ES2306816T3 - Procedimiento e instalacion de soldadura laser con una mezcla gaseosa n2/he, en cantidades controladas en funcion de la potencia laser. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de soldadura por rayo láser empleando una mezcla gaseosa de protección que contiene nitrógeno y helio, en la cual la proporción de nitrógeno y/o helio en dicha mezcla gaseosa es escogida o ajustada en función de la potencia o de la densidad de potencia de dicho rayo láser, caracterizado porque la proporción de helio en la mezcla gaseosa es aumentada cuando la potencia láser o la densidad de potencia aumenta.
Description
Procedimiento e instalación de soldadura láser
con una mezcla gaseosa N_{2}/He, en cantidades controladas en
función de la potencia láser.
La presente invención se relaciona con un
procedimiento de soldadura por rayo láser según el preámbulo de la
reivindicación 1.
En la industria, se conoce que el rayo láser es
usado para cortar o soldar una o más piezas metálicas. Al respecto,
se pueden citar los siguientes documentos:
DE-A-2713904,
DE-A-4034745,
JP-A-01048692,
JP-A-56122690, WO 97/34730,
JP-A-01005692,
DE-A-4123716,
JP-A-02030389,US-A-4,871,897,
JP-A-02030389,
JP-A-62104693,
JP-A-01005692,
JP-A-01005693,
JP-A-01005694,
JP-A-02020681,
JP-A-02020682,
JP-A-02020683,
WO-A-88/01553,
WO-A-98/14302,
DE-A-3619513 y
DE-A-3934920.
De igual forma, el documento
EP-A-527 229 describe un
procedimiento, según el preámbulo de la reivindicación 1,
relacionado con la soldadura láser de placas de acero revestidas de
zinc utilizando un gas que contiene argón y oxígeno. El oxígeno se
combina con el zinc para formar óxidos y mejorar la calidad de la
soldadura de esta forma realizada.
La soldadura por rayo láser es un procedimiento
de soldadura muy eficaz puesto que permite obtener, a grandes
velocidades, profundidades de penetración muy importantes si se
comparan con otros procedimientos más tradicionales, tales como la
soldadura plasma, la soldadura MIG (Metal Inert Gas) o la soldadura
TIG (Tungsten Inert Gas).
Esto se explica por las fuertes densidades de
potencias que se manifiestan durante la focalización, ya sea por
uno o varios espejos o lentes, del rayo láser al nivel del plano de
unión de las piezas que se deben soldar, por ejemplo densidades de
potencia que pueden sobrepasar los 10^{6} W/cm^{2}.
Estas fuertes densidades de potencia provocan
una fuerte vaporización en la superficie de las piezas que, al
distenderse en la parte exterior, induce a un ahuecamiento
progresivo del baño de soldadura y conduce a la formación de un
capilar de vapor estrecho y profundo, denominado
"keyhole" en inglés (= "ojo de la cerradura") en
el grosor de las chapas, es decir, al nivel del plano de unión.
Este capilar hace posible un depósito directo de
la energía del rayo láser con profundidad en la chapa, contrastando
con los procedimientos de soldadura más tradicionales donde el
depósito de energía se localiza en la superficie.
Este capilar está constituido por una mezcla de
vapores metálicos y por plasma de vapores metálicos cuya
particularidad consiste en absorber el rayo láser y por
consiguiente retener la energía en el seno del propio capilar.
Una de las problemáticas de la soldadura láser
es la formación de un plasma de gas de cobertura.
En efecto, este plasma de vapores metálicos, al
propagarse en electrones libres el gas de cobertura o gas de
protección, puede provocar la aparición de un plasma de gas de
cobertura perjudicial para la operación de soldadura.
El rayo láser incidente puede entonces ser
fuertemente, inclusive completamente absorbido y así conducir a una
reducción importante de la profundidad de la penetración, así como a
una pérdida de acoplamiento entre el rayo y la materia y por lo
tanto a una interrupción momentánea del proceso de soldadura.
El umbral de densidad de potencia a partir del
cual el plasma aparece depende del potencial de ionización del gas
de cobertura utilizado y es inversamente proporcional al cuadrado de
la longitud de onda del rayo láser.
De este modo, resulta muy difícil soldar con
argón puro con un láser de tipo CO_{2}, mientras que esta
operación puede ser realizada con mucha menos dificultad con un
láser de tipo YAG.
En general, en la soldadura láser con CO_{2},
se utiliza como gas de cobertura el helio, que es un gas con alto
potencial de ionización y que permite prever la aparición del plasma
del gas de cobertura, cualquiera que sea la potencia del rayo láser
que se emplee.
