Mini enciclopedia: Principios y aplicaciones del proceso de soldadura láser
Niveles de energía
La materia está compuesta de átomos, y los átomos constan de un núcleo y electrones. Los electrones orbitan alrededor del núcleo. La energía de los electrones en un átomo no es arbitraria.
La mecánica cuántica, que describe el mundo microscópico, nos dice que los electrones ocupan niveles de energía fijos. Los diferentes niveles de energía corresponden a diferentes energías electrónicas: las órbitas más alejadas del núcleo tienen mayor energía.
Además, cada órbita puede contener un número máximo de electrones. Por ejemplo, la órbita más baja (la más cercana al núcleo) puede contener hasta 2 electrones, mientras que las órbitas superiores pueden contener hasta 8 electrones, y así sucesivamente.
Transición
Los electrones pueden pasar de un nivel de energía a otro absorbiendo o liberando energía.
Por ejemplo, cuando un electrón absorbe un fotón, puede saltar de un nivel de energía inferior a uno superior. Del mismo modo, un electrón en un nivel de energía superior puede descender a un nivel inferior emitiendo un fotón.
En estos procesos, la energía del fotón absorbido o emitido siempre es igual a la diferencia de energía entre los dos niveles. Dado que la energía del fotón determina la longitud de onda de la luz, la luz absorbida o emitida tiene un color fijo.
Principio de generación láser
Absorción estimulada
La absorción estimulada se produce cuando los átomos en un estado de baja energía absorben radiación externa y transitan a un estado de alta energía. Los electrones pueden saltar de niveles de energía bajos a altos absorbiendo fotones.
Emisión estimulada
La emisión estimulada significa que los electrones que se encuentran en un nivel de energía alto, bajo la “estimulación” o “inducción” de un fotón, transitan a un nivel de energía bajo y emiten un fotón con la misma frecuencia que el fotón incidente.
La característica clave de la emisión estimulada es que el fotón generado es idéntico al original: misma frecuencia, misma dirección y completamente indistinguible. De esta forma, un fotón se convierte en dos fotones idénticos mediante un proceso de emisión estimulada. Esto significa que la luz se fortalece o amplifica, el principio básico de la generación láser.
Emisión espontánea
La emisión espontánea se produce cuando los electrones de un nivel de energía alto descienden a un nivel inferior sin influencia externa, emitiendo luz (radiación electromagnética) durante la transición. La energía del fotón es E = E₂ − E₁, la diferencia de energía entre los dos niveles.
Condiciones para la generación láser
Medio de ganancia láser
La generación láser requiere un medio de ganancia adecuado, que puede ser gas, líquido, sólido o semiconductor. La clave reside en lograr la inversión de población en el medio, condición necesaria para la emisión láser. Los niveles de energía metaestables son altamente beneficiosos para la inversión de población.
Fuente de bombeo
Para lograr la inversión de población, el sistema atómico debe ser excitado para aumentar el número de partículas en el nivel de energía superior.
Los métodos comunes incluyen:
- Bombeo eléctrico: descarga de gas mediante electrones de alta energía cinética.
- Bombeo óptico: irradiación mediante fuentes de luz pulsada
- Bombeo térmico, bombeo químico, etc.
Estos métodos se denominan colectivamente bombeo. Se requiere un bombeo continuo para mantener una mayor concentración de partículas en el nivel superior que en el inferior, lo que permite una salida láser estable.
Resonador
Con un medio de ganancia y una fuente de bombeo adecuados, se puede lograr la inversión de población, pero la intensidad de la emisión estimulada es demasiado débil para su uso práctico. Se requiere una mayor amplificación, que se proporciona mediante un resonador óptico.
Un resonador óptico consta de dos espejos altamente reflectantes colocados en paralelo en ambos extremos del láser:
- Un espejo de reflexión total
- Un espejo de reflexión parcial y transmisión parcial
El espejo de reflexión total refleja toda la luz incidente de vuelta por su trayectoria original. El espejo de reflexión parcial refleja los fotones con energía inferior a un cierto umbral de vuelta al medio, mientras que los fotones con energía superior a dicho umbral se transmiten como luz láser amplificada.
La luz oscila de un lado a otro en el resonador, desencadenando una reacción en cadena de emisión estimulada que se amplifica como una avalancha para producir una salida láser de alta intensidad.
¿Qué es una lámpara de bomba?
Una lámpara de xenón es una lámpara de descarga de gas inerte, generalmente con forma de tubo recto. Consta normalmente de electrodos, un tubo de cuarzo y gas xenón (Xe) en su interior.
Los electrodos están fabricados con un metal de alto punto de fusión, alta eficiencia de emisión de electrones y baja pulverización catódica. El tubo de la lámpara está hecho de vidrio de cuarzo de alta resistencia, resistente a altas temperaturas y de alta transmitancia, y está relleno de gas xenón.
¿Qué es una varilla láser Nd:YAG?
El Nd:YAG (granate de itrio y aluminio dopado con neodimio) es el material sólido para láseres más utilizado.
El YAG es un cristal cúbico de alta dureza, excelente calidad óptica y alta conductividad térmica. Los iones de neodimio trivalente sustituyen a algunos iones de itrio trivalente en la red cristalina, de ahí su nombre: granate de itrio y aluminio dopado con neodimio.
Características del láser
Buena coherencia
La luz procedente de fuentes ordinarias es caótica en cuanto a dirección, fase y sincronización, y no puede enfocarse en un solo punto ni siquiera con una lente.
La luz láser es altamente coherente: tiene una frecuencia pura, se propaga en la misma dirección en perfecta fase y puede enfocarse en un punto diminuto con energía altamente concentrada.
