Procesos con láser (página 2)

Emisión estimulada de radiación

La emisión estimulada, base de la
generación de radiación de un láser, se
produce cuando un átomo en
estado
excitado recibe un estímulo externo que lo lleva a emitir
fotones y así retornar a un estado menos excitado. El
estímulo en cuestión proviene de la llegada de un
fotón con energía similar a la diferencia de
energía entre los dos estados. Los fotones así
emitidos por el átomo estimulado poseen fase,
energía y dirección similares a las del fotón
externo que les dio origen. La emisión estimulada descrita
es la raíz de muchas de las características de la
luz
láser. No sólo produce luz coherente y monocroma,
sino que también "amplifica" la emisión de luz, ya
que por cada fotón que incide sobre un átomo
excitado se genera otro fotón.

Absorción

Proceso mediante el cual se absorbe un
fotón. El sistema
atómico se excita a un estado de energía más
alto, pasando un electrón al estado meta estable. Este
fenómeno compite con el de la emisión estimulada de
radiación.

Características generales de la luz
láser

1. Mono cromaticidad.

Emite una radiación
electromagnética de una sola longitud de onda, en
oposición a las fuentes
convencionales como las lámparas incandescentes (bombillas
comunes) que emiten en un rango más amplio, entre el
visible y el infrarrojo, de ahí que desprendan calor. La
longitud de onda, en el rango del espectro
electromagnético de la luz visible, se identifica por los
diferentes colores (rojo,
naranja, amarillo, verde, azul, violeta), estando la luz blanca
compuesta por todos ellos. Esto se observa fácilmente al
hacer pasar un haz de luz blanca a través de un
prisma.

2. Coherencia espacial o
direccionabilidad.

La radiación láser tiene una
divergencia muy pequeña, es decir, puede ser proyectado a
largas distancias sin que el haz se abra o disemine la misma
cantidad de energía en un área mayor.

Nota: Esta propiedad se
utilizó para calcular la longitud entre la Tierra y la
Luna, al enviar un haz láser hacia la Luna, donde
rebotó sobre un pequeño espejo situado en su
superficie, y éste fue medido en la Tierra por un
telescopio.

3. Coherencia temporal.

La luz láser se transmite de modo
paralelo en una única dirección debido a su
naturaleza de
radiación estimulada, al estar constituido el haz
láser con rayos de la misma fase, frecuencia y
amplitud.

Esquema del funcionamiento del LASER de tres
niveles de engría. (Fig. 1)

Fig. 1

Tipos de
laser

1. El láser de
Rubí

Recordemos que fue el primer láser y
que fue construido por Theodore Maiman en 1960, quien usó
como medio activo un cristal de rubí sintético. El
rubí es una piedra preciosa formada por cristales de
óxido de aluminio
Al2O3, que contiene una pequeña concentración de
alrededor de 0.05% de impurezas de óxido de cromo Cr2O3
(el óxido de aluminio puro, Al2O3, se llama zafiro). La
presencia del óxido de cromo hace que el transparente
cristal puro de óxido de aluminio se torne rosado y llegue
a ser hasta rojizo si la concentración de óxido de
cromo aumenta. La forma geométrica típica que
adopta el rubí usado en un láser es la de unas
barras cilíndricas de 1 a 15 mm de radio y algunos
centímetros de largo. (Véase Fig. 3)

Fig. 3

2. Láser de
Helio-Neón

El láser de helio-neón fue el
primer láser de gas que se
construyó. Actualmente sigue siendo muy útil y se
emplea con mucha frecuencia. Los centros activos de este
láser son los átomos de neón, pero la
excitación de éstos se realiza a través de
los átomos de helio. Una mezcla típica de He-Ne
para estos láseres contiene siete partes de helio por una
parte de neón. (Véase Fig. 4)

Fig. 4

3. El láser de Argón
ionizado

Las transiciones radiactivas entre niveles
altamente excitados de gases nobles
se conocen desde hace largo tiempo, y la
oscilación láser en este medio activo data desde la
década de los sesenta. Entre estos láseres, el de
argón ionizado es el que más se utiliza, debido a
sus intensas líneas de emisión en la región
azul-verde del espectro electromagnético y a la relativa
alta potencia continua
que se puede obtener de él. (Véase Fig.
5)

Fig. 5

4. Láseres de
CO2

El láser de bióxido de
carbono CO2 es
el ejemplo más importante de los láseres
moleculares. El medio activo en este láser es una mezcla
de bióxido de carbono (CO2), nitrógeno (N2) y helio
(He), aunque las transiciones láser se llevan a cabo en
los niveles energéticos del CO2.Ã,  Como en
seguida veremos, el N2 y el He son importantes para los procesos de
excitación y desexcitación de la molécula de
CO2. (Véase Fig. 6 y 7)

Fig. 6

Fig. 7

5. Láser de gas dinámico
de CO2

La diferencia fundamental entre un
láser de gas dinámico y un láser
convencional de CO2 radica en el método de
bombeo empleado. En el láser de gas dinámico la
radiación láser es producida al enfriar
rápidamente una mezcla de gas precalentado que fluye a lo
largo de una tobera hasta la cavidad del resonador. Por las altas
potencias que es capaz de proporcionar se ha convertido en una
importante alternativa para ciertas aplicaciones industriales.
(Véase Fig. 8)

Fig. 8

6. Láser de soluciones
líquidas orgánicas

El medio activo en este tipo de
láseres está compuesto por líquidos en los
que se han disuelto compuestos
orgánicos, entendidos estos últimos cómo
los hidrocarburos
y sus derivados. Estos láseres son bombeados
ópticamente y como en seguida veremos, una de sus
más importantes características radica en que
pueden emitir radiación láser en anchas bandas de
longitud de onda, es decir que son "sintonizables". (Véase
Fig. 9)

Fig. 9

7. Láseres de semiconductores

Los láseres de semiconductores son
los láseres más eficientes, baratos y
pequeños que es posible obtener en la actualidad. Desde su
invención en 1962 se han mantenido como líderes en
muchas aplicaciones científico-tecnológicas y su
continua producción masiva nos da un inicio de que
esta situación se prolongará por mucho tiempo.
(Véase Fig. 10)

Fig. 10.

