SOLDADURA LASER CO 2 vs Nd-YAG ESTUDIO COMPARATIVO

Transcripción

SOLDADURA y TECNOLOGIAS de UNION
CESOL
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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CESOL
pieza acabada, sin posterior mecanizado y máxima resistencia al par torsor
(Fotos 1 y 2).
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Foto 1 Componentes
CESOL
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
2
CESOL
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
CESOL
Modo MULTIMODO
Foto 3
Soldadura Nd-YAG
Soldadura CO 2
Foto 4
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CESOL
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
CESOL
Soldadura CO2
Macrografía 1
Soldadura Nd- YAG
Soldadura CO2
Macrografía 2
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MICROGRAFIA.-
CESOL
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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CESOL
ZAT Tubo. Soldadura Nd- YAG
ZAT Tubo. Soldadura CO 2
ZAT Brida. Soldadura Nd- YAG
ZAT Brida. Soldadura CO 2
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CESOL
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
Centro de cordón. Soldadura CO 2
Centro de cordón. Soldadura CO 2
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MICRODUREZAS. Sobre dos
CESOL
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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CESOL
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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CESOL
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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SOLDADURA LASER CO 2 vs Nd-YAG ESTUDIO COMPARATIVO

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