Tanto la soldadura por haz láser como la soldadura por arco se han utilizado durante mucho tiempo en la producción industrial y permiten un amplio espectro de aplicaciones en el campo de la unión de materiales. Cada uno de estos procesos tiene sus áreas de aplicación específicas, descritas por los procesos físicos de transporte de energía a la pieza de trabajo y por los flujos de energía que se pueden obtener. La energía se transmite desde la fuente del haz láser al material a procesar mediante radiación infrarroja coherente de alta energía, utilizando un cable de fibra óptica. El arco transmite el calor necesario para la soldadura mediante una corriente eléctrica alta que fluye a la pieza de trabajo a través de una columna de arco. La radiación láser produce una zona afectada por el calor muy estrecha con una gran relación entre la profundidad de soldadura y el ancho de la costura (efecto de soldadura profunda). La capacidad de puenteo de huecos del proceso de soldadura láser es muy baja, debido a su pequeño diámetro de foco, pero, por otro lado, puede alcanzar velocidades de soldadura muy altas. El proceso de soldadura por arco tiene una densidad de energía mucho menor, pero produce un punto focal más grande en la superficie de la pieza de trabajo y se caracteriza por una velocidad de procesamiento más lenta. Al combinar ambos procesos, se pueden lograr sinergias útiles. En última instancia, esto permite obtener ventajas en calidad y beneficios en la ingeniería de producción, así como una mayor eficiencia en costos. Este proceso ofrece aplicaciones interesantes y económicamente atractivas, especialmente en la industria automotriz, ya que permite mayores tolerancias en las soldaduras, mayores tasas de unión y parámetros mecánicos y tecnológicos óptimos.
1. Introducción:
Desde la década de 1970 se conoce cómo combinar la luz láser y el arco eléctrico en un proceso de soldadura integrado, pero durante mucho tiempo no se realizaron más investigaciones al respecto. Recientemente, los investigadores han retomado este tema y han intentado aunar las ventajas del arco eléctrico con las del láser en un proceso de soldadura híbrido. Si bien en sus inicios las fuentes láser aún debían demostrar su idoneidad para uso industrial, hoy en día son equipos tecnológicos estándar en muchas empresas manufactureras.
La combinación de la soldadura láser con otro proceso de soldadura se denomina «proceso de soldadura híbrida». Esto significa que un rayo láser y un arco eléctrico actúan simultáneamente en una misma zona de soldadura, influyéndose y reforzándose mutuamente.
2. Láser:
La soldadura láser requiere no solo una alta potencia láser, sino también un haz de alta calidad para obtener el efecto de soldadura profunda deseado. La mayor calidad del haz resultante puede aprovecharse para obtener un diámetro de foco menor o una mayor distancia focal.
Para los proyectos de desarrollo que se encuentran actualmente en marcha, se utiliza un láser de estado sólido bombeado por lámpara con una potencia de haz láser de 4 kW. La luz láser se transmite a través de una fibra de vidrio de 600 µm.
La luz láser se transmite a través de una fibra de vidrio, cuyo extremo inicial y final están refrigerados por agua. El haz láser se proyecta sobre la pieza de trabajo mediante un módulo de enfoque con una distancia focal de 200 mm.
3. Proceso híbrido láser:
Para soldar piezas metálicas, el haz láser Nd:YAG se enfoca a intensidades superiores a 10⁶ W/cm². Cuando el haz láser incide sobre la superficie del material, calienta este punto hasta la temperatura de vaporización, formándose una cavidad de vapor en el metal de soldadura debido a la liberación de vapor metálico. La característica distintiva de la soldadura es su elevada relación profundidad-anchura. La densidad de flujo de energía del arco libre es ligeramente superior a 10⁴ W/cm². La figura 1 ilustra el principio básico de la soldadura híbrida. El haz láser
La configuración representada aquí aporta calor al metal de soldadura en la parte superior de la costura, además del calor del arco. A diferencia de una configuración secuencial, donde dos procesos de soldadura separados actúan sucesivamente, la soldadura híbrida puede considerarse una combinación de ambos procesos de soldadura que actúan simultáneamente en una misma zona de proceso. Dependiendo del proceso de arco o láser utilizado y de los parámetros del proceso, estos se influirán mutuamente en distinta medida y de diferentes maneras [1, 2].