8. Láser de electrones
libres

Todos los sistemas
láser anteriormente vistos basan su funcionamiento en la
inversión de población lograda en un medio activo
atómico o molecular. Por tanto, la longitud de onda a la
cual el láser emite está inevitablemente
determinada por los centros activos contenidos en la cavidad
láser, es decir, por las transiciones energéticas
permitidas a los átomos o moléculas de dicho medio.
Un láser basado en la emisión de radiación
estimulada por electrones libres no tiene las limitaciones
propias de los láseres anteriormente vistos, pues los
electrones libres no están sujetos a la existencia de
transiciones energéticas particulares y por lo tanto
pueden generar radiación electromagnética en
cualquier longitud de onda del espectro. Este tipo de
láseres utilizan como medio activo un haz de electrones
que se mueve con velocidades cercanas a la de la luz. Debido a
esto se le llama haz relativista de electrones. Podemos
describir un láser de electrones libres como un
instrumento que convierte la energía cinética de un
haz relativista de electrones en radiación láser.
(Véase Fig. 11)

Fig. 11

9. Láser Nd-YAG

(acrónimo del inglés
neodymium-doped yttrium aluminium garnet) es una
emisión láser en medio sólido que utiliza el
dopaje con neodimio de cristales de óxido de itrio y
aluminio (Nd:Y3Al5O12), una variedad de granate, para la
amplificación de su radiación de longitud de onda
característica de 1064 nanómetros, en el
infrarrojo. Los láser Nd-YAG se encuentran entre los
dispositivos láser de mayor empleo,
aplicándose en el tratamiento oftalmológico de las
cataratas, en medicina
estética o en procesos industriales, como
tratamientos de superficie y mecanizados.

Nivel de energía diagrama de
Nd: YAG (La línea sólida indica la
transición con la luz y la línea discontinua indica
la no radiactivo transición

La luz del láser, gracias a unas propiedades
específicas, puede concentrarse de forma aguda con una
lente de enfoque convergente. En el foco del rayo láser se
produce una densidad de
potencia extremadamente elevada, que hace que la luz del
láser sea especialmente valiosa para la
mecanización del material. Gracias a esta elevada potencia
en el foco, se funde o evapora el material. Además la luz
del láser puede ser expulsada por medio de una óptica
adecuada (espejo) a través de grandes distancias, y ser
dirigida y desviada completamente, sin pérdidas. Como
sistemas de movimiento se
utilizan sistemas de posicionamiento
(Láser Plotter) o un escáner
galvanómetro. De esta forma surge una herramienta
universal, sin desgaste, porque el rayo láser nunca se
queda romo.

Los dispositivos láser más
extendidos en la industria son
los de CO2 y los de Nd:YAG. En ambos casos es preciso el uso de
un gas que garantice la protección del baño fundido
y el cordón a alta temperatura.

· Láser de CO2:

  Es el más utilizado en la
industria del automóvil y de sus proveedores.
Para la obtención de soldaduras de gran calidad, la
elección de los gases protectores adecuados es
fundamental.

Los láseres de CO2 convierten la
energía
eléctrica en luz láser dirigida que puede ser
transmitida a grandes distancias. En el corte por láser se
utiliza la radiación para calentar la pieza hasta alcanzar
la temperatura de fusión,
al tiempo que una corriente de gas a presión
arrastra el material fundido. El rayo láser puede ser
desviado mediante espejos y enfocado sobre un punto de menos de
una décima de milímetro –actúa como
una herramienta puntual pudiéndose alcanzar densidades de
potencia capaces de fundir o evaporar prácticamente
cualquier material La zona afectada térmicamente es muy
limitada, lo que evita la aparición de distorsiones. El
contorno de la pieza a cortar puede ser de cualquier forma y
complejidad, pudiéndose realizar el proceso a
altas velocidades.

La aplicación industrial precisa
aparatos de alta disponibilidad y larga vida útil, incluso
bajo duras condiciones de trabajo.

Los rotuladores láser de CO2 son
adecuados para la marcación por láser de aluminio
anodizado, metal recubierto o sin recubrir. Con una elevada
potencia láser, los láser CO2 producen un viraje de
color. Antes de
la marcación por láser se rocía el metal
desnudo en los puntos relevantes con un spray o con pasta.
Gracias a este método se puede producir una
marcación de metal de cuasi-quemado, muy
resistente.

· Láser – Nd: YAG:

  Ampliamente utilizado en la
industria debido a su fácil automatización. El haz, en este caso,
permite ser transportado por fibra
óptica, lo que facilita su
robotización.

  Es normal el uso de dispositivos de
2 a 5 Kw.

  Su longitud de onda, más
pequeña que la del CO2, lo hace menos susceptible a la
formación de plasma de inducción térmica, por lo que la
selección del gas de protección
dependerá de otros factores, como el material
base.

 Ambos sistemas láser se
caracterizan por su económica operación y por su
prolongada vida. Los láser de CO2 son adecuados
especialmente para la grabación y el corte por
láser. Los láseres Nd:YAG son aplicados en
particular para la marcación por láser.

En sistemas 2D la mejor focalización
proporcionada por el láser de CO2 hace que su
utilización esté ampliamente extendida.En sistemas
3D la flexibilidad y simplicidad del sistema proporcionada por la
fibra óptica, junto con la mejora en los últimos
años de los láseres de Nd:YAG, ha hecho progresar
de manera notable su utilización para el corte de metales.

En la mecanización por láser hay
diferentes procesos, a saber:

• Grabación por láser

• Corte por láser

• Abrasion

• Templado (revenido)

• Quemado

• Espumado

• Viraje de color y blanqueamiento

Es requisito para la mecanización por
láser la absorción de la radiación del
láser en el material de base o en una capa de
recubrimiento. La absorción depende de la longitud de
onda, del tipo de láser y del material. Algunos materiales
absorben la radiación del láser de forma
excepcional, pero otros, algo peor. Por ejemplo, el aluminio o el
latón sin recubrimiento tienen un grado de
absorción débil. En este caso se necesita por lo
tanto un potente sistema láser.

