Tant la soldadura per feix làser com la soldadura per arc s'han utilitzat durant molt de temps per a la producció industrial i permeten un ampli espectre d'usos en el camp de la tecnologia d'unió de materials. Cadascun d'aquests processos té les seves pròpies àrees d'aplicació, tal com es descriuen pels processos físics del transport d'energia a la peça de treball i pels fluxos d'energia que es poden obtenir. L'energia es transmet des de la font del feix làser al material per al seu processament mitjançant radiació coherent infraroja d'alta energia, utilitzant un cable de fibra òptica. L'arc transmet la calor necessària per a la soldadura mitjançant un corrent elèctric elevat que flueix a la peça de treball a través d'una columna d'arc. La radiació làser condueix a una zona afectada per la calor molt estreta amb una gran relació entre la profunditat de soldadura i l'amplada de la costura (efecte de soldadura profunda). La capacitat de pont de buits del procés de soldadura per làser és molt baixa, a causa del seu petit diàmetre focal, però d'altra banda pot assolir velocitats de soldadura molt elevades. El procés de soldadura per arc té una densitat d'energia molt menor, però provoca un punt focal més gran a la superfície de la peça de treball i es caracteritza per una velocitat de processament més lenta. En fusionar aquests dos processos, es poden aconseguir sinergies útils. En definitiva, això permet aconseguir tant avantatges de qualitat com beneficis d'enginyeria de producció, així com una millora de l'eficiència en costos. Aquest procés ofereix aplicacions interessants i econòmicament atractives, tant en la indústria de l'automòbil, com perquè es permeten toleràncies més altes en les soldadures, són possibles taxes d'unió més elevades i es poden aconseguir molt bons paràmetres mecànics/tecnològics.
1. Introducció:
Des dels anys setanta se sap com combinar la llum làser i l'arc en un procés de soldadura fusionat, però durant molt de temps després no es va dur a terme cap altre treball de desenvolupament. Recentment, els investigadors han tornat a centrar la seva atenció en aquest tema i han intentat unir els avantatges de l'arc amb els del làser, en un procés de soldadura híbrid. Mentre que en els primers temps, les fonts làser encara havien de demostrar la seva idoneïtat per a l'ús industrial, avui dia són equips tecnològics estàndard en moltes empreses de fabricació.
La combinació de la soldadura làser amb un altre procés de soldadura es coneix com a "procés de soldadura híbrid". Això significa que un feix làser i un arc actuen simultàniament en una zona de soldadura i s'influeixen i es recolzen mútuament.
2. Làser:
La soldadura làser requereix no només una potència làser elevada, sinó també un feix d'alta qualitat per obtenir l'"efecte de soldadura profunda" desitjat. La major qualitat del feix resultant es pot aprofitar per obtenir un diàmetre focal més petit o una distància focal més gran.
Per als projectes de desenvolupament que estan actualment en marxa, s'utilitza un làser d'estat sòlid bombat per làmpada amb una potència de feix làser de 4 kW. La llum làser es transmet a través d'una fibra de vidre de 600 µm.
La llum làser es transmet a través d'una fibra de vidre, en la qual el principi i el final es refreden amb aigua. El feix làser es projecta sobre la peça de treball mitjançant un mòdul d'enfocament amb una distància focal de 200 mm.
3. Procés híbrid làser:
Per soldar peces metàl·liques, el feix làser Nd:YAG s'enfoca a intensitats superiors a 106 W/cm2. Quan el feix làser toca la superfície del material, escalfa aquest punt fins a la temperatura de vaporització i es forma una cavitat de vapor al metall soldat a causa del vapor metàl·lic que s'escapa. La característica distintiva de la costura de soldadura és la seva alta relació profunditat-amplada. La densitat del flux d'energia de l'arc de combustió lliure és lleugerament superior a 104 W/cm2. La figura 1 il·lustra el principi bàsic de la soldadura híbrida. El feix làser
que es mostra aquí alimenta la calor del metall soldat a la part superior de la costura, a més de la calor de l'arc. A diferència d'una configuració seqüencial on dos processos de soldadura separats actuen successivament, la soldadura híbrida es pot veure com una combinació dels dos processos de soldadura que actuen simultàniament en una mateixa zona de procés. Depenent del procés d'arc o làser que s'utilitzi i dels paràmetres del procés, els processos s'influenciaran mútuament en una mesura diferent i de maneres diferents [1, 2].