Gracias a la combinación del proceso láser y el proceso de arco, se observa un aumento tanto en la profundidad de penetración de la soldadura como en la velocidad de soldadura (en comparación con cualquiera de los procesos por separado). El vapor metálico que escapa de la cavidad de vapor actúa sobre el plasma del arco. La absorción de la radiación láser Nd:YAG en el plasma de procesamiento es insignificante. Dependiendo de la relación elegida entre las dos potencias de entrada, el carácter del proceso general puede estar determinado en mayor o menor medida por el láser o por el arco [3,4].
Figura 1: Representación esquemática: Soldadura láser híbrida
La absorción de la radiación láser se ve sustancialmente influenciada por la temperatura de la superficie de la pieza de trabajo. Antes de que pueda comenzar el proceso de soldadura láser, primero debe superarse la reflectancia inicial, especialmente en superficies de aluminio. Esto se puede lograr iniciando la soldadura con un programa de inicio especial. Una vez alcanzada la temperatura de vaporización, se forma la cavidad de vapor, lo que permite que casi toda la energía de la radiación se transmita a la pieza de trabajo. La energía requerida para esto está determinada, por lo tanto, por la absorción dependiente de la temperatura y por la cantidad de energía perdida.
por conducción hacia el resto de la pieza. En la soldadura LaserHybrid, la vaporización se produce no solo desde la superficie de la pieza, sino también desde el alambre de aporte, lo que significa que hay más vapor de metal disponible, lo que a su vez facilita la entrada de la radiación láser. Esto también evita la pérdida de material durante el proceso [5, 6, 7, 8, 9].
4. Aplicación en el sector automotriz:
Mediante el uso de la tecnología de estructura espacial, es posible una reducción de peso del 43 % en comparación con una carrocería de acero.
Figura 2: Concepto Audi Spaceframe A2
El bastidor espacial del Audi A2 consta de 30 m de soldadura láser (franjas amarillas en la figura 2) y 20 m de soldadura MIG. Además, se utilizan 1700 remaches.
Figura 3: Comparación de perfiles y técnicas de unión en el Audi-A2
La figura 4 muestra una unión soldada por láser híbrido entre un material fundido ALMg3 y una lámina de AlMgSi. El alambre de aporte es AlSi5 y el gas de protección es argón. Al aumentar la potencia del láser, se logra una mayor penetración. La combinación del haz láser con el arco produce un baño de fusión más extenso que con el proceso de soldadura láser por sí solo. Esto permite soldar componentes con mayores separaciones.
Figura 4: Junta solapada con una separación de 0,5 mm.
En la industria automotriz existen numerosas aplicaciones de soldadura por solape sin preparación de la junta. Actualmente, el proceso más avanzado para este tipo de soldadura es la soldadura láser con alambre de aporte frío, debido a la fisuración en caliente de la aleación AA 6xxx. Al soldar la junta con alambre de aporte, se pierde gran parte de la energía del láser para fundir dicho alambre.
La siguiente figura representa las diferencias entre la soldadura LaserHybrid y la soldadura láser en una junta solapada con una velocidad de soldadura de 2,4 m/min. En el caso de la soldadura láser, no hay posibilidad de rellenar el cordón de soldadura y se produce socavación. Además, solo hay una penetración muy pequeña en el material base. El ancho del cordón de soldadura es muy pequeño y, por lo tanto, se espera una baja resistencia a la tracción. En el caso de la soldadura LaserHybrid,
Se transporta material adicional al baño de fusión. El socavado se rellena con el alambre del proceso MIG, y se ahorra parte de la energía láser. Esta energía láser ahorrada se puede utilizar para aumentar la penetración en el material base, y el ancho del cordón de soldadura es mayor que el espesor del material, tal como se requiere en la simulación numérica.
Figura 5. Comparación entre la soldadura LaserHybrid y la soldadura láser sin alambre de aporte.
Con el proceso de soldadura LaserHybrid es posible soldar materiales de aluminio, acero y acero inoxidable con un espesor de hasta 4 mm. Si el espesor es demasiado grande, no se logra una penetración completa. Para unir materiales galvanizados, también es preferible utilizar el proceso de soldadura fuerte láser.