Aplicaciones a la
ingeniería mecánica

En el mundo industrial se han producido
avances sustanciales en el desarrollo e
implantación de tecnologías láser en todo
tipo de materiales, como puede verse en la Tabla 1. Por su parte,
en la Tabla 2 pueden verse las ocho familias de aplicaciones
industriales, en las que pueden hacerse en algunos casos
divisiones importantes, como en el marcado, en el que
también se engloban las utilizaciones de baja potencia
destinadas al marcaje de material de embalaje con los datos de fecha de
consumo
preferente y lotes de fabricación, campo en el que se han
multiplicado las instalaciones en los últimos
años.

Dentro del procesado de materiales, el
láser es utilizado como se había dicho en todas las
ramas (corte, soldadura,
marcado microscópico, etc.) al poder ser
empleados en casi todos los materiales y tener una muy buena
respuesta en el mecanizado. Se utiliza para:

• Realizar Soldaduras.

• Tratamientos superficiales
  como:

-      
Endurecimiento o temple.

-      
Aleación superficial.

-      
Recubrimiento superficial.

-      
Fusión superficial.

• Corte mediante el
  láser.

• Taladrado y punzonado.

• Marcado mediante
  láser.

Tabla 1 Materiales susceptibles de
ser tratados mediante
láser

Tabla 2 Resumen de aplicaciones
industriales del láser

Corte mediante
láser

En el corte mediante láser se
utiliza la radiación procedente de la fuente láser
para calentar la pieza hasta alcanzar la temperatura de
fusión, al tiempo que una corriente de gas a
presión arrastra el material fundido. La
utilización del láser en este campo ofrece muchos
aspectos positivos. El haz láser focalizado sobre la pieza
tiene unas dimensiones mínimas, de modo que actúa
como una herramienta puntual. Por tanto, la zona afectada
térmicamente es muy limitada, lo que evita la
aparición de distorsiones en piezas que pueden tener
contornos muy complejos. El corte por láser se puede
realizar sobre chapas finas de metal, madera,
plástico,
tela o cerámica en fin sobre diversos materiales,
desde acero a corcho,
pasando por materiales plásticos,
etc., para formas en dos y tres dimensiones. Las fuentes
láser utilizadas son de media y baja potencia (de 0,4 a
1,2 kw), consiguiéndose realizar cortes en piezas de
espesores que van desde los 0,5 a los 8mm, con tolerancias entre
+/- 0,05 y +/- 0,1 mm.

Ã, Las ventajas que ofrece el
láser sobre las técnicas
convencionales en este tipo de utilizaciones son las
siguientes:

– Mejor aprovechamiento del material,
debido a que la anchura del surco generado es
mínima.

– Las paredes de corte son perpendiculares
a la pieza y paralelas entre sí.

– La pieza cortada no precisa ningún
tratamiento ni limpieza posteriores.

– Se pueden realizar cortes en cualquier
dirección.

– El proceso es altamente flexible y
automatizado.

– No se precisan cambios de herramienta, lo
que aumenta la flexibilidad y eficiencia de los
equipos.

-Es un proceso rápido y
silencioso.

Dentro de este campo, podemos destacar las
siguientes aplicaciones innovadoras:

– Corte de materiales innovadores (Titanio
y plástico).

– Corte de vidrio.

Si bien el corte por láser
constituye una inversión que -bien aplicada- brinda
excelentes resultados, puede conducir a graves errores si usted
no está convenientemente asesorado.

Este proceso corta rápidamente
chapas finas de metal, madera, plástico, tela o
cerámica, con un mínimo de pérdida de
material y sin distorsión.

Al mismo tiempo, corta con un
altísimo nivel de precisión, permitiéndole
realizar tareas sumamente avanzadas y delicadas.

El cuadro 1 Ilustra la
aplicación de este tipo de láseres en el corte de
diversos materiales. En la mayoría de estas aplicaciones
el uso del láser está sincronizado con elementos
automáticos o computarizados tales como robots. De esta
forma el corte de complicados diseños en diversos
materiales puede realizarse en forma rápida y precisa. Hoy
en día son ya: innumerables las industrias que
utilizan robots-láser en sus líneas de
producción, como la industria electrónica y la automotriz.

Criterios de Calidad en el Corte por
Láser

Características de Acabado

• Anchura del corte muy fina: entre 0.1 y
  0.2 mm para corte fino (2-3 mm) de acero al
  carbono.

•  Zona de corte libre de
  oxidación si se utiliza N2 como gas de
  aporte.

•  Estriación residual en el
  corte de espesores grandes de materiales
  metálicos.

•  Corte sin
  angulación.

•  Inexistencia de tensiones
  mecánicas.

•  Zona afectada térmicamente
  inferior a la anchura del corte.

•  Las deformaciones por
  calentamiento son muy inferiores a las producidas en el resto
  de cortes térmicos,  ya que la cantidad total de
  calor aplicada a la pieza es mucho menor.

•  Velocidades de corte superiores a
  los 7 m/min. para 1 mm de acero al carbono.

•  Superficie de corte perfectamente
  pulida y brillante para corte de metacrilato.

Causas de Defectos más
Comunes

• Exceso de potencia

• Sangrado excesivo

• Presencia de rebabas

• Zona Afectada Térmicamente
  excesiva

• Presión de gas
  incorrecta

• Presencia de rebabas

• Aumento de la rugosidad y la
  estriación

• Aceleración del sistema
  insuficiente

• Desviación de la
  geometría de corte real y la programada.

Principales parámetros del Corte
por Láser

Prácticamente cualquier material se
puede cortar con láser. La calidad de corte y la velocidad
final alcanzable dependerán principalmente del material y
los siguientes parámetros:

• Láser y potencia
  utilizados

• Calidad del haz

• Sistema de transmisión del haz
  (haz directo o fibra óptica)

• Sistema de
  focalización

• Tipo de gas utilizado

• Calidad del gas

• Presión efectiva del gas en la
  pieza

Ejemplos de aplicaciones de Corte por
Láser:

• Corte de acero al carbono de hasta 20
  mm

• Corte de aleaciones ligeras para el
  sector aeronáutico

• Corte de aceros de alta resistencia
  para el sector automoción

• Corte de composites para aplicaciones
  especiales

• Corte de polímeros en el sector
  de transformación de plásticos

• Corte de madera para aplicaciones
  decorativas o instrumentos musicales.

