SOLDADURA y TECNOLOGIAS de UNION

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SOLDADURA LASER CO 2 vs Nd-YAG ESTUDIO COMPARATIVO Autores: F. Zubiri, F. Garciandia, I. Tolosa, F. Zapirain. LORTEK

INTRODUCCIÓN.- El desarrollo en los últimos años de la tecnología láser en el ámbito industrial, con equipos más potentes, versátiles, fiables y con precios más competitivos, ha permitido la rápida implantación de esta tecnología en los procesos de fabricación industrial de sectores tan aeronáutico, automóvil y

diversos como el

el de bienes de equipos entre otros. El láser ha

demostrado su aplicabilidad industrial en procesos de corte, marcado, perforado y soldadura y son muchos los componentes y estructuras fabricados por esta tecnología que no contemplan ya, la participación de cualquier otra. Entre los equipos láser desarrollados para cumplir con los requisitos de fabricación industrial se encuentran los láser de CO 2 y Nd-YAG, los cuales han copado las ventas

láser en las aplicaciones industriales a nivel mundial

durante los últimos años del siglo pasado y hasta hoy en día.

OBJETIVO.- El presente estudio va a demostrar las diferencias entre estos dos láser en la aplicación de soldadura sobre un componente destinado al sector eólico. El componente en sí consta de un cuerpo cilíndrico central fabricado de tubo mecanizado de acero ST- 52 y dos tapas de acero DOMEX 420,

mecanizadas a cota final. Estas tapas se montan en el alojamiento

mecanizado

en ambos extremos del tubo,

y se sueldan por láser con

requisitos de mínima deformación, dado que se la soldadura se acomete sobre

Soldadura láser CO2 vs Nd-YAG

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pieza acabada, sin posterior mecanizado y máxima resistencia al par torsor (Fotos 1 y 2).

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Foto 1 Componentes

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Foto 2 Detalle soldadura

PRUEBAS DE SOLDADURA.- Para llevar a cabo este estudio se han empleado los dos tipos de láser comentados, los cuales tienen sus propias y diferenciadas características. Nd- YAG.- El láser empleado de 3 kw de potencia es excitado por lámparas en régimen continuo y su haz es guiado a través de fibra de 600 µm hasta el cabezal de enfoque, que lo focaliza con una lente de 150 mm de longitud focal, a un Φ de foco de 450 µm. La longitud de onda de este láser (1064 nm) resulta totalmente transparente al plasma que se forma en la soldadura, por lo que no es necesario el aporte de gas para el control del plasma ni para la protección de la soldadura. La distribución de energía de este láser es uniforme o de la forma multi modo, con alta divergencia del haz ( 25 mm/mrad).

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Por otra parte el láser de CO

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empleado ha sido de 2.5 Kw de potencia

emitiendo en forma continua, el cual se conduce a través de espejos planos hasta el cabezal de focalización donde un espejo parabólico cóncavo

de

longitud focal 250 mm lo focaliza a Φ 0.45 mm, . El plasma que este láser genera en la soldadura sí que es opaco a la radiación láser de longitud de onda 10.640 nm, en la que este láser emite. De esta forma se requiere el control del plasma, para lo que se añaden 20 l/ min de Ar por tubo lateral y boquilla central, los cuales sirven, también, para proteger el cordón de soldadura frente la oxidación.

Laser CO2

Laser Nd-YAG

La forma de distribución de energía de este láser es gausiana con alta capacidad de concentración de la energía del haz debido a su baja divergencia (2 mm /mrad) (Foto 3). En ambos casos se ha posicionado el foco ligeramente metido en la superficie (- 1 mm) de la junta entre el tubo y brida, la cual ha sido previamente desengrasada con acetona. El movimiento de avance en la soldadura se consigue al mover las piezas a soldar por medio de un eje rotatorio controlado, tanto en velocidad como en posición, por CNC, por lo que el haz focalizado se mantiene fijo (foto 4).