Otras aplicaciones en el sector automotriz son los sistemas de propulsión, los ejes y las carrocerías, donde el proceso de soldadura híbrida láser puede resultar adecuado.
Cabezal de soldadura:
El cabezal de soldadura debe tener dimensiones geométricas reducidas para garantizar un buen acceso a los componentes a soldar, especialmente en el sector de la carrocería. Además, debe diseñarse para permitir una conexión desmontable adecuada al cabezal del robot y la posibilidad de ajustar variables del proceso como la distancia focal y la distancia de separación de la antorcha en todas las coordenadas cartesianas. La figura 5 muestra el cabezal de soldadura durante el proceso. Las salpicaduras que se producen durante la soldadura provocan una creciente acumulación de suciedad en el cristal protector. El cristal de cuarzo está recubierto por ambas caras con un material antirreflectante y tiene como objetivo proteger el sistema óptico láser de posibles daños.
Dependiendo del grado de suciedad, las salpicaduras que se acumulan en el vidrio pueden provocar que la potencia del láser que incide sobre la pieza de trabajo disminuya hasta en un 90 %. Una suciedad más intensa generalmente conduce a la destrucción del vidrio protector, ya que una gran proporción de la energía radiante es absorbida por el propio vidrio, lo que provoca tensiones térmicas en el mismo. Con ese cabezal de soldadura y equipo de soldadura, es posible utilizarlo para soldadura LaserHybrid, soldadura láser, soldadura MSG ySoldadura por hilo caliente láser.
Figura 6: Cabezal de soldadura y proceso
5. Ventajas de la soldadura híbrida láser:
Las siguientes ventajas resultan de la fusión del arco y el haz láser: Ventajas de la soldadura LaserHybrid sobre la soldadura láser:
• Mayor estabilidad del proceso
• mayor facilidad para construir puentes
• penetración más profunda
• Menores costos de inversión de capital
• mayor ductilidad
Ventajas de la soldadura láser híbrida sobre la soldadura MIG:
• Mayores velocidades de soldadura
• Mayor penetración a velocidades de soldadura más altas
• menor aporte térmico
• mayor resistencia a la tracción
• cordones de soldadura más estrechos
Figura 7: Ventajas de combinar los dos procesos
El proceso de soldadura por arco se caracteriza por una fuente de energía de bajo costo, buena capacidad de puenteo y la facilidad para influir en la estructura mediante la adición de metales de aporte. Por otro lado, las características distintivas del proceso de haz láser son la gran profundidad de soldadura, la alta velocidad de soldadura, la baja carga térmica y los cordones de soldadura estrechos que logra. Por encima de cierta densidad de haz, el haz láser produce un "efecto de soldadura profunda" en materiales metálicos que permite soldar componentes con mayores espesores de pared, siempre que la potencia del láser sea suficientemente alta. La soldadura híbrida láser, por lo tanto, permite mayores velocidades de soldadura, estabilización del proceso debido a la interacción entre el arco y el haz láser, mayor eficiencia térmica y mayores tolerancias de la pieza de trabajo. Debido a que el baño de fusión es más pequeño que en el proceso MIG, hay menor aporte térmico y, por lo tanto, una zona afectada por el calor más pequeña. Esto significa menos soldadura.
distorsión, lo que reduce la cantidad de trabajo de enderezamiento posterior a la soldadura que debe realizarse.
Cuando existen dos baños de soldadura separados, el aporte térmico posterior del arco implica que el haz láser (la zona soldada), especialmente en el caso del acero, recibe un tratamiento de revenido posterior a la soldadura, lo que distribuye los valores de dureza de manera más uniforme a lo largo de la costura. La figura 6 resume las ventajas del proceso combinado (o híbrido).
En cuanto a las ventajas económicas de la soldadura híbrida frente a la soldadura láser, cabe destacar lo siguiente: La soldadura se realiza parcialmente mediante soldadura láser y parcialmente mediante soldadura MIG. El proceso híbrido permite reducir la potencia del haz láser, lo que disminuye considerablemente el consumo energético de la fuente láser, dado que la eficiencia del láser es de tan solo el 3 %. En otras palabras: Una reducción de 1 kW en la potencia del haz láser que incide sobre la pieza de trabajo conlleva una reducción de aproximadamente 35 kVA en el consumo eléctrico.