Corte láser, materiales en que se
aplica

Soldadura con
láser

Un láser focalizado se puede emplear
en una amplia variedad de procesos de soldadura, entre los que la
más tradicional es la de materiales metálicos. La
soldadura por láser puede realizarse de dos formas
diferentes:

– Por conducción: la profundidad de
la zona fundida, inicialmente superficial, aumenta en función de
la conductividad térmica y de la distribución de la intensidad de la
radiación. Este tipo de soldadura se emplea en la
unión de láminas delgadas.

– Por penetración profunda: en este
tipo de soldadura se consigue desplazar la zona de mayor
temperatura por debajo de la superficie del material,
alcanzándose un mayor rendimiento. El material fundido se
desplaza hasta la superficie por acción
del vapor recalentado y se mantiene allí por efectos
combinados de gravedad, viscosidad y
tensión superficial, lo que favorece la formación
de un cordón de soldadura que aporta excelentes
características mecánicas a la pieza.

La afectación térmica
reducida, la falta de necesidad de utilizar material de
aportación en algunas utilizaciones, la flexibilidad y
facilidad del control de
proceso hacen del láser una herramienta de gran potencia
para aplicaciones de soldadura en materiales difíciles de
tratar por otras técnicas. Las soldaduras obtenidas son de
alta calidad metalográficas y sin deformaciones
dimensionales apreciables, están exentas de poros, grietas
y mordeduras, y tienen características similares a la
soldadura convencional, en muchos casos sin aporte de material y
con una velocidad de proceso seis veces superior.

La fuente láser utilizada depende
del tipo de materiales a soldar. Se pueden realizar aplicaciones
en piezas de espesores de 1 mm (se habla de "cierto espesor" por
encima de 3 mm), con penetraciones máximas de hasta 10
mm.

Existe un ahorro de
fases en la operación de soldadura, ya que no afecta a los
materiales existentes; por lo tanto, no requiere tratamientos
posteriores para eliminación de tensiones. Las
aplicaciones de soldadura con y sin aporte, así como la
soldadura de bimetales están ampliamente establecidas
dentro de la industria. Las novedades en este campo vienen
representadas por la soldadura de materiales disimilares,
soldadura de aleaciones
ligeras, soldadura de oro y las
aplicaciones de soldadura de materiales plásticos, que se
encuentran en un avanzado estado de desarrollo.

Gases protectores para la soldadura con
láser.

El soldeo láser se diferencia de
otros procesos de soldeo por fusión (MIG/MAG, TIG…) por
su alta densidad de energía, lo que permite un aporte
térmico mucho más localizado. Las consecuencias de
este efecto son un menor nivel de distorsión, una zona
afectada térmicamente más estrecha y una mayor
velocidad de soldeo.

La gran mayoría de las soldaduras
por láser se efectúan sin aporte de material.
Sólo cuando existe un riesgo alto de
agrietamiento puede ser  indispensable el uso de material de
aporte.

Con láser se puede soldar un amplio
espectro de materiales: aleaciones férreas, no
férreas e incluso plásticos.

Los dispositivos láser más
extendidos en la industria son los de CO2 y los de Nd:YAG. En
ambos casos es preciso el uso de un gas que garantice la
protección del baño fundido y el cordón a
alta temperatura.

La soldadura por láser, aun
permitiendo una muy alta velocidad de proceso, es una soldadura
de extrema precisión.Además, su alto nivel de
automatización, unido a su calidad (sólo superada
por la soldadura por haz de electrones) y velocidad de proceso,
hace que se halle presente en prácticamente todos los
sectores industriales, destacando laautomoción y el sector
aeronáutico, sin descartar la electrónica, incluso
la joyería.

Soldadura por Key-Hole

En prácticamente todos los
materiales se puede realizar sin aporte de material.Se pueden
soldar hasta 20 mm de acero al carbono.La zona afectada
térmicamente es muy pequeña (algunas décimas
de mm).La relación ancho de cordón/profundidad de
penetración se sitúa típicamente entre 1/5 y
1/7, pudiendo llegar a 1/10.Las velocidades de soldadura son muy
altas, situándose por encima de los 5 m/min para espesores
finos (1-2 mm) de acero al carbonoEl tipo de gas de aporte
utilizado, la geometría
de aporte y el caudal juegan un papel fundamental en la calidad
final de la soldadura.

La soldadura por key-hole recibe este
nombre debido a la forma transversal típica del
cordón de soldadura (similar al ojo de una
cerradura)

Efecto de la Focal

La utilización de lentes con focales
cortas implica un tamaño de spot menor, lo que permite una
mayor concentración de energía y por tanto la
posibilidad de una mayor velocidad de proceso. Sin embargo un
tamaño de spot más pequeño provoca que el
haz presente una longitud de Rayleigh menor (una longitud de la
zona donde el haz permanece fuertemente focalizado más
pequeña). Por tanto para espesores gruesos será
necesario utilizar lentes de focal grande, al objeto de que el
haz permanezca fuertemente focalizado en todo el espesor.De esta
manera podemos decir que para espesores pequeños es
conveniente utilizar lentes de focal corta (excepto cuando por
algún motivo queramos tamaños de spot grandes) y
para espesores grandes utilizaremos lentes de focal grande.
Obviamente la decisión final dependerá de las
características de cada proceso en concreto,
optándose en ocasiones por focales más grandes de
las que "teóricamente" se aplicarían, por ejemplo,
cuando tengamos problemas con
las tolerancias de posicionado.

Geometrías Básicas de la
Soldadura

Soldadura por contacto (a
"testa)"

? Altas velocidades de proceso (entre 5 y
10 m/min en la mayoría de los casos).

? Se pueden soldar hasta 20 mm de acero al
carbono (con láseres de muy alta potencia).

? Tolerancias en la trayectoria del haz muy
estrictas

? Necesidad de una separación en las
piezas inferior a 0.1 mm.

Soldadura por transparencia
(solape)

? Menores velocidades de proceso que en la
soldadura por contacto.

? Se puede controlar la penetración
hasta conseguir penetración total (aconsejable en la mayor
parte de los casos).

