuselaje de la aeronave en un 20 % y ahorrando un 20 % del costo. Gong Shuili creía que la tecnología de soldadura láser desempeñaría un papel significativo en la transformación y modernización de la industria de fabricación aeronáutica tradicional de China. Inmediatamente solicitó varios proyectos de investigación preliminar relacionados, organizó un equipo de investigación y tomó la iniciativa en la introducción de la tecnología de "soldadura láser de doble haz" en proyectos de investigación en China. Desde el principio, planeó aplicar esta tecnología a la fabricación de aeronaves. El equipo de expertos chinos informó sobre la tecnología preliminar a un instituto de diseño aeronáutico y promovió las ventajas y la viabilidad de la soldadura láser de doble haz. Después de múltiples verificaciones y evaluaciones, el instituto de diseño decidió aplicar esta tecnología a la fabricación de paneles de pared nervados para una aeronave específica, logrando así el objetivo inicial de aplicar la tecnología de "soldadura láser de doble haz" a la fabricación de aeronaves. Se lograron avances en tecnologías clave como el control de precisión del alambre de relleno para soldadura láser en aleaciones ligeras, se desarrolló un dispositivo de soldadura híbrida de alambre de relleno láser de doble haz integrado e innovador, se estableció la primera plataforma de soldadura de alambre de relleno láser de doble haz de alta potencia de China, se realizó la soldadura síncrona de doble haz y doble cara de juntas en T en grandes estructuras de paredes delgadas, y se aplicó con éxito por primera vez a la fabricación de soldadura de piezas estructurales clave de paneles de pared nervados para aviación, desempeñando un papel importante en el desarrollo de la nueva aeronave china. En 2003, el primer conjunto completo de equipos nacionales para soldadura de tiras en línea a gran escala proporcionado por HG Laser superó la aceptación fuera de línea. Este equipo integra corte láser, soldadura y tratamiento térmico, lo que convierte a HG Laser en una de las cuatro empresas del mundo capaces de producir este tipo de equipos. En 2004, el proyecto “Tecnología y equipo de procesamiento combinado de corte y soldadura láser de alta potencia” de HG Laser Farley Laserlab ganó el Segundo Premio del Premio Nacional al Progreso Científico y Tecnológico, convirtiéndola en la única empresa láser en China con capacidad de I+D de esta tecnología y equipo. Con el rápido desarrollo de la industria láser industrial, el mercado ha planteado mayores exigencias para la tecnología de procesamiento láser. La tecnología láser ha pasado gradualmente de una sola aplicación a aplicaciones diversificadas. En términos de procesamiento láser, ya no se limita al corte o la soldadura individuales. La demanda del mercado de equipos de procesamiento láser integrados que combinan corte y soldadura está aumentando, y por lo tanto, han surgido equipos integrados de corte y soldadura láser. HG Laser Farley Laserlab desarrolló la máquina integrada de corte y soldadura Walc9030, con un formato ultra grande de 9 × 3 metros, que actualmente es el equipo integrado de corte y soldadura láser de mayor formato del mundo. La Walc9030 es un equipo de corte y soldadura de gran formato que integraFunciones de corte y soldadura láserEstá equipado con un cabezal de corte profesional y un cabezal de soldadura, y ambos comparten un mismo haz. La tecnología de control numérico garantiza que no interfieran entre sí. El equipo puede realizar simultáneamente dos procesos que requieren corte y soldadura. Puede alternar libremente entre cortar primero y soldar, o soldar primero y cortar, realizando ambas funciones de corte y soldadura láser con un solo equipo, sin necesidad de equipos adicionales. Esto reduce los costos de equipo para los fabricantes de aplicaciones, mejora la eficiencia y amplía el rango de procesamiento. Además, gracias a la integración de corte y soldadura, se garantiza la precisión del procesamiento y el rendimiento del equipo es eficiente y estable. Asimismo, ha superado las dificultades de la deformación térmica de las placas durante la soldadura a medida de placas ultragrandes y la realización estable de trayectorias ópticas de vuelo ultralargas. Puede soldar dos placas planas de 6 metros de largo y 1,5 metros de ancho a la vez, y la superficie soldada es lisa y plana sin necesidad de posprocesamiento adicional. Al mismo tiempo, puede cortar placas con un ancho de 3 metros, una longitud de más de 6 metros y un espesor de menos de 20 mm en un solo proceso de conformado sin posicionamiento secundario. El Instituto de Automatización de Shenyang, Academia China de Ciencias, llevó a cabo una cooperación internacional con IHI Corporation (Japón). Siguiendo la estrategia nacional de desarrollo científico y tecnológico de “introducción, digestión, absorción y reinnovación”, superó varias tecnologías clave desoldadura láser a medidaEn septiembre de 2006, desarrolló el primer conjunto completo de líneas de producción de soldadura láser a medida de China y, con éxito, desarrolló un sistema robótico de soldadura láser, logrando la soldadura láser de curvas planas y espaciales. En octubre de 2013, un experto chino en soldadura ganó el Premio Brook, el máximo galardón académico en el campo de la soldadura. El Instituto de Soldadura (TWI, Reino Unido) recomienda y nomina candidatos cada año entre más de 4000 unidades miembro en más de 120 países, y finalmente otorga este premio a un experto en reconocimiento a sus destacadas contribuciones a la ciencia y la tecnología de la soldadura o unión y su aplicación industrial. Este premio no solo es un reconocimiento a Gong Shuili y su equipo, sino también una afirmación del papel de AVIC en la promoción del progreso de la tecnología de unión de materiales.