Excelente direccionalidad
El láser tiene una direccionalidad mucho mejor que cualquier otra fuente de luz, comportándose casi como un haz paralelo. Incluso cuando se apunta a la Luna (a unos 384.000 km de distancia), el diámetro del punto es de tan solo unos 2 km.
Buena monocromaticidad
La luz láser generada por emisión estimulada tiene un rango de frecuencia extremadamente estrecho. En pocas palabras, el láser posee una monocromaticidad excelente: su "color" es sumamente puro. La monocromaticidad es fundamental para las aplicaciones de procesamiento láser.
Alto brillo
La soldadura láser aprovecha la excelente direccionalidad y la alta densidad de potencia de los haces láser. Mediante un sistema óptico, el láser se enfoca en un área minúscula, generando una fuente de calor altamente concentrada en muy poco tiempo. Esto funde el material y forma puntos y cordones de soldadura estables.
Ventajas de la soldadura láser
En comparación con otros métodos de soldadura, la soldadura láser ofrece:
- Alta concentración de energía, alta eficiencia de soldadura, alta precisión y gran relación profundidad-anchura de las soldaduras.
- Baja entrada de calor, pequeña zona afectada por el calor, mínima tensión residual y deformación.
- Soldadura sin contacto, transmisión flexible por fibra óptica, buena accesibilidad y alta automatización.
- Diseño de juntas flexibles que ahorran materias primas.
- Energía controlable con precisión, resultados de soldadura estables y excelente apariencia de la soldadura.
Procesos de soldadura láser para materiales metálicos
Acero inoxidable
- Se pueden obtener buenos resultados con pulsos de onda cuadrada ordinarios.
- Diseñe las uniones de manera que los puntos de soldadura se mantengan alejados de los materiales no metálicos.
- Reserve suficiente área de soldadura y espesor de pieza para garantizar la resistencia y el buen aspecto.
- Asegúrese de que la pieza de trabajo esté limpia y el entorno seco durante la soldadura.
Aleaciones de aluminio
- Una alta reflectividad requiere una alta potencia máxima del láser.
- Propenso a agrietarse durante la soldadura por puntos pulsada, lo que reduce su resistencia.
- La composición del material puede provocar salpicaduras; utilice materias primas de alta calidad.
- Se obtienen mejores resultados con un tamaño de punto grande y un ancho de pulso largo.
Cobre y aleaciones de cobre
- Mayor reflectividad que el aluminio; requiere una potencia máxima del láser aún mayor.
- El cabezal láser debe estar inclinado en ángulo.
- Las aleaciones de cobre (latón, cuproníquel, etc.) son más difíciles de soldar debido a los elementos de aleación; se requiere una cuidadosa selección de parámetros.
Defectos comunes en la soldadura láser y soluciones
Los parámetros incorrectos o un funcionamiento inadecuado suelen provocar defectos de soldadura, entre los que se incluyen:
- Salpicaduras superficiales
- Porosidad de soldadura interna
- Grietas de soldadura
- Deformación por soldadura
Salpicaduras de soldadura
Las salpicaduras se deben principalmente a una densidad de potencia láser excesivamente alta: la pieza de trabajo absorbe demasiada energía en poco tiempo, lo que provoca una vaporización severa del material y una reacción violenta en el baño de fusión.
Las salpicaduras perjudican la apariencia, la precisión del ensamblaje y la resistencia de la soldadura.
Causas
- Potencia máxima del láser excesivamente alta.
- Forma de onda de soldadura inadecuada, especialmente para materiales de alta reflectividad.
- Segregación de materiales que da lugar a una alta absorción de energía localizada.
- Contaminación o impurezas no metálicas en la superficie de la pieza de trabajo.
- Sustancias de bajo punto de fusión situadas entre o debajo de las piezas de trabajo, que generan gas durante la soldadura.
- Estructuras huecas cerradas que provocan la expansión y salpicadura de gases.
Soluciones
- Optimice los parámetros: reduzca la potencia máxima o utilice formas de onda de pico.
- Utilice materias primas cualificadas y de alta calidad.
- Reforzar la limpieza previa a la soldadura para eliminar el aceite y las impurezas.
- Optimizar el diseño de la estructura de soldadura.
Porosidad interna
La porosidad es el defecto más común en la soldadura láser. El ciclo térmico rápido y la corta vida útil del baño de fusión impiden que escape el gas, lo que provoca la formación de poros.
Tipos comunes: poros de hidrógeno, poros de monóxido de carbono y poros de colapso tipo ojo de cerradura.
Grietas de soldadura
Las grietas reducen considerablemente la resistencia y la vida útil de la soldadura. El rápido calentamiento y enfriamiento de la soldadura láser aumenta el riesgo de agrietamiento.
La mayoría de las grietas en la soldadura láser son grietas en caliente, comunes en aleaciones de aluminio y aceros con alto contenido de carbono/alta aleación.
Prevención
- Para materiales quebradizos, añada formas de onda de precalentamiento y enfriamiento lento para reducir el agrietamiento.
- Optimizar el diseño de las uniones para reducir la tensión de soldadura.
- Seleccione materiales con menor tendencia al agrietamiento con un rendimiento equivalente.
Deformación por soldadura
La deformación suele producirse en láminas delgadas, piezas de gran superficie o soldaduras multipunto, afectando al montaje y al rendimiento. Se debe a una distribución desigual del calor y a una dilatación/contracción térmica inconsistente.
Soluciones
- Optimice los parámetros para reducir la entrada de calor: aumente la potencia máxima y reduzca la duración del pulso.
- Disminuya la velocidad de soldadura y la frecuencia de pulsos para reducir el calor por unidad de tiempo.
- Optimice la secuencia de soldadura para garantizar un calentamiento uniforme.
Fecha de publicación: 25 de febrero de 2026