? Ausencia de problemas por la trayectoria
del haz.

? Alta resistencia del
cordón.

? Problemas de porosidad (evitables) cuando
las chapas están zincadas por las dos caras.

Soldadura en T

? Se puede soldar con gran precisión
y con una distorsión térmica muy inferior al resto
de soldaduras (exceptuando el haz de electrones).

? La zona afectada térmicamente es
muy pequeña.

? En los casos en los que no existe
penetración total la soldadura puede presentar menor
resistencia a la fatiga que en soldadura por contacto o
solape.

? Posicionado de la pieza más
compleja.

? La parametrización es compleja, ya
que es conveniente introducir un determinado decalaje del haz
sobre el interior de las dos piezas.

Soldadura de tailored blanks

Los tailored blanks consisten en paneles
planos de acero de diferentes espesores y calidades que se
sueldan entre si. Una estampación final les dará la
forma definitiva. La fabricación de tailored blanks
permite disminuir el peso de los coches y controlar la
deformación en caso de choque de las piezas

•  Tolerancias en el posicionado de
  las chapas muy estrictas: gap (separación) inferior a
  0.1 mm.

•  Altas velocidades de soldadura:
  superiores a los 7 m/min.

•  Alta resistencia a
  tracción de la soldadura (mayor que la del material
  base).

•  Zona afectada térmicamente
  muy estrecha.

Búsqueda de
Parámetros

La soldadura láser, aún
permitiendo una muy alta velocidad de proceso, es una soldadura
de extrema precisión (hay que tener en cuenta que se
pueden conseguir anchos de cordón de 1-2 mm o incluso
inferiores). Es precisamente esta precisión lo que origina
que los parámetros de soldadura deben estar muy bien
ajustados. Los parámetros más importantes (aunque
no los únicos) son:

•  Búsqueda del punto de
  focalización (posición del spot en, dentro o
  por encima de la chapa.

•  Búsqueda de la
  relación potencia-velocidad óptima.

•  Búsqueda del plano de
  unión (posición del spot en la junta de la
  soldadura).

•  Búsqueda del decalaje
  (desviación del haz sobre la posición en la
  junta).

•  Clamping (presión entre
  piezas).

Tolerancias

Debido a la gran precisión de la
soldadura láser el posicionado de las piezas debe
responder a esta precisión. Tolerancias típicas de
posicionado sin aporte de material oscilan entre los 0.1 y los
0.2 mm.

Algunos defectos
evitables

Una mala parametrización (incluido
el posicionado de las piezas) puede ocasionar algunos defectos en
la soldadura. La utilización de los parámetros
óptimos elimina estos problemas.

• PRESENCIA DE POROS: la mayor parte de
  las ocasiones están producidos por el atrapamiento de
  gas en el interior de la soldadura, por tanto hay que evitar
  contaminación de la superficie que la pueda provocar
  o, en el caso de ser porosidad producida por recubrimientos
  volátiles hay que posicionar las piezas dejando un
  pequeño gap (sin superar las tolerancias de
  posicionado), que permita la calidad de los gases

• FALTA DE PENETRACIÓN: la
  velocidad de proceso es excesiva para la potencia
  utilizada.

• EXCESO DE SALPICADURAS: ocasionadas la
  mayor parte de las veces por la presencia de aceites o
  contaminantes en las chapas o por utilización de una
  potencia excesivamente alta para la velocidad de proceso
  utilizada.

• FALTA DE FUSIÓN EN RAIZ O
  SUPERFICIE: además de una mala relación
  potencia-velocidad, puede estar ocasionada por un excesivo
  gap entre las piezas.

• AGRIETAMIENTO DE LA SOLDADURA: en este
  caso no existe ninguna causa que sobresalga de las
  demás. Puede ser debido a un mal posicionado de las
  piezas, exceso de potencia, exceso de carbono en el
  material,… Las causas deben ser determinadas mediante un
  análisis más exhaustivo.

Aplicaciones de la Soldadura
Láser

El tremendo nivel de automatización
de la soldadura láser, unido a su alta calidad
(sólo superada por la soldadura por haz de electrones), y
gran velocidad de proceso (existen procesos industriales donde se
suelda espesores superiores a 1 mm de acero con velocidades entre
los 8 y 9 m/min), hace que hoy se halle presente en
prácticamente todos los sectores industriales, destacando
especialmente el sector de automoción, tanto en la
fabricación del automóvil por las grandes
compañías, como por sus proveedores.El láser
se halla presente en la soldadura de los techos con los
laterales, pero también en el resto de la
carrocería, en la soldadura de los tailored blanks para
largueros, puertas,… así como en piezas del motor, engranajes
o incluso los plásticos correspondientes a los distintos
pilotos y luces.También en el sector aeronáutico se
ha demostrado la conveniencia de utilizar el láser para la
soldadura de aleaciones ligeras y materiales disimilares, ya que
produce soldaduras con resistencias
superiores a las conseguidas al soldar por otros métodos.La
siguiente tabla muestra un
resumen de los principales sectores industriales donde se
encuentra el láser y algunas aplicaciones

Sectores de la Soldadura
Láser

Taladrado y
punzonado

Las técnicas utilizadas para el
taladrado y el punzonado son las mismas que las utilizadas en el
corte mediante láser (para efectuar un corte hay que
realizar un taladro inicial). Con estas técnicas se
consiguen penetraciones máximas en piezas de espesores
considerables (de hasta 13 mm), y diámetros desde 0,075
mm. Para segurar un taladro correcto en piezas de cierto espesor
(por encima de los 3 mm) es importante controlar los niveles de
potencia media empleados y los tiempos de interacción, ya que si se sobrepasan
ciertos niveles se puede provocar el "reventón" del
agujero. LasÃ,  investigaciones
en este campo están centradas en la realización de
taladrados con la máxima energía posible
disminuyendo los tiempos de interacción, sin llegar a
explosionar el agujero taladrado, ya que, en la práctica,
por motivos obvios de aseguramiento de la calidad de la pieza,
son excesivamente bajos y los tiempos de interacción
demasiado altos.

