Los avances en la soldadura láser, debidos en gran medida a la aplicabilidad y asequibilidad de los láseres de fibra de alta potencia, han hecho que sea cada vez más común en muchos entornos de fabricación. La soldadura láser es muy atractiva debido a su mínimo impacto térmico, velocidad, precisión y repetibilidad.
A pesar de su creciente omnipresencia, la soldadura por láser no está exenta de retos ni es inmune a los defectos de soldadura. Al igual que cualquier otra forma de soldadura industrial, como la soldadura por arco, la soldadura por resistencia y la soldadura por haz de electrones, la soldadura por láser puede ser vulnerable a inconsistencias en el proceso que dan lugar a una soldadura defectuosa.
No es de extrañar, pues, que hayan surgido diversas técnicas y tecnologías de control de calidad (QA) de la soldadura láser para detectar, e incluso prevenir, las soldaduras láser defectuosas.
En este artículo, proporcionaremos una visión general del control de calidad de la soldadura láser, desde los enfoques tradicionales hasta las técnicas actuales de supervisión y medición directa.
Definición de una soldadura láser «deficiente»
En pocas palabras, una soldadura láser defectuosa es aquella que compromete la forma, la función o la seguridad del producto final. La primera no es un problema habitual en la soldadura láser, al menos una vez que se han ajustado los parámetros del proceso. Sin embargo, los fabricantes deben ser diligentes, especialmente en aplicaciones de microsoldadura, para garantizar que los defectos de la soldadura láser no afecten a la eficiencia eléctrica, reduzcan la resistencia a largo plazo o causen daños a los componentes sensibles.
En el mejor de los casos, los defectos de soldadura interrumpen el proceso de fabricación antes de que se complete, lo que obliga a los fabricantes a reelaborar o desechar productos valiosos, medidas que cuestan tiempo y dinero. En el peor de los casos, los defectos de soldadura provocan fallos en los productos y retiradas del mercado.
Dado que los defectos de soldadura láser pueden presentarse de diversas formas, es importante identificarlos y comprenderlos.
Falta de penetración: se produce cuando el rayo láser no penetra lo suficientemente profundo en el material objetivo. La falta de penetración puede causar problemas de resistencia y conductividad en el producto final.
Penetración excesiva: se produce cuando el rayo láser penetra demasiado profundamente en el material objetivo. También denominada «quemadura», la penetración excesiva puede dañar componentes sensibles en aplicaciones como la soldadura de baterías.
Salpicaduras: causadas por la inestabilidad del baño de soldadura fundido, las salpicaduras son metal fundido que a menudo cae y se fusiona con las superficies alrededor de la soldadura. Las salpicaduras pueden provocar cortocircuitos en piezas como las baterías, lo que podría dar lugar a un sobrecalentamiento y a un fallo catastrófico.
Porosidad: las soldaduras láser porosas son aquellas que tienen burbujas de gas o cavidades atrapadas en la soldadura enfriada. La porosidad, que puede reducir la resistencia de la soldadura, puede ser causada por una agitación excesiva y un enfriamiento rápido del baño de soldadura.
Agrietamiento: debido al enfriamiento rápido y otras tensiones metalúrgicas, la soldadura láser puede provocar agrietamientos, visibles o no. Los agrietamientos no siempre son visibles a simple vista.
Falta de fusión: también conocida como fusión incompleta, la falta de fusión se produce cuando el metal de soldadura no se fusiona completamente con el metal base y puede deberse a una mala alineación o a la contaminación de la superficie.
Los defectos de soldadura pueden prevenirse en gran medida optimizando los parámetros y las tecnologías láser. Por ejemplo, los láseres de doble haz utilizan un haz central y un haz anular para estabilizar el baño de soldadura, lo que elimina prácticamente las salpicaduras y la porosidad.
Sin embargo, los defectos de soldadura pueden seguir siendo causados por problemas como un mal ajuste, la contaminación del material objetivo o de la óptica, y la degradación de los componentes del láser.