Gràcies a la combinació del procés làser i el procés d'arc, també hi ha un augment tant de la profunditat de penetració de la soldadura com de la velocitat de soldadura (en comparació amb qualsevol dels processos utilitzats per si sols). El vapor metàl·lic que s'escapa de la cavitat de vapor retroacciona sobre el plasma d'arc. L'absorció de la radiació làser Nd:YAG al plasma de processament continua sent insignificant. Depenent de la relació entre les dues entrades de potència que s'esculli, el caràcter del procés general pot estar determinat en major o menor mesura pel làser o per l'arc [3,4].
Fig. 1: Representació esquemàtica: Soldadura LaserHybrid
L'absorció de la radiació làser està substancialment influenciada per la temperatura de la superfície de la peça. Abans que pugui començar el procés de soldadura làser, primer s'ha de superar la reflectància inicial, especialment en superfícies d'alumini. Això es pot aconseguir iniciant la soldadura amb un programa d'inici especial. Un cop assolida la temperatura de vaporització, es forma la cavitat de vapor, amb el resultat que gairebé tota l'energia de la radiació es pot introduir a la peça. L'energia necessària per a això ve determinada, doncs, per l'absorció dependent de la temperatura i per la quantitat d'energia perduda.
per conducció a la resta de la peça. En la soldadura LaserHybrid, la vaporització no només es produeix des de la superfície de la peça, sinó també des del filferro d'aportació, cosa que significa que hi ha més vapor metàl·lic disponible, cosa que al seu torn facilita l'entrada de la radiació làser. Això també evita l'abandonament del procés [5, 6, 7, 8, 9].
4. Aplicació automotriu:
Mitjançant l'ús de la tecnologia de bastidor espacial, és possible una reducció de pes del 43% en comparació amb una carrosseria d'acer.
Fig. 2: Concepte Audi Space frame A2
El xassís de l'Audi A2 Space consta de 30 m de làser (tires grogues a la figura 2) i 20 m de longitud de soldadura MIG. A més, també s'utilitzen 1700 reblons.
Fig. 3: Comparació de perfils i tècniques d'unió a l'Audi-A2
La figura 4 mostra una unió soldada LaserHybrid d'un material fos ALMg3 amb un material en làmina d'AlMgSi. El filferro d'aportació és AlSi5 i el gas de protecció utilitzat és argó. Amb l'augment de la potència del làser, és possible una penetració més profunda. Combinant el feix làser amb l'arc d'aquesta manera s'aconsegueix un bany de soldadura més gran que amb el procés de soldadura per feix làser per si sol. Això permet soldar components amb espais més amplis.
Fig 4: Junta de solapament amb un espai de 0,5 mm
A la indústria de l'automoció hi ha moltes aplicacions de soldadura per solapament sense preparació de la unió. Actualment, el procés més avançat per a aquesta feina de soldadura és el procés de soldadura làser amb un filferro d'aportació fred, a causa de l'esquerdament en calent de l'aliatge AA 6xxx. Quan la unió es solda amb un filferro d'aportació, es perdrà molta energia làser per fondre aquest filferro d'aportació.
La següent figura representa les diferències entre la soldadura LaserHybrid i la soldadura làser en una unió superposada amb una velocitat de soldadura de 2,4 m/min. En el cas de la soldadura làser, no hi ha possibilitat d'omplir el cordó de soldadura i es produeix un tall inferior. A més, només hi ha una penetració molt petita al material base. L'amplada del cordó de soldadura és molt petita i, per tant, s'espera una baixa resistència a la tracció. En el cas de la soldadura LaserHybrid,
Es transporta material addicional al bany de soldadura. La part inferior s'omple amb el filferro del procés MIG, i ara s'estalvia una part de l'energia làser. Aquesta energia làser estalviada es pot utilitzar per augmentar la penetració al material base i l'amplada del cordó de soldadura és més gran que el gruix del material, que es requereix de la simulació numèrica.
Fig. 5 Comparació entre la soldadura LaserHybrid i la soldadura làser sense fil d'aportació
Amb el procediment de soldadura LaserHybrid és possible soldar materials d'alumini, acers i acers inoxidables de fins a 4 mm de gruix. Si el gruix és massa alt, no és possible la penetració completa. Per unir materials recoberts de zinc, també és preferible utilitzar el procés de soldadura làser.