Marcado mediante
láser

La técnica utilizada normalmente
para realizar el marcado mediante láser es por
desplazamiento del haz. Con esta técnica se focaliza un
haz láser de media potencia sobre la superficie a marcar.
El haz se orienta mediante una combinación de espejos
galvanométricos de manera que sigue el recorrido del
diseño
a marcar. En función del tipo de material que se va a
grabar, se utilizan distintos tipos de fuentes láser: CO2,
Nd:YAG.

Actualmente pueden marcarse una gran
variedad de materiales: materiales metálicos,
plásticos, vidrio, etc. La profundidad de la zona marcada
va desde algunas micras (marcado superficial) a décimas de
milímetros (marcado profundo). La superficie máxima
de marcado es un cuadrado de 100×100 mm. Mediante la
utilización de quipos de baja potencia se puede realizar
el marcado de elementos de envasado sobre ventanas preimpresas,
sobre todo papel, con los datos sobre lotes de fabricación
y fechas de consumo preferente, muy importantes en la industria
del envasado de bienes de
consumo.

La marcación por láser de
metal, como el aluminio anodizado, el acero (noble) y la chapa
metálica, es la aplicación en curso en diferentes
industrias y sectores. Se utilizan para caracterizar piezas con
el correspondiente número de serie, código
de barras, código matricial de datos o logotipo. Los
rotuladores por láser se adaptan especialmente bien a esta
tarea ya que producen una marcación en metal estable
térmica y químicamente en piezas de trabajo e
instalaciones. La marcación por láser se
caracteriza por unas elevadas velocidades de mecanización,
precisión y flexibilidad.

ROTULACION

Los rotuladores láser de CO2 son
adecuados para la marcación por láser de aluminio
anodizado, metal recubierto o sin recubrir. Con una elevada
potencia láser, los láser CO2 producen un viraje de
color. Antes de la marcación por láser se
rocía el metal desnudo en los puntos relevantes con un
spray o con pasta. Gracias a este método se puede producir
una marcación de metal de cuasi-quemado, muy
resistente.

 Con un rotulador por láser
Nd:YAG se marcan directamente los metales. Dependiendo de los
ajustes del rayo y del material se producen grabados o un viraje
de color. Al principio del templado, se pueden conseguir
diferentes efectos de color.

Tratamientos
superficiales con láser

Los tratamientos superficiales están
encaminados a modificar las características superficiales
de un material, tanto desde el punto de vista de sus propiedades
mecánicas como de la resistencia a la corrosión. Son aplicables a materiales
metálicos con alta absorción térmica y
suficiente capacidad de disipación de calor por
conducción. Los tratamientos superficiales se llevan a
cabo con fuentes láser de alta potencia en dos y tres
dimensiones. Las aplicaciones más difundidas en esta
técnica de tratamientos son las siguientes:

– Endurecimiento o
Temple

En este tipo de tratamiento superficial, el
láser de potencia se convierte en una herramienta que,
dadas sus características, permite actuar sobre zonas
puntuales minimizando la interacción con el material base,
y creando zonas con características mejoradas sobre las
piezas, tales como un aumento en la tenacidad de la zona tratada,
y en la resistencia a golpes y vibraciones, lo que redunda en la
vida útil. La pieza tratada no debe sufrir posteriores
transformaciones ni manipulaciones, quedando lista para su uso;
el proceso es rápido y la dureza conseguida es superior a
la de un tratamiento convencional. Puede limitarse a áreas
concretas de una misma pieza consiguiéndose de esta forma
endurecimientos localizados.

– Aleación superficial
(Alloying)

La aleación superficial permite la
generación de aleaciones sobre la superficie de las piezas
para mejorar sus propiedades térmicas y mecánicas
frente al desgaste o la corrosión. Las aleaciones
realizadas son específicas y puntuales, por lo que tiene
la ventaja de que realmente necesita ver mejoradas sus
características.

– Recubrimiento superficial
(Cladding)

El recubrimiento superficial supone la
incorporación de material sobre una superficie para
mejorar las propiedades de ésta. Mediante la
interacción de un láser de alta potencia con un
polvo metálico o no metálico pueden crearse capas
de espesor controlado sobre las superficies metálicas. Los
recubrimientos superficiales se pueden realizar con materiales
antidesgaste, anticorrosión, de características
especiales, etc. Confiriendo las características
superficiales requeridas a la superficie tratada.

– Fusión superficial
(Melting)

Otra posibilidad reside en la
reconstrucción de piezas dañadas o desgastadas
mediante la adición del mismo material en el que
esté construida la pieza. Asimismo, puede procederse al
sellado de capas de deposición realizadas mediante la
aplicación de plasma, confiriéndoles mayor
adherencia al substrato y un grado de compacidad superior al
obtenido mediante la técnica original. Otras aplicaciones
son la ablación o eliminación de materiales
adheridos a substratos y la realización de vitrificados
estructurales, donde se consiguen profundidades máximas de
50 mm. Otro tipo de actuaciones a destacar por su componente
innovador son los recubrimientos y los tratamientos superficiales
de diferentes componentes metálicos. Un ejemplo es la
fusión superficial de titanio en atmósfera de N2 para
conseguir capas de nitruro de titanio.

Abrasión

 Con la abrasión se volatiliza o evapora una
capa superficial. Las capas superficiales finas, como las capas
de pintura o de
anodizado, son especialmente apropiadas para el grabado por
láser. Puesto que la radiación láser resulta
particularmente bien absorbida en estas capas, una potencia de
láser baja es capaz de producir fuertes contrastes. En
plásticos pintados se puede crear, mediante la
abrasión de la capa de pintura, un diseño
diurno/nocturno, por ejemplo, los salpicaderos de
automóviles. 

Templado (revenido)

Si se calienta el metal, éste se tiñe por
un efecto de templado. Esto se produce por las modificaciones de
la textura en la capa extrema. Con el láser se pueden
calentar las superficies de forma controlada. La
coloración o tintado dependen de la temperatura
máxima lograda. De esta forma, dependiendo de los
parámetros del láser, pueden crearse colores claros
y oscuros de templado. Si se calientan las piezas rotuladas por
revenido o templado, podría desaparecer la
rotulación.