## Parámetros estructurales

### Equipo de trabajo Está compuesto por un oscilador óptico y un medio colocado entre los espejos en ambos extremos de la cavidad del oscilador. Cuando el medio se excita a un estado de alta energía, comienza a generar ondas de luz en fase, que se reflejan de un lado a otro entre los espejos en ambos extremos, formando un efecto de concatenación fotoeléctrica. Esto amplifica las ondas de luz y, cuando se obtiene suficiente energía, se emite el láser. El láser también puede definirse como un dispositivo que convierte fuentes de energía primaria, como energía eléctrica, química, térmica, lumínica o nuclear, en haces de radiación electromagnética de frecuencias ópticas específicas (luz ultravioleta, luz visible o luz infrarroja). Esta conversión puede llevarse a cabo fácilmente en ciertos medios sólidos, líquidos o gaseosos. Cuando estos medios se excitan en forma de átomos o moléculas, producen un haz de luz con casi la misma fase y casi una sola longitud de onda: el láser. Debido a su propiedad en fase y longitud de onda única, el ángulo de divergencia es muy pequeño, y puede transmitirse a larga distancia antes de ser altamente concentrado para proporcionar funciones como soldadura, corte y tratamiento térmico. ### Clasificación de láseres Hay principalmente dos tipos de láseres utilizados para soldadura, a saber, láseres de CO₂ y láseres de Nd:YAG. Ambos láseres de CO₂ y láseres de Nd:YAG son luz infrarroja invisible para el ojo humano. El haz generado por el láser de Nd:YAG es principalmente luz infrarroja cercana con una longitud de onda de 1,06 μm. Los conductores térmicos tienen una tasa de absorción relativamente alta para la luz de esta longitud de onda, y para la mayoría de los metales, la reflectividad es del 20 % al 30 %. El haz infrarrojo cercano se puede enfocar a un diámetro de 0,25 mm utilizando lentes ópticas estándar. El haz del láser de CO₂ es luz infrarroja lejana con una longitud de onda de 10,6 μm. La mayoría de los metales tienen una reflectividad del 80 % al 90 % para este tipo de luz, por lo que se requieren lentes ópticas especiales para enfocar el haz a un diámetro de 0,75 a 1,0 mm. La potencia de los láseres Nd:YAG generalmente alcanza entre 4000 y 6000 W, y la potencia máxima ha llegado a los 10 000 W. En contraste, la potencia de los láseres de CO₂ puede alcanzar fácilmente los 20 000 W o incluso más. Los láseres de CO₂ de alta potencia resuelven el problema de la alta reflectividad mediante el efecto de ojo de cerradura. Cuando la superficie del material irradiada por el punto de luz se funde, se forma un ojo de cerradura. Este ojo de cerradura, lleno de vapor, actúa como un cuerpo negro que absorbe casi toda la energía de la luz incidente. La temperatura de equilibrio dentro del ojo de cerradura alcanza aproximadamente los 25 000 °C, y la reflectividad disminuye rápidamente en cuestión de microsegundos. Aunque el desarrollo de los láseres de CO₂ sigue centrándose en la investigación y el desarrollo de equipos, ya no se trata de aumentar la potencia máxima de salida, sino de mejorar la calidad del haz y su capacidad de enfoque. Además, cuando se utiliza argón como gas de protección para la soldadura láser de CO₂ con una potencia superior a 10 kW, suele generar un plasma intenso que reduce la profundidad de penetración. Por ello, se suele utilizar helio, que no genera plasma, como gas de protección para la soldadura láser de CO₂ de alta potencia. La aplicación de combinaciones de láseres de diodo para la excitación de cristales Nd:YAG de alta potencia es un tema importante de investigación y desarrollo, que mejorará notablemente la calidad de los haces láser y permitirá un procesamiento láser más eficiente. El uso de matrices de diodos directos para excitar y emitir láseres en la región del infrarrojo cercano ha alcanzado una potencia media de 1 kW y una eficiencia de conversión fotoeléctrica cercana al 50 %. Los diodos también tienen una vida útil más larga (10 000 horas), lo que contribuye a reducir el coste de mantenimiento de los equipos láser. El desarrollo de equipos láser de estado sólido bombeados por diodos (DPSSL) también está avanzando.