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Modo GAUSIANO

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Modo MULTIMODO Foto 3

Soldadura Nd-YAG

Soldadura CO 2 Foto 4

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En la tabla 1 se muestran los parámetros de aquellas pruebas que mejor aspecto han presentado a la inspección visual, las cuales se han caracterizado metalográficamente. Ref CO2 NdYAG

Potencia Divergencia Velocidad Julios/mm Anchura Penetración Penetración/Anchura Kw mm/mrad m/min (mm) (mm) 2.5 2 1 150 1.7 4.7 2.7 2.7

25

0.7

231

2.7

4.7

1.7

Tabla 1 RESULTADOS.-

A fin de acometer una valoración más profunda de cada

prueba se han llevado a cabo ensayos de macrografía, micrografía y microdurezas en la zona de soldadura y ZAT. MACROGRAFÍA.- Por los medios convencionales se ha preparado y atacado con nital 4 una sección de cada soldadura de una zona transversal al cordón, con el fin de verificar la profundidad y forma del cordón, defectos internos, etc. En la soldadura hecha por Nd- YAG el cordón está totalmente centrado en la junta de unión, con una penetración de 4.7 mm y anchura en cabeza de 2.7 mm, sin defectos apreciables (poros o grietas) con una clara zona afectada alrededor

del cordón, sin mordeduras

ni defectos internos y ligero sobre-

espesor en cabeza. Para la misma penetración obtenida soldadura realizada por el láser CO

2

en el caso anterior ( 4.7 mm), en la se destaca la disminución de la anchura

en cabeza ( 1.7 mm) y en todo el cordón, con un aumento del sobre-espesor de cabeza. Tal como se ve en raíz, el cordón presenta un ligero desalineamiento con respecto a la junta a soldar con una ZAT estrecha (macrografía 1). Asimismo, en la Macro 2 se pueden observar con más detalle los aspectos de alineamiento del cordón / junta y algunos pequeños poros esféricos de 0.05 mm de diámetro, en la zona de raíz para ambas soldaduras.

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Soldadura Nd-YAG

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Soldadura CO2 Macrografía 1

Soldadura Nd- YAG

Soldadura CO2 Macrografía 2

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SOLDADURA y TECNOLOGIAS de UNION MICROGRAFIA.-

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Se han extraído probetas de la placa y el tubo a soldar, de

las cuales, tras prepararse por los métodos convencionales, se han atacado con nital 2 % observándose las siguientes microestructuras : La microestructura del tubo está formada

por perlita y ferrita equiaxial y

acicular. Así mismo, la estructura de la placa esta formada por una estructura ferrítico- perlítica

con granos equiaxiales y determinada presencia de

inclusiones no metálicas, las cuales se alienan en la dirección de laminación.

Microestructura del tubo x200

Microestructura de placa x200

En las siguientes micrografías se puede observar la microestructura de la ZAT en el lado del tubo para las soldaduras hechas por Nd- YAG y CO

2

, donde

sobre todo en la primera se destaca la presencia de colonias bainíticas originadas por el enfriamiento después de la soldadura de las estructuras de partida, ya comentadas en la micro anterior. La micrografía correspondiente a la misma zona pero con el láser de CO

2

destaca el afinamiento de la perlita,

originado por el rápido enfriamiento, con presencia de bainita. Igualmente, en las siguientes micros se muestra la microestructura de la ZAT en el lado de la placa para los láser Nd-YAG y CO2 , donde se destaca la microestructura de tipo bainítica sobre la ferrita-perlita de partida.

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ZAT Tubo. Soldadura Nd- YAG

ZAT Tubo. Soldadura CO 2

ZAT Brida. Soldadura Nd- YAG

ZAT Brida. Soldadura CO 2

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En las siguientes micros se puede ver que en la zona central del cordón, el crecimiento dendrítico marca la dirección del subenfriamiento del material al pasar del estado líquido al sólido en reducidos tiempos, este crecimiento parte de la línea de ZAT hacia el centro del cordón, donde convergen dichas líneas. En la misma zona pero a más aumentos se observan estructuras de bainita con un marcado aspecto acicular sobre perlita muy fina (Micrografía 5).

