Soldadura por haz láserGracias a su alta velocidad, precisión y características sin contacto, la soldadura por arco eléctrico se utiliza ampliamente en sectores como la automoción, la industria aeroespacial y los dispositivos electrónicos, mostrando ventajas únicas en la unión de materiales diferentes. Sin embargo, las grietas de solidificación que se generan durante el proceso de soldadura constituyen uno de los principales defectos que limitan su aplicación industrial. Estas grietas suelen aparecer al final de la solidificación, en la zona de fusión, provocadas por la combinación de la tensión térmica, la contracción por solidificación y la película líquida en los límites de grano, lo que reduce significativamente las propiedades mecánicas y la vida útil de la unión.
1. Mecanismo de formación
El mecanismo principal de las grietas de solidificación reside en la película líquida residual en los límites de grano al final de la solidificación. Durante el proceso de solidificación, el baño de fusión se divide en tres zonas: la zona líquida libre, la zona líquida restringida y la zona sólida, como se muestra en la Figura 1. En la zona líquida restringida, el flujo de líquido se bloquea y no puede compensar la deformación generada por la contracción de solidificación, lo que provoca la separación de los límites de grano. La relación entre la energía del límite de grano (γgb) y la energía de la interfaz sólido-líquido (γsl) determina la estabilidad de la película líquida: si γgb < 2γsl, la película líquida es inestable y se produce la coalescencia de los granos; por el contrario, la película líquida es estable y es probable que se inicien grietas.
Además, la formación de grietas de solidificación también está relacionada con las propiedades metalúrgicas de los materiales. Los distintos materiales presentan características de solidificación diferentes, como el rango de temperatura de solidificación, la velocidad de contracción durante la solidificación y la distribución de los elementos de aleación, entre otras. Estas características influyen en la susceptibilidad a las grietas. Por ejemplo, en materiales que contienen una gran cantidad de fases eutécticas de bajo punto de fusión, la susceptibilidad a las grietas de solidificación es mayor, ya que estas fases eutécticas tienden a formar películas líquidas continuas durante la solidificación, intensificando así la formación de grietas.
Durante elproceso de soldadura láserLos parámetros de soldadura, como la potencia del láser, la velocidad de soldadura y el tamaño del punto, también influyen en la formación de grietas de solidificación. Estos parámetros afectan el aporte térmico y el gradiente de temperatura durante el proceso de soldadura, alterando así la estructura de solidificación y la morfología del grano. Por ejemplo, una mayor potencia del láser y una menor velocidad de soldadura dan como resultado un mayor aporte térmico y una velocidad de enfriamiento más lenta, lo que favorece el crecimiento de cristales columnares y aumenta la susceptibilidad a las grietas. Por el contrario, una menor potencia del láser y una mayor velocidad de soldadura dan lugar a un menor aporte térmico y una velocidad de enfriamiento más rápida, lo que facilita la formación de cristales equiaxiales y reduce la susceptibilidad a las grietas.
2. Medidas de supresión
Para suprimir eficazmente las grietas de solidificación ensoldadura láserLos investigadores han propuesto diversas estrategias, centradas principalmente en el control de la estructura granular, la optimización de los parámetros de soldadura y la mejora de las propiedades del material. Al refinar la estructura granular, se puede aumentar el número de límites de grano y reducir la concentración de tensiones, disminuyendo así la formación de grietas. Los estudios han demostrado que, mediante la tecnología de oscilación del haz láser, los cristales columnares pueden transformarse en cristales equiaxiales finos sin necesidad de añadir otros materiales. La oscilación del haz láser dispersa la energía láser, generando turbulencias en el baño de fusión, lo que rompe la dirección de crecimiento de los cristales columnares y promueve la formación de cristales equiaxiales, como se muestra en la Figura 3. Además, la oscilación del haz láser también aumenta el ancho del baño de fusión, reduce el gradiente de temperatura y prolonga el tiempo de solidificación, lo que favorece la difusión de solutos y la reposición de películas líquidas, reduciendo significativamente la susceptibilidad a las grietas de solidificación.