Viraje de color y blanqueamiento Este efecto sólo se
puede conseguir con plásticos. Depende de la longitud de
onda de la radiación láser y exige, por regla
general, un láser Nd:YAG regular o un láser Nd:YAG
especial de doble frecuencia. La radiación láser
penetra en el plástico y es absorbida en pigmentos. Si los
pigmentos se modifican químicamente, entonces se produce
una modificación del color en el material. Puesto que la
radiación láser penetra en el plástico, la
superficie queda prácticamente sin daños. La
modificación de color depende del pigmento y,
también, del material de base.

Recocido Una marca de
contraste puede ser creada usando un efecto de recocido en los
materiales metálicos. El rayo láser calienta el
metal, creando cambios estructurales en la superficie. El color
de la marca está determinado por la temperatura
máxima alcanzada en el metal, las propiedades del metal y
los parámetros seleccionados en el láser. La
técnica de recocido tiene una característica
única en el sentido de que produce marca de contraste sin
perturbar el acabado de superficie del metal.

Quemado Los metales se rotulan mejor quemando por
inserción las capas superficiales con polvo
cerámico. La capa superficial es aplicada mediante un
procedimiento
de pulverización, y, vuelve a quitarse tras el grabado. Si
se necesita este procedimiento para grabar por láser,
entonces se pueden conseguir grandes contrastes en los metales de
baja absorción, mediante un láser de CO2. En el
metal se da un proceso de oxidación en la superficie. Para
el grabado del vidrio con láser Nd:YAG hay igualmente un
polvo adecuado.

Espumado

En determinados plásticos, con la
mecanización por láser se produce un espumado. El
rayo láser funde la superficie del plástico. Por
ello se producen burbujas de gas que al enfriarse el material,
quedan cerradas. Mediante el gas encerrado se forma el volumen, y los
puntos que han sido mecanizados por el láser, quedan
visibles en relieve,
salientes.

Grabación por láser Cuando se graba por
láser, el material de base es fundido o evaporado por
la radiación láser. La intensidad de la
radiación láser deberá por tanto superar un
valor
límite determinado, la denominada intensidad de valor
umbral. La intensidad de valor umbral es especialmente elevada en
materiales que presenten una alta conductividad eléctrica.
Por el perfil del rayo y, eventualmente, por la conducción
térmica en el material de base, se produce una
profundización en forma cónica. La grabación
por láser es el método más rápido de
la mecanización por láser.

Las grabadoras por láser
también son muy adecuadas para la fabricación de
placas metálicas. Las plantillas se producen en un
programa
gráfico y pueden ser transmitidas a la grabadora
fácilmente mediante un sencillo procedimiento de
impresión. El grabado de placas es rápido, limpio y
de gran calidad. Se produce sin contacto alguno; se ahorra tener
que tensar la pieza de trabajo.

Micro:
reparación de moldes y matrices por
laser

Ventajas:

• Mínima zona afectada
  térmicamente. No se producen deformaciones.

• Posibilidad de soldaduras
  extremadamente finas con varillas desde 0,25 mm de
  diámetro.

• No precisa precalentamiento de la
  pieza.

• No genera rechupes.

• Posprocesado mínimo.

• Durezas resultantes de 45 a 60 HRC sin
  fisuras ni poros.

• Posibilidad de soldar Aluminio y
  Cobre.

Gases para la tecnología
láser

La tecnología láser se
complementa con ciertos gases imprescindibles para llevar a cabo
las funcionalidadesbien de corte o bien de soldadura
láser.

Se utilizan gases de alta pureza o mezclas de
ellos para generar el haz láser en los resonadores de
CO2.

También se utilizan gases de aporte
para expulsar el metal fundido o vaporizado en la zona de corte,
para un aporte adicional de energía, para la
protección del camino óptimo o para controlar la
formación de plasma y proteger la zona de
soldadura.

Gases para el resonador

• Solo para láseres de
  CO2.

• CO2 La transición entre
  dos de sus estados de oscilación molecular es la
  responsable de la emisión láser.

• N2 Transfiere energía a
  la molécula de CO2, ya que la probabilidad de
  transición del CO2es muy pequeña.

• He Desexcita las
  moléculas de CO2.

Gases para el resonador. Mezclas

• Línea de gases para resonadores
  láser LASERGAS.

• Laser gas-1: He, N2, CO2.

• Lasergas-3: He, N2, CO2.

• Lasergas-4: He, N2, CO2, H2.

• Lasergas-6: He, N2, CO2

• Lasergas-8: He, N2, CO2, CO.

• Lasergas-10: He, N2, CO2. Caudal: 10
  l/h

• Lasergas-12: He, N2, CO2.

• Lasergas-slab: He, N2, CO, CO2, O2, Xe.
  Caudal: 0,3 l/h (consumo por cargas)

 Gases para el resonador. Gases
puros.

• Helio C-50: Pureza >
  99,999%

Caudal: 13-20 l/h, 5-7 bar

• Nitrógeno C-50: Pureza
  > 99,999%

Caudal: 6-8 l/h, 5-7 bar

• Dióxido de carbono C-45:
  Pureza > 99,995%

Caudal: 1-1,5 l/h, 5-7 bar

Gases de Aporte para
Corte

• Oxígeno Seco: Pureza >
  99,5%

Caudal: 1-6 Nm3/h, 1-6 bar

• Oxyláser: Pureza >
  99,95%

Caudal: 1-6 Nm3/h, 1-6 bar

• Nitrógeno Seco: Pureza
  > 99,95%

Caudal: 5-70 Nm3/h, 6-20 bar

• Nitrógeno C-45
  (líquido): Pureza > 99,995%

Caudal: 1-6 Nm3/h, 1-6 barGases de
Aporte para Soldadura

• Control del plasma:

• Nube de plasma = Mezcla de plasma metal
  + Gas de aporte

• Capacidad de absorción de
  radiación

• Posterior irradiación de la luz
  láser

• Capacidad para desfocalizar el
  haz

• Gas de protección

• Desplazar el aire de la zona de
  soldadura:

• Baño de fusión

• Z.A.T. (Zona Afectada
  Térmicamente)

• Evitar la contaminación
  por:

• Oxígeno

• Nitrógeno

• Humedad

Helio:

• Mayor PI

• Menor densidad

• Más eficaz de los 3
  gases

Argón:

• Bajo PI

• Densidad intermedia (entre He y
  N2)

• Para bajos caudales puede ser una
  alternativa

Nitrógeno:

• Bajo PI

• Densidad muy alta

• Menos recomendable de los 3
  gases

• Helio: Pureza > 99,95%Caudal:
  15-20 l/min, 1-2 bar

Argón: Pureza >
99,99%Caudal: 30-40 l/min, 1-2 bar

Peligros del Láser

Un láser o sistema láser
utilizado debidamente no es peligroso pero si se utiliza de
manera inapropiada puede herir gravemente al
usuario.