Sin embargo, el helio tiene el inconveniente de
ser un gas oneroso y un número importante de usuarios de láser
prefieren utilizar otros gases o mezclas gaseosas menos onerosas que
el helio pero que permitan así y todo limitar la aparición del
plasma de gas de cobertura y por lo tanto obtener resultados de
soldadura similares a los obtenidos con el helio pero a un costo
menor.
De esta forma, existen en el plano comercial
mezclas gaseosas que contienen argón y helio, por ejemplo la mezcla
gaseosa que contiene un 30% en volumen de helio y el resto de argón,
comercializada con el nombre de LASAL^{TM} 2045 por la sociedad
L'AIR LIQUIDE^{TM}, las cuales permiten obtener sensiblemente los
mismos resultados que con el helio, para potencias láser CO_{2}
inferiores a 5 kW y siempre que las densidades de potencia
engendradas no sean tan significativas, es decir aproximadamente
superiores a los 2000 kW/cm^{2}.
Ahora bien, el problema que se presenta con este
tipo de mezcla Ar/He es que la misma no puede adaptarse a las
densidades de potencia láser más importantes, ya que el umbral de
creación del plasma de gas de protección es entonces
sobrepasado.
El objeto de la presente invención consiste por
tanto en solucionar este problema proponiendo un procedimiento de
soldadura por láser mejorado que puede emplear lásers de potencia
que sobrepasen los 15 a 20 kW y esto sin o minimizando la formación
de un plasma en el gas de protección, cualquiera que sea la potencia
o la densidad de potencia escogida.
La solución de la invención es entonces un
procedimiento de soldadura por rayo láser que emplea una mezcla
gaseosa de protección que contiene nitrógeno y helio, en la cual la
proporción de nitrógeno y/o de helio es escogida o ajustada en
función de la potencia o de la densidad de potencia de dicho rayo
láser.
Según el caso, el procedimiento de la invención
puede comprender una o varias de las características técnicas
siguientes:
- la potencia láser está comprendida entre 0,5
kW y 30 kW, preferiblemente entre 5kW y 20kW.
- la mezcla gaseosa de protección está
constituida por nitrógeno y/o helio, preferiblemente la mezcla
gaseosa contiene una proporción volumétrica de helio de 30% a 80%,
el resto siendo nitrógeno, y eventualmente impurezas
inevitables.
- la mezcla gaseosa se realiza in situ
mezclando cantidades determinadas de nitrógeno y helio.
- la mezcla gaseosa se realiza mediante un
sistema mezclador de gases sujeto a la potencia láser o a la
densidad de potencia empleada a fin de mezclar cantidades
controladas de nitrógeno y helio.
- se aumenta la proporción de helio en la mezcla
gaseosa cuando la potencia láser o la densidad de potencia
aumenta.
- la proporción volumétrica de helio en dicha
mezcla gaseosa está comprendida:
- \bullet
- entre 1 y 30% para una potencia de rayo láser comprendida entre 0.5 kW y 4kW,
- \bullet
- entre 30 y 50% para una potencia de rayo láser comprendida entre 4 kW y 8 kW, y/o
- \bullet
- entre 50 y 70% para una potencia de rayo láser comprendida entre 8 kW y 12 kW.
- la proporción volumétrica de helio en dicha
mezcla gaseosa está comprendida:
- \bullet
- entre 1 y 30% para una densidad de potencia del rayo láser comprendida entre 500 kW/cm^{2} y 2000k W/cm^{2},
- \bullet
- entre 30 y 50% para una densidad de potencia del rayo láser comprendida entre 2000 kW/cm^{2} y 4000 kW/cm^{2} y/o,
- \bullet
- entre 50 y 70% para una densidad de potencia del rayo láser comprendida entre 4000 kW/cm^{2} y 10 000 kW/cm^{2}.
\vskip1.000000\baselineskip
De preferencia el helio y el nitrógeno son
emitidos por una fuente única de gas en la cual el helio y el
nitrógeno son premezclados en proporciones deseadas a través, por
ejemplo, de un mezclador de gas.