Un aparato de haz láser cuesta alrededor de 0,1 EUR por cada 1 kW de potencia.potencia del haz láserPor poner un ejemplo, si el uso del proceso híbrido permite emplear un láser de 2 kW en lugar de uno de 4 kW, se obtiene un ahorro de 0,2 millones de euros en gastos de inversión. Sin embargo, cabe recordar que para este proceso híbrido se necesita una máquina MIG con un coste aproximado de 20 000 euros.
Gracias a la mayor velocidad de soldadura, se pueden reducir tanto los tiempos de fabricación como los costes de soldadura.
6. Soldadura por láser con hilo caliente:
Otra posibilidad para combinar el haz láser con un alambre de relleno es el proceso LaserHotwire [10]. En este procedimiento, el alambre de relleno se precalienta con la misma fuente de alimentación, que puede utilizarse para elProceso de soldadura híbrida láserEl alambre de aporte tiene una carga de corriente de 100 A a 220 A. La velocidad de alimentación del alambre depende de la sección transversal del cordón de soldadura y de la velocidad de soldadura. La soldadura fuerte ofrece, gracias a la cantidad de metal de aporte, un material de moldeo que se puede acabar más fácilmente que las soldaduras convencionales. Mediante la soldadura fuerte de piezas de chapa, las reparaciones se pueden realizar de forma más sencilla que con las uniones soldadas. Una ventaja de la soldadura fuerte LaserHotwire es la buena resistencia a la corrosión de la zona soldada.
Como metales de relleno, se utilizan aleaciones baratas a base de cobre, como el SG-CuSi3, y el argón actúa como gas protector.
Figura 8: Representación esquemáticaSoldadura por hilo caliente láser:
La siguiente figura muestra la sección transversal de un material soldado con hilo caliente láser. El material recubierto de zinc se suelda a una velocidad de 3 m/min y el hilo de aporte tiene una carga de corriente de 205 A. El aporte térmico es muy bajo, por lo que el proceso de soldadura produce una baja distorsión.
7. Resumen:
La soldadura híbrida láser es una tecnología totalmente nueva que ofrece sinergias para amplios campos de aplicación en las industrias metalúrgicas, especialmente donde no es posible o financieramente viable lograr las tolerancias de los componentes que se requieren parasoldadura por haz láserLa mayor versatilidad de aplicación y la alta capacidad del proceso combinado se traducen en una mayor competitividad en términos de reducción de los gastos de inversión, tiempos de fabricación más cortos, menores costes de producción y mayor productividad.
El proceso LaserHybrid también ofrece un nuevo enfoque para la soldadura de aluminio. Sin embargo, un proceso estable y práctico solo ha sido posible recientemente, gracias a la mayor potencia de salida de los láseres de estado sólido. Numerosos estudios han analizado los fundamentos de los procesos de soldadura híbrida láser-arco. Por "proceso de soldadura híbrida" entendemos la combinación de la soldadura por haz láser y la soldadura por arco, con una única zona de proceso (plasma y fusión). Estudios de investigación básica han demostrado que es posible un proceso en el que, al combinar ambos procesos, se pueden lograr sinergias y compensar las desventajas de cada uno por separado, lo que resulta en mayores posibilidades de soldadura, soldabilidad y fiabilidad para una amplia variedad de materiales y estructuras. En particular, esto se ha demostrado para aleaciones de aluminio. Al elegir parámetros de proceso favorables, es posible influir selectivamente en propiedades de la soldadura como la geometría y la constitución estructural. El proceso de soldadura por arco aumenta la capacidad de puenteo mediante la adición de material de aporte; también determina el ancho del cordón de soldadura y, por lo tanto, reduce la cantidad de preparación de la pieza necesaria. Además, las interacciones entre los procesos generan un aumento sustancial en la eficiencia del proceso. Este proceso combinado también requiere costos de inversión considerablemente menores que el proceso de soldadura láser.
El proceso de soldadura fuerte por láser con hilo caliente se puede utilizar especialmente para materiales recubiertos de zinc para obtener una buena resistencia a la corrosión.
Fecha de publicación: 18 de abril de 2025