Distribución de las películas líquidas en los límites de grano bajo diferentes formas de piscina.
Diagrama esquemático del baño de fusión de soldadura, a, b) sin oscilación, c, d) oscilación lateral, e, f) oscilación longitudinal, g, h) oscilación circunferencial.
Además de larayo láserLa tecnología de oscilación, mediante el uso de fuentes láser duales, es otro método eficaz para suprimir las grietas de solidificación. Las fuentes láser duales permiten la transformación de cristales columnares a equiaxiales optimizando el ciclo térmico, lo que reduce el tamaño de grano y la concentración de tensiones. Por ejemplo, al utilizar un láser de CO₂ como fuente de calor principal y un láser pulsado de Nd:YAG como fuente de calor auxiliar, se puede generar un ciclo térmico optimizado durante la soldadura, lo que favorece la formación de cristales equiaxiales y reduce la susceptibilidad a las grietas de solidificación, como se muestra en la Figura 4.
La optimización de los parámetros de soldadura también es un medio importante para suprimir las grietas de solidificación. Ajustando parámetros como la potencia del láser, la velocidad de soldadura y el tamaño del punto, se puede controlar el aporte de calor y el gradiente de temperatura durante el proceso de soldadura, influyendo así en la estructura de solidificación y la morfología del grano. Los estudios han demostrado que el tratamiento de precalentamiento puede reducir la velocidad de enfriamiento, promover la formación de cristales equiaxiales y, por lo tanto, reducir la susceptibilidad a las grietas de solidificación, como se muestra en la Figura 5. Además, métodos como el uso de soldadura láser pulsada y el aumento de la velocidad de soldadura también pueden lograr la transformación de cristales columnares a equiaxiales modificando el aporte de calor y la velocidad de enfriamiento, reduciendo así la susceptibilidad a las grietas.
Figura 5. a) Granos equiaxiales sin calentar, b) Granos equiaxiales precalentados a 300 °C.
Al soldar materiales disímiles con láser, debido a las importantes diferencias en sus propiedades físicas y químicas, se forman compuestos intermetálicos frágiles, una de las principales causas de grietas de solidificación. Por lo tanto, ajustar los parámetros y la configuración del láser para reducir la formación o la cantidad de compuestos intermetálicos es una estrategia importante para prevenir dichas grietas. Por ejemplo, en la soldadura láser de materiales disímiles de cobre y aluminio, al controlar el desplazamiento del haz láser y la velocidad de soldadura, se puede reducir la proporción de cobre y aluminio en el baño de fusión, disminuyendo así la formación de compuestos intermetálicos frágiles y la susceptibilidad a las grietas. Además, el uso de materiales de aporte también mejora el rendimiento de la unión soldada y reduce la formación de grietas. Estos materiales pueden reducir la formación de compuestos intermetálicos al modificar la composición y la microestructura de la unión soldada, mejorando así su tenacidad.
Las grietas de solidificación son uno de los defectos más comunes en los procesos de soldadura láser. Su mecanismo de formación es complejo e implica la interacción de múltiples factores como el calor, la mecánica y la metalurgia. Un estudio profundo del mecanismo de formación de las grietas de solidificación puede proporcionar una base teórica para suprimirlas. En los últimos años, los investigadores han propuesto diversas estrategias para suprimir las grietas de solidificación, centrándose principalmente en el control de la estructura granular, la optimización de los parámetros de soldadura y la mejora de las propiedades del material. La práctica ha demostrado que estas estrategias pueden reducir eficazmente la susceptibilidad a las grietas de solidificación hasta cierto punto y mejorar la calidad y la fiabilidad de la soldadura láser. Sin embargo, debido a la complejidad y diversidad del proceso de soldadura láser, aún existen algunas deficiencias en la investigación actual. Por ejemplo, en lo que respecta a los mecanismos de inhibición de las grietas de solidificación bajo diferentes materiales y condiciones de soldadura, todavía se necesita una investigación más profunda.
Fecha de publicación: 20 de marzo de 2025