Asimismo, la invención se relaciona con una
instalación de soldadura por rayo láser empleando una mezcla gaseosa
de protección que contiene nitrógeno y helio que comprende:
- al menos una fuente de nitrógeno,
- al menos una fuente de helio,
- medios de mezclado de gases para mezclar el
nitrógeno emitido por la fuente de nitrógeno con el helio emitido
por la fuente de helio,
- un dispositivo generador láser que libera un
rayo láser con una potencia láser de al menos 0,5 kW,
- medios de regulación que cooperan con dichos
medios de mezclado de gases a fin de ajustar las proporciones de
nitrógeno y/o helio en función de la potencia láser liberada del
dispositivo láser, para así aumentar la proporción de helio en la
mezcla gaseosa cuando la potencia láser o la densidad de potencia
aumenta.
Por otra parte, según el procedimiento de la
invención, la proporción volumétrica de helio (% He) en dicha
mezcla gaseosa en función de la densidad de potencia es tal que:
donde:
- In(\Phi_{P}) representa el
logaritmo neperiano de la densidad de potencia expresada en
kW/cm^{2}, y
- % He: el porcentaje volumétrico de helio en el
nitrógeno de la mezcla gaseosa.
De preferencia, la proporción volumétrica de
helio (% He) en dicha mezcla gaseosa en función de la densidad de
potencia es tal que:
\vskip1.000000\baselineskip
Preferentemente aún, la proporción volumétrica
de helio (% He) en dicha mezcla gaseosa en función de la densidad de
potencia es tal que:
\vskip1.000000\baselineskip
La invención ahora será mejor comprendida
gracias a las explicaciones dadas a continuación con referencia a la
figura anexada.
Como se explica a continuación, en soldadura por
rayo láser, un problema mayor que se plantea está vinculado a la
creación de un plasma de gas de cobertura nefasto en la operación de
soldadura debido a la absorción fuerte, incluso total, del rayo
láser que este engendra, trayendo consigo una reducción notable de
la profundidad de penetración, inclusive una pérdida de
acoplamiento entre el rayo láser y la materia a soldar, y por tanto,
una interrupción del proceso de soldadura.
Ahora bien, los inventores de la presente
invención demostraron que el umbral de aparición del plasma de gas
de cobertura estaba condicionado, para una densidad de potencia
láser tipo CO_{2} fijada, por la proporción volumétrica de helio
(en función de la del nitrógeno) en la mezcla gaseosa de helio y de
nitrógeno utilizada como gas de protección durante la operación de
soldadura y que esta proporción de helio debía variar en función de
la densidad de potencia del láser.
De esta forma, en la figura 1, se ha
representado (curva A) la evolución del umbral de aparición del
plasma en función de la densidad de potencia (en abscisas) y de la
proporción volumétrica del helio (en coordenadas) en la mezcla
formada de nitrógeno y helio, la suma de las cantidades de nitrógeno
y helio constituyen el 100% en vol. de la mezcla.
La curva A fue obtenida a partir del análisis de
la profundidad de penetración de cordones de soldaduras realizadas
con diferentes cantidades de helio en la mezcla, así como por examen
visual de la aparición o de la no aparición del plasma de gas de
protección durante el proceso de soldadura.
La densidad de potencia fue obtenida dividiendo
la potencia láser sobre la pieza por el diámetro de la mancha focal
obtenida con el láser considerado, previamente medida con un
analizador de rayo láser.
El dominio situado por encima de la curva A
representa el dominio donde, para la densidad de potencia
considerada, la cantidad de helio en el nitrógeno permite efectuar
un cordón de soldadura sin la aparición de un plasma de gas de
protección.
En el dominio situado por debajo de la curva A,
existe una distensión del gas de protección y por tanto la
presencia de un plasma de gas de protección.
Para tomar en cuenta las indeterminaciones
asociadas a la medida del diámetro (en micrones) de la mancha focal,
a aquella asociada a la cantidad de helio en la mezcla de nitrógeno
y de helio, y a la relacionada con la repartición de la energía en
la mancha focal, se han representado también tres rayos de curvas
(B,C), (D,E) y (F,G) en la Figura 1.
Las ecuaciones de estas curvas son del tipo:
donde:
- In(\Phi_{P}) representa el
logaritmo neperiano de la densidad de potencia expresada en
kW/cm^{2},
- % He: el porcentaje de helio en el nitrógeno,
y
- \mu: un valor que depende de la curva
considerada con: \mu=31 para la curva B, \mu=29 para la curva
C, \mu=31,5 para la curva D, \mu=28,5 para la curva E,
\mu=32,3 para la curva F, y \mu=28 para la curva G.
Así, en la zona del plano comprendido entre las
curvas F y G (respectivamente D y E o B y C), se puede elegir, para
la densidad de potencia considerada, la mezcla N_{2}/He la cual
permite obtener los mismos resultados que con el helio puro o con
una mezcla N_{2}/He situada por encima de la zona comprendida
entre las curvas F y G (respectivamente D y E o B y C).