Garantía de calidad de la soldadura láser tradicional
El control de calidad tradicional de la soldadura láser se puede dividir en dos tipos básicos: destructivo y no destructivo.
Las pruebas destructivas se basan en la destrucción de una pieza soldada para inspeccionar visualmente y medir la calidad de la soldadura. Por ejemplo, en las pruebas de tracción, se tira de una pieza hasta que se rompe para medir la resistencia de la soldadura. Aunque menos dramática físicamente, el grabado con ácido es una técnica destructiva que se utiliza para comprender mejor la penetración, la fusión o la porosidad de una soldadura.
Las pruebas destructivas suelen requerir mucho tiempo, ser costosas o ambas cosas. Además, aunque son muy eficaces para medir la calidad de una soldadura, las pruebas destructivas, por definición, no pueden aplicarse a todas las piezas o conjuntos. Esto significa que sus resultados deben servir para sacar conclusiones sobre todo un lote, lo que conlleva un riesgo y una incertidumbre inevitables.
En comparación, el control de calidad de soldaduras láser no destructivo incluye métodos posteriores al proceso, como pruebas ultrasónicas o radiográficas, que no dañan las soldaduras ni las piezas. Las pruebas ultrasónicas utilizan vibraciones mecánicas que atraviesan la soldadura sin una pérdida significativa de señal, a menos que se detecte una anomalía, ya que una mayor pérdida suele indicar defectos más preocupantes. Las pruebas radiográficas utilizan radiación para penetrar en la soldadura y crear una imagen de su estructura interna, que luego debe analizarse.
Técnicamente, estos métodos tradicionales no destructivos pueden aplicarse a todas las soldaduras. Sin embargo, esto casi nunca es factible, ya que resulta demasiado costoso y requiere mucho tiempo. Al igual que con los ensayos destructivos, los ensayos no destructivos deben utilizarse para inferir la calidad de lotes completos de piezas.
¿Qué es la monitorización de soldadura láser?
La supervisión de soldaduras láser es un término general que hace referencia a una variedad de métodos utilizados para examinar o recopilar información sobre la soldadura mientras se realiza, también conocida como «en proceso» o «en tiempo real».
La supervisión de soldaduras por láser resulta atractiva porque es capaz de proporcionar datos sobre cada soldadura sin ralentizar el proceso y eliminando la necesidad de costosos y largos pasos tradicionales de control de calidad. Las técnicas durante el proceso pueden reducir en gran medida la incertidumbre y son sorprendentemente rentables.
Tipos de monitorización de soldadura láser
Existen diversos métodos de supervisión de la soldadura láser, cada uno con sus ventajas e inconvenientes.
Monitorización de emisiones acústicas: método utilizado para evaluar la calidad de la soldadura láser mediante la conversión de las ondas sonoras generadas durante el proceso de soldadura en señales eléctricas. La monitorización de emisiones acústicas suele utilizar sensores situados en la superficie de las piezas soldadas, pero también se pueden utilizar sensores sin contacto. El análisis de los datos acústicos se puede correlacionar con indicadores clave de la calidad de la soldadura, como la penetración y la formación de grietas.
Aunque es bastante versátil y fácil de integrar, la monitorización de emisiones acústicas es susceptible al ruido ambiental y ofrece una visión limitada de las características y geometrías reales de las soldaduras.
Radiografía durante el proceso: el equivalente «en tiempo real» de la radiografía tradicional de soldaduras, la radiografía durante el proceso puede ayudar a visualizar el comportamiento del baño de soldadura, así como la soldadura final.
La radiografía durante el proceso se utiliza principalmente con fines de investigación, ya que este método es costoso y difícil de utilizar en entornos de fabricación productivos.
Procesamiento de imágenes: mediante el uso de cámaras térmicas o de luz visible y visión artificial, es posible generar imágenes del proceso de soldadura láser en tiempo real. Esto permite obtener imágenes detalladas de las soldaduras, pero puede requerir el uso de varias cámaras para capturar los detalles adecuados. Aun así, el procesamiento de imágenes no proporciona una vista detallada de las geometrías internas de las soldaduras.