Altres aplicacions en l'automoció són els trens de potència, els eixos i les carrosseries de cotxes, on el procés de soldadura híbrida làser pot ser adequat.
Capçal de soldadura:
El capçal de soldadura ha de tenir dimensions geomètriques petites per tal de garantir una bona accessibilitat als components que s'han de soldar, especialment en el camp de la xapa i la carrosseria. A més, ha d'estar dissenyat per permetre tant una connexió desmuntable adequada al capçal del robot com l'ajust de variables de procés com la distància focal i les distàncies de separació de la torxa en totes les coordenades cartesianes. La figura 5 mostra el capçal de soldadura mentre el procés està en acció. Les esquitxades que es produeixen durant el procés de soldadura provoquen una major brutícia del vidre protector. El vidre de quars està recobert per ambdós costats amb un material antireflectant i està pensat per protegir el sistema òptic làser de danys.
Depenent del grau de brutícia, les esquitxades que s'acumulen al vidre poden fer que la potència del làser que realment incideix sobre la peça disminueixi fins a un 90%. Una brutícia més intensa generalment condueix a la destrucció del vidre protector, ja que una gran proporció de l'energia radiant és absorbida pel mateix vidre, causant tensions tèrmiques al vidre. Amb aquest capçal de soldadura i equip de soldadura, és possible utilitzar-lo per a soldadura LaserHybrid, soldadura làser, soldadura MSG iSoldadura amb fil calent per làser.
Fig. 6: Capçal de soldadura i procés
5. Avantatges de la soldadura híbrida làser:
Els següents avantatges resulten de la fusió del feix d'arc i làser: Avantatges de la soldadura LaserHybrid respecte a la soldadura làser:
• major estabilitat del procés
• major pontabilitat
• penetració més profunda
• costos d'inversió de capital més baixos
• major ductilitat
Avantatges de la soldadura LaserHybrid respecte a la soldadura MIG:
• velocitats de soldadura més elevades
• penetració més profunda a velocitats de soldadura més elevades
• menor aportació tèrmica
• major resistència a la tracció
• costures de soldadura més estretes
Fig. 7: Avantatges de combinar els dos processos
El procés de soldadura per arc es caracteritza per una font d'energia de baix cost, una bona capacitat de pont i per la facilitat d'influir en l'estructura afegint metalls d'aportació. Les característiques distintives del procés de feix làser, en canvi, són la gran profunditat de soldadura, l'alta velocitat de soldadura, la baixa càrrega tèrmica i les costures de soldadura estretes que aconsegueix. Per sobre d'una determinada densitat de feix, el feix làser produeix un "efecte de soldadura profunda" en materials metàl·lics que permet soldar components amb gruixos de paret més grans, sempre que la potència del làser sigui prou alta. La soldadura híbrida làser permet, doncs, velocitats de soldadura més elevades, estabilització del procés a causa de la interacció entre l'arc i el feix làser, una major eficiència tèrmica i majors toleràncies de la peça de treball. Com que el bany de soldadura és més petit que en el procés MIG, hi ha menys aportació tèrmica i, per tant, una zona afectada per la calor més petita. Això significa menys soldadura.
distorsió, la qual cosa redueix la quantitat de treball posterior d'endreçament posterior a la soldadura que cal fer.
Quan hi ha dos banys de soldadura separats, l'aportació tèrmica posterior de l'arc significa que el feix làser (zona soldada, especialment en el cas de l'acer) rep un tractament de reveniment posterior a la soldadura, distribuint els valors de duresa de manera més uniforme per tota la costura. La figura 6 resumeix els avantatges del procés combinat (és a dir, híbrid).
Passant ara als avantatges econòmics de la soldadura híbrida respecte a la soldadura làser, es poden fer les següents afirmacions: la costura de soldadura consisteix en part d'una soldadura làser i en part d'una soldadura MIG. El procés híbrid permet reduir la potència del feix làser, cosa que significa que el consum d'energia de la font làser es pot reduir considerablement, ja que l'aparell de feix làser té una eficiència de només el 3%. En altres paraules: una reducció d'1 kW en la potència del feix làser que incideix sobre la peça comporta una reducció d'aproximadament 35 kVA en la potència consumida de la xarxa elèctrica.