En cambio, por debajo de esta zona, existe
siempre una distensión en el gas de protección y de ahí la aparición
de un plasma de gas de protección. La mezcla gaseosa determinada a
partir de estas curvas es entonces la mezcla óptima, o sea, la que
contiene la menor cantidad de helio y que sin embargo arroja los
mismos resultados que con el helio puro o con una mezcla con una
proporción de helio mayor.
El conjunto de estas curvas fue realizado a una
velocidad de soldadura de 3 m/mn sobre piezas de acero y sobre
acero inoxidable, con un espejo parabólico de foco 250 mm, 200 mm o
150 mm, y con la utilización de un láser CO_{2} cuyo factor de
calidad era de 4.
Como se muestra en la Figura 1, una mezcla de
helio y de nitrógeno con un 50% en volumen de nitrógeno da
profundidades de penetración y velocidades de soldadura
considerablemente iguales a las del helio puro para una densidad de
potencia láser CO_{2} de 5,3.10^{6} W/cm^{2}.
La invención puede ser también visualizada por
una representación de la evolución del umbral de aparición del
plasma de gas de protección en función de la cantidad de helio en el
nitrógeno, y de la potencia del láser empleado, como es
esquematizado en la Figura 2.
Esta otra representación, menos general que la
anterior, puede obtenerse partiendo de las curvas de la Figura 1 y
utilizando las relaciones siguientes:
donde: \Phi_{P} es la densidad
de potencia, P es la potencia láser utilizada y S la superficie de
la mancha
focal
donde: W_{0} es el haz de la
mancha
focal
donde: W_{F} es el haz del rayo
láser al nivel del espejo o de la lente de focalización en la
potencia considerada, M^{2} es el factor de calidad del rayo
láser que es en general un dato constructor (M^{2}= 1 para un
rayo Gaussien), \lambda es la longitud de onda del rayo láser
(10,6 \mum para un láser tipo CO_{2}) y f es la distancia focal
del espejo o del lente de
focalización.
De esta forma, se puede pasar indistintamente de
una representación de densidad de potencia (Figura 1) a una
representación de potencia (Figura 2), y a la inversa, con la ayuda
de las relaciones de arriba, para evaluar a partir de la potencia o
de la densidad de potencia utilizada, la mezcla de nitrógeno/helio
correspondiente.
La figura 2 fue obtenida aquí a partir de las
curvas de la Figura 1 y esto, para un factor de calidad de 4, una
distancia focal de 200 mm y un diámetro de rayo al nivel del espejo
de focalización de 28 mm.
De este modo, a 6 kW, con un focal de 200 mm,
para un láser de factor de calidad 4 y un diámetro del rayo al
nivel del espejo de focalización de 200mm, se puede utilizar una
mezcla de nitrógeno/helio que contenga 50% en volumen de cada uno
de estos compuestos.
La presente invención se basa por tanto en el
hecho de adaptar o ajustar la mezcla gaseosa N_{2}/He en función
de la potencia del láser o de la densidad de potencia utilizada de
manera de obtener una soldadura de calidad y con costos reducidos,
sin generación de plasma de gas de protección o con una generación
de plasma lo más débil posible.
De acuerdo a la invención, el ajuste de las
proporciones de los compuestos en la mezcla gaseosa puede realizarse
sobre la base de proporciones volumétricas, molares o de masa; no
obstante, se prefiere un ajuste volumétrico porque resulta más
simple.
Partiendo de ahí, la puesta en práctica de la
invención puede llevarse a cabo por la realización de una gama de
mezclas de gases embotellados, es decir bajo forma acondicionada,
con una cantidad de helio en el nitrógeno variable y adaptado en
función de la densidad de potencia o de la potencia láser.
Por ejemplo, en la tabla que se muestra a
continuación aparecen tres mezclas de N_{2}/He diferentes
adaptadas, respectivamente, a tres gamas de densidad de potencia
láser recomendada para llevar a cabo la invención.
Según sea el caso, la invención puede también
llevarse a cabo directamente in situ por un operario, antes
de comenzar la soldadura, por ejemplo a partir del almacenamiento de
helio y nitrógeno, de la mezcla gaseosa N_{2}/He mejor adaptada a
la densidad de potencia o a la potencia del láser utilizado y esto,
siguiendo las especificaciones de la figura anexada.