Detección óptica: los métodos de detección óptica, que suelen basarse en espectrometría, pirómetros o fotodiodos, capturan la luz y la convierten en datos sobre el proceso de soldadura láser. Aunque estos métodos producen más datos que algunos métodos de supervisión de soldadura láser, se basan en indicadores indirectos de soldadura, como la luz reflejada, la temperatura y el humo de soldadura, en lugar de examinar en detalle las geometrías reales de la soldadura.
Imagen coherente en línea (ICI): la imagen coherente en línea, un tipo de tomografía de coherencia óptica (OCT), es un método probado para la medición directa in situ de soldaduras láser (a diferencia de la supervisión de soldaduras láser).
Los sistemas IPG LDD utilizan una versión patentada de ICI diseñada y utilizada en una amplia gama de aplicaciones de soldadura láser. Los sistemas LDD utilizan un rayo láser de baja potencia disparado junto al rayo de soldadura para medir directamente geometrías críticas de la soldadura, como la profundidad de la misma. A pesar de funcionar en tiempo real junto con el proceso de soldadura, LDD proporciona mediciones extremadamente precisas (con una precisión de unas pocas micras) de cada soldadura.
Las ventajas de la medición de soldaduras láser frente a la monitorización
La medición de soldaduras láser es un tipo de supervisión de soldaduras láser. Sin embargo, no toda la supervisión de soldaduras láser puede considerarse medición, al menos en lo que respecta a la geometría real de la soldadura.
En última instancia, cualquier enfoque que no mida directamente la geometría de cada soldadura obliga a los fabricantes a hacer concesiones en cuanto al rendimiento, la eficiencia o la tolerancia al riesgo.
Por ejemplo, las técnicas de supervisión que se basan en indicadores como la columna de humo de la soldadura pueden proporcionar una estimación semiexacta de la profundidad de la soldadura. Sin embargo, estas estimaciones distan mucho de ser perfectas, por lo que es necesario aplicar un margen de seguridad. Aunque los datos de supervisión puedan sugerir que una soldadura es buena, si se encuentra lo suficientemente cerca de los límites de aceptabilidad, es más seguro volver a trabajar esa pieza o desecharla. Dependiendo de la tolerancia al riesgo del fabricante, se pueden perder innecesariamente cientos de piezas al día.
El objetivo de la medición de soldaduras por láser es reducir drásticamente ese margen de seguridad. Al proporcionar una medición directa de la soldadura a nivel micrométrico, el margen de aceptabilidad puede ampliarse considerablemente, al tiempo que se proporciona tranquilidad y datos históricos sobre cada soldadura.
Industrias que se benefician de la medición láser en tiempo real de soldaduras
En sectores como la soldadura de baterías, los vehículos eléctricos y la fabricación de dispositivos médicos, las implicaciones en materia de seguridad son elevadas y el control de calidad es fundamental. En aplicaciones de alto riesgo, la medición en tiempo real de la soldadura láser no solo puede marcar la diferencia a la hora de reducir los residuos y los costes, sino también de aumentar la seguridad.
Además, los dispositivos electrónicos de consumo, como teléfonos inteligentes, tabletas y ordenadores portátiles, que requieren una inspección en línea de precisión, pueden beneficiarse de la medición de soldaduras láser.
Con el constante avance de la tecnología de medición de soldaduras láser en tiempo real, las industrias que priorizan la resistencia sobre la velocidad también pueden beneficiarse. Por ejemplo, industrias como la construcción naval, donde las soldaduras que soportan cargas tienen estrictos estándares de calidad, se benefician de las ventajas de medir directamente la profundidad de las soldaduras láser de penetración profunda.
Introducción a una solución láser
La medición de soldaduras láser en tiempo real de IPG ayuda a los fabricantes a detectar defectos en las soldaduras, evitar retiradas de productos y reducir los desechos y las repeticiones innecesarias.
Empezar es fácil: envíenos algunas piezas de muestra, visite uno de nuestros laboratorios de aplicaciones globales o simplemente cuéntenos cuál es su aplicación.