– Radiación Láser- Riesgo de
electrocución- Riesgo de incendio- Riesgo de ruido– Riesgo
tóxico- Riesgo mecánico

Principales causas de accidente en instalaciones
láser

• Exposición inapropiada de los
  ojos durante operaciones de alineamiento

• Uso inexistente o inadecuado de las
  protecciones oculares

• Shock eléctrico debido a acceso
  inadecuado a fuentes de alta tensión

• Inexistencia de protecciones contra
  riesgos asociados al láser pero no provenientes del
  haz

• Puesta en marcha inadecuadas

Mal funcionamiento del equipo

 Efectos de la radiación

Longitudes de onda inferiores a 400 nm se
absorben en el cristalino.Longitudes de onda entre 400 y 1400 nm
focalizan en la retina. Sin embargo sólo hasta 700 nm
producen deslumbramiento. Entre 700 y 1400 nm el reflejo al dolor
se produce por quemadura (el más lento de todos)Entre 1400
y 1900 nm la luz se absorbe principalmente en el humor acuoso
(detrás de la córnea)Por encima de 1900 nm la luz
se absorbe en la córnea.

Medios de
protección

• Instalar pantallas en las instalaciones
  con materiales adecuados que absorban las reflexiones o
  incidencias accidentales.

• Utilizar gafas de protección
  adecuadas cuando sea necesaria la presencia humana en zonas
  peligrosas o exista imposibilidad de
  apantallamiento.

• Eliminar de la zona de trabajo
  materiales fácilmente inflamables (si el material
  inflamable es el que se procesa, extremar las
  precauciones)

• Seguir todas las normas de seguridad
  eléctrica.

• Utilizar sistemas de ventilación
  que eliminen los humos nocivos causados por el
  proceso.

• Seguir todas las normas de seguridad
  mecánica, eléctrica y de gases.

• Herramienta imprescindible: una
  formación adecuada

Conclusión

El láser es una herramienta
multifuncional. La geometría de la pieza puede ser simple o
intrincada – el láser resuelve ambos casos con la misma
facilidad.

La importancia del software de control en estas
tecnologías es básico, ya que se controlan desde
los parámetros del haz de luz como velocidad y frecuencia,
hasta los movimientos del mismo cabezal o pieza (según que
desplacemos), mediante en control numérico
(CNC).

En la operación de corte por láser se
divide un material en forma de placa mediante un rayo
láser dirigido. Distinguimos básicamente entre
corte láser por fusión y corte láser por
sublimación. En el corte láser por fusión se
funde o se evapora el material, por ejemplo, un material
acrílico. En el corte láser por sublimación
se evapora el material, por ejemplo, la madera, saltándose
la fase de licuefacción.

El corte por láser es una
herramienta de precisión, fácilmente ajustable, y
que no necesita contacto mecánico con la pieza. Nos
permite cortar piezas de alta precisión a una
altísima velocidad de corte; además es un proceso
rápido y silencioso orientado al corte de chapas finas de
metal, madera, plástico, tela o cerámica, con un
mínimo de pérdida de material y sin
distorsiones.

La unión de las piezas mediante
soldadura por láser también ofrece grandes
ventajas. Aquellas aplicaciones de soldadura que son
difíciles o incluso no pueden ser realizadas usando
técnicas comunes son factibles usando la alta densidad de
potencia de un rayo láser enfocado. La combinación
de la alta calidad del cordón de soldadura y la rapidez
del mecanizado dan como resultado una excelente productividad y
eficiencia.

Si se quieren unir varias piezas mediante
soldadura, por ejemplo componentes modulares de diversas
variantes de un modelo, el
láser realizará esta tarea de forma rápida y
segura y con costuras de soldadura ópticamente atractivas
que no necesitan repasos. Con la muy buena accesibilidad de la
luz láser también se pueden mecanizar costuras de
soldadura interiores o parcialmente ocultas. Debido a la baja
aportación de calor se consiguen costuras de máxima
calidad que incluso permiten procesos de conformado posteriores.
Además, el láser se puede integrar
fácilmente en líneas de producción
automatizadas y resulta muy económico y seguro debido a
que trabaja sin contacto y por tanto sin desgaste de los
útiles.

Esta tecnología podría, por
tanto, sustituir a la electroerosión y al centro de
mecanizado en algunas aplicaciones. De todas formas, el rayo
láser extrae muy poco material por unidad de tiempo y, por
este motivo, esta aplicación sólo es adecuada para
pequeñas operaciones de
grabado.

Es imprescindible conocer los riesgos
asociados al láser, pero también aquellos
que son comunes con otros tipos de instalaciones, especialmente
los eléctricos y mecánicos.

La utilización de unas normas de
seguridad
básicas junto con la formación del personal
implicado permite la utilización del láser de una
manera totalmente segura.

Bibliografía

Metal handbooks tomo 6 Weld, brazing and
soldering

http://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%A1ser

http://cadcamcae.wordpress.com/2007/04/24/mecanizado-laser/

www.plasmo.eu/…/Durchshuss.jpg

www.dmgcanada.com/ino/journal_2009_01/images/

www.es.trumpf.com/206.Mecanizado_laser.html

www.monografias.com/trabajos61/laser-aplicaci..

www.df.unipi.it

www.nibbler.com.ar/news.cgi?accion=vernew..

www.servilaserplus.com/serv_teoria_pag03.html

Autor:

Alejandro Pino

Pedro Briceño

Asignatura: procesos de fab. II

Profesor: Wilson Urrutia

Fecha: 10-06-2009