De forma alternativa, la mezcla N_{2}/He
deseada puede obtenerse igualmente por un mecanismo automático de
un mezclador de gases en función de la densidad de potencia o de la
potencia del láser utilizado y empleando la curva de la figura
anexada como curva guía.
El procedimiento de soldadura láser de la
invención está específicamente adaptado a la soldadura de piezas de
aluminio o aleaciones de aluminio, en acero inoxidable o en acero
blando.
El procedimiento de soldadura láser de la
invención puede ser utilizado en la soldadura de piezas de grosores
idénticos o diferentes comprendidos entre 0,1 mm y 300 mm.
Claims (13)
1. Procedimiento de soldadura por rayo láser
empleando una mezcla gaseosa de protección que contiene nitrógeno y
helio, en la cual la proporción de nitrógeno y/o helio en dicha
mezcla gaseosa es escogida o ajustada en función de la potencia o
de la densidad de potencia de dicho rayo láser, caracterizado
porque la proporción de helio en la mezcla gaseosa es aumentada
cuando la potencia láser o la densidad de potencia aumenta.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque la potencia láser está comprendida entre
0,5 kW y 30 kW, de preferencia entre 5 kW y 20 kW.
3. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque la mezcla
gaseosa de protección está constituida por nitrógeno y helio.
4. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la mezcla
gaseosa es realizada in situ mezclando cantidades
determinadas de nitrógeno y de helio.
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la mezcla
gaseosa es realizada por medio de un sistema mezclador de gases
sometido a la potencia láser o a la densidad de potencia empleada a
fin de mezclar cantidades controladas de nitrógeno y de helio.
6. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la mezcla
gaseosa contiene una proporción volumétrica de helio de 30% a 80%,
el resto de nitrógeno y eventualmente de impurezas inevitables.
7. Procedimiento según la reivindicación 1
caracterizado porque la proporción volumétrica de helio en
dicha mezcla gaseosa está comprendida:
- -
- entre 1 y 30% para una potencia del rayo láser comprendida entre 0,5 kW y 4 kW,
- -
- entre 30 y 50% para una potencia del rayo láser comprendida entre 4 kW y 8 kW, y/o
- -
- entre 50 y 70% para una potencia del rayo láser comprendida entre 8 kW y 12 kW.
8. Procedimiento según la reivindicación 1
caracterizado porque la proporción volumétrica de helio en
dicha mezcla gaseosa incluye:
- -
- entre 1 y 30% para una densidad de potencia del rayo láser comprendida entre 500 kW/cm^{2} y 2000 kW/cm^{2},
- -
- entre 30 y 50% para una densidad de potencia del rayo láser comprendida entre los 2000 kW/cm^{2} y 4000 kW/cm^{2}, y/o
- -
- entre 50 y 70% para una densidad de potencia del rayo láser comprendida entre los 4000 kW/cm^{2} y 10 000 kW/cm^{2}.
9. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque el helio y el
nitrógeno son emitidos por una fuente de gas única en la cual el
helio y el nitrógeno son pre-mezclados en
proporciones deseadas.
10. Instalación de soldadura por rayo láser con
el empleo de una mezcla gaseosa de protección que contiene nitrógeno
y helio que comprende:
- al menos una fuente de nitrógeno,
- al menos una fuente de helio,
- medios de mezclado de gases para mezclar el
nitrógeno emitido por la fuente de nitrógeno con el helio emitido
por la fuente de helio,
- un dispositivo generador láser que libera un
rayo láser con una potencia láser de al menos 0,5 kW,
- medios de regulación que cooperan con dichos
medios de mezclado de gases a fin de ajustar las proporciones de
nitrógeno y/o helio en función de la potencia láser liberada del
dispositivo láser, para así aumentar la proporción de helio en la
mezcla gaseosa cuando la potencia láser o la densidad de potencia
aumenta.
11. Procedimiento según la reivindicación 1
caracterizado porque la proporción volumétrica de helio (%
He) en dicha mezcla gaseosa en función de la densidad de potencia
es tal que:
donde:
- In(\Phi_{P}) representa el
logaritmo neperiano de la densidad de potencia expresada en
kW/cm^{2}, y
- % He: el porcentaje volumétrico de helio en el
nitrógeno de la mezcla gaseosa.
12. Procedimiento según la reivindicación 11,
caracterizado porque la proporción volumétrica de helio (%
He) en dicha mezcla gaseosa en función de la densidad de potencia
es tal que:
13. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 11 ó 12, caracterizado porque la proporción
volumétrica de helio (% He) en dicha mezcla gaseosa en función de
la densidad de potencia es tal que:
Applications Claiming Priority (2)
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