Un aparell de raig làser costa al voltant de 0,1 milions d'euros per cada kW depotència del raig làserPer posar només un exemple, en un cas on la utilització del procés híbrid permeti utilitzar un aparell de feix làser de 2 kW en lloc d'un amb 4 kW de potència de feix, això es tradueix en un estalvi de 0,2 milions d'euros en despeses d'inversió. Tanmateix, cal recordar que per al procés híbrid es necessitarà una màquina MIG que costarà uns 20.000 euros.
Gràcies a la major velocitat de soldadura, es poden reduir tant els temps de fabricació com els costos de soldadura.
6. Soldadura amb filferro làser:
Una altra possibilitat per combinar el feix làser amb un filferro de farciment és el procés LaserHotwire [10]. En aquest procediment, el filferro de farciment es preescalfa amb la mateixa font d'alimentació, que es pot utilitzar per a laProcés de soldadura híbrida làserEl filferro d'aportació té una càrrega de corrent de 100 A a 220 A. La velocitat d'alimentació del filferro depèn de la secció transversal del cordó de soldadura i de la velocitat de soldadura. La soldadura ofereix, a través de la quantitat de metall d'aportació, un material de modelat que es pot acabar més fàcilment que les juntes de soldadura comparables. Mitjançant la soldadura de peces de xapa, els treballs de reparació es poden dur a terme d'una manera més fàcil que amb les unions soldades. Un avantatge de la soldadura LaserHotwire és la bona resistència a la corrosió de la zona soldada.
Com a metalls de farciment, s'utilitzen aliatges barats a base de coure com ara SG-CuSi3 i l'argó serveix com a gas protector.
Fig. 8: Representació esquemàticaSoldadura amb fil calent per làser:
La figura següent mostra la secció transversal d'un material soldat amb filferro calent per làser. El material recobert de zinc es soldat amb una velocitat de 3 m/min i el filferro d'aportació té una càrrega de corrent de 205 A. L'entrada de calor és molt baixa, per tant, el resultat del procés de soldadura és una baixa distorsió.
7. Resum:
La soldadura híbrida làser és una tecnologia totalment nova que ofereix sinergies per a amplis camps d'aplicació en les indústries metal·lúrgiques, especialment on no és possible o financerament viable assolir les toleràncies dels components necessàries per a...soldadura per feix làserLa gamma d'aplicació molt més àmplia i l'alta capacitat del procés combinat condueixen a una major competitivitat pel que fa a la reducció de les despeses d'inversió, temps de fabricació més curts, costos de fabricació més baixos i una major productivitat.
El procés LaserHybrid també ofereix un nou enfocament per a la soldadura d'alumini. Tanmateix, un procés estable que es pugui utilitzar a la pràctica només ha estat possible fa relativament poc, gràcies a les majors potències de sortida disponibles dels làsers d'estat sòlid. Nombrosos estudis han examinat els fonaments dels processos de soldadura làser-arc-híbrid. Per "procés de soldadura híbrida", ens referim a la combinació de soldadura per feix làser i el procés de soldadura per arc, amb només una zona de procés (plasma i fosa). Estudis de recerca bàsica han demostrat que és possible un procés en què, combinant els dos processos, es poden aconseguir sinergies i es poden compensar els inconvenients de cada procés per separat, cosa que resulta en millors possibilitats de soldadura, soldabilitat i fiabilitat de la soldadura per a molts materials i construccions diferents. En particular, això s'ha demostrat per als aliatges d'alumini. En triar paràmetres de procés favorables, és possible influir selectivament en les propietats de la soldadura, com ara la geometria i la constitució estructural. El procés de soldadura per arc augmenta la pontabilitat afegint metall d'aportació; també determina l'amplada de la costura de soldadura i, per tant, redueix la quantitat de preparació de la peça necessària. A més, les interaccions que tenen lloc entre els processos condueixen a un augment substancial de l'eficiència del procés. Aquest procés combinat també requereix uns costos d'inversió considerablement menors que el procés de soldadura làser.
El procés de soldadura amb filferro calent làser es pot utilitzar especialment per a materials recoberts de zinc per obtenir una bona resistència a la corrosió.
Data de publicació: 18 d'abril de 2025