Centro de cordón. Soldadura ND- YAG

Centro de cordón. Soldadura ND- YAG

Soldadura láser CO2 vs Nd-YAG

Centro de cordón. Soldadura CO 2

Centro de cordón. Soldadura CO 2

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SOLDADURA y TECNOLOGIAS de UNION MICRODUREZAS. Sobre dos

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secciones soldadas por cada láser,

se ha

llevado a cabo un barrido de microdurezas transversal al cordón y sobre una línea horizontal paralela a la superficie y distante 1 mm con respecto a ésta. El barrido empieza en el metal base del tubo y finaliza en el metal base de la brida después de pasar por las ZAT correspondientes a cada material y por el cordón de soldadura. Así , el gráfico sirve para comparar la evolución de las durezas tanto en el cordón como en la ZAT en las diferentes soldaduras hechas con láser de Nd-YAG y CO 2

..

De esta forma, se puede ver que en la soldadura hecha por láser de CO

2

la

dureza es más elevada pero está más concentrada que en la del láser NdYAG de más baja dureza pero más extendida. Este aspecto se correlaciona con lo visto en las MACROGRAFÍAS de los dos cordones, en las cuales se han apreciado diferencias notables en la anchura de ambas soldaduras.

COMPARACIÓN MICRODUREZAS EN CORDON 500 450

DUREZAS VICKERS

400 350 300 CO2

250

Nd-YAG

200 150 100 50 0 0

0,4

0,8

1,2

1,6

2

2,4

2,8

3,2

3,6

4

4,4

4,8

DISTANCIAS (mm)

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CONCLUSIONES.Como conclusión del estudio comparativo de los dos tipos de láser (Nd-YAG y CO2) más empleados industrialmente en la soldadura industrial, se puede decir lo siguiente: •

La soldadura con ambos láser ha cumplido con los requerimientos de penetración especificados, por lo visto tras el estudio macro. Además, no se han detectado porosidades significativas ni otro tipo de defectos tras la soldadura, incluso para el caso del Nd- YAG que se soldó al aire o sin asistencia de gas de aporte.

•

La mayor concentración de energía del láser de CO

2 ,

gracias a la

menor divergencia de su haz focalizado, hace que, para conseguir igual penetración, la energía aplicada en el CO

2

(150 julios/ mm) sea inferior

que la aplicada al Nd- YAG. (231 julios/mm). •

La velocidad de enfriamiento y transformación del material en la soldadura y ZAT es inversamente proporcional a la energía aplicada. Así, la soldadura por láser de CO 2 ha arrojado valores de microdurezas superiores en zonas más reducidas que la de Nd- YAG, donde los mayores valores energéticos han originado opuestos resultados. Este hecho está relacionado con las mayores velocidades de enfriamiento de la soldadura menos energética, las cuales pudieron originar mayores transformaciones del material que las de mayor valor energético donde las velocidades de enfriamiento fueron inferiores .

•

La energía aplicada es directamente proporcional a la anchura del haz e inversamente proporcional al riesgo de desalineamiento de éste con respecto a la junta de soldadura. Así en el caso de la soldadura por NdYAG no se ha visto el desalineamiento en raíz detectado en la soldadura de CO

2.

a pesar del cuidado puesto en el seguimiento de junta en

ambas pruebas. •

La baja oxidación del cordón de soldadura, unida la alta transparencia del plasma generado en la soldadura por Nd- YAG a la longitud de onda

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de este láser (1064 nm), permite realizar la soldadura al aire. Sin embargo, el plasma generado en la soldadura por CO

2

no es

transparente a la longitud de honda que este láser emite (10640 nm), por lo que en este caso se tiene una total dependencia del aporte de gas (Ar), de más alto potencial de ionización que el aire, para evitar discontinuidades y defectos generados por la absorción del haz por el plasma formado en la soldadura. •

El proceso de soldadura en general por ambos láser resulta altamente productivo y totalmente industrializado, tal como lo demuestran las numerosas aplicaciones industriales que cualquiera de los dos tipos de láser están llevando a cabo, no obstante se ha de considerar los aspectos técnicos y económicos para en cada caso tomar una decisión en la aplicación de uno u otro láser.

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