La soldadura del cobre con tecnología láser ha revolucionado la fabricación, resolviendo problemas como la baja absorción del láser y la alta conductividad térmica del cobre. Este artículo explora cómo los láseres de fibra de alta potencia producen uniones estables y sin defectos, cruciales para industrias como la electrónica de consumo y la automoción. Dominando estas técnicas, los fabricantes pueden conseguir soldaduras eficientes y de alta calidad. Descubra las particularidades de los tipos de láser, los índices de absorción y las ventajas del control dinámico del haz en la soldadura de cobre. Sumérjase en los avances tecnológicos que están dando forma al futuro de la soldadura del cobre.
Las industrias de la electrónica de consumo y la automoción desempeñan un papel crucial en el impulso de la utilización del cobre en el procesamiento industrial y la fabricación de productos.
A medida que se desarrolla una nueva tecnología de baterías con mayor capacidad, también aumenta la necesidad de una tecnología de conexión compatible.
A pesar de que la soldadura blanda sigue siendo la principal tecnología para las aplicaciones de electrónica de consumo de bajo consumo, debe emplearse en situaciones en las que exista una elevada corriente de transmisión o una gran carga y tensión dinámica en las uniones.
Esta tendencia está especialmente influenciada por la industria de vehículos eléctricos y sus proveedores, que buscan procesos robustos y eficientes para operaciones de producción en masa como el almacenamiento de energía y la transmisión de líneas.
En el pasado, las propiedades físicas del cobre y sus aleaciones limitaban el uso de la tecnología láser para la soldadura.
Sin embargo, la llegada de los láseres de fibra de alta potencia y brillo ha superado estas limitaciones.
Con el desarrollo de una tecnología de procesado nueva y adecuada, se pueden producir uniones estables y sin defectos mediante una eficiente proceso de soldadura.
Las dificultades en soldadura láser cobre se deben a dos de sus propiedades físicas: la baja absorción de la mayoría de los láseres industriales de alta potencia y la alta conductividad térmica durante el proceso.
La absorción del cobre aumenta a medida que disminuye la longitud de onda, lo que hace que los láseres de banda visible, como los láseres verdes con una longitud de onda de 532 nm, sean muy adecuados para soldadura de cobre. Sin embargo, estos láseres no están disponibles o no han sido probados a fondo para el rango de potencia necesario para la mayoría de los láseres. aplicaciones de soldadura.
Fig. 1: Soldadura de cobre sin defectos mediante el proceso de oscilación del haz a alta velocidad
Los láseres infrarrojos se enfrentan a problemas de absorción cuando trabajan con materiales sólidos.
Durante la soldadura por penetraciónSi el material se funde o evapora, su índice de absorción aumenta considerablemente.
El índice de absorción del cobre sólido es inferior a 4%, pero el índice de absorción del vapor de cobre (generado durante la soldadura por penetración profunda en el ojo de la cerradura) es superior a 60% (consulte la tabla siguiente).
Este problema de absorción puede resolverse utilizando una densidad de potencia muy alta, que acelera la fusión y evaporación del cobre y, por tanto, potencia su absorción.
Tabla: absortividad del cobre al infrarrojo cercano radiación láser en diferentes estados.
| Estado | Tasa de absorción (%) |
| Sólido | 40 |
| Líquido | 10 |
| Penetración por el ojo de la cerradura | >60 |
El análisis de vídeo de alta velocidad demuestra que se puede establecer un proceso estable en menos de 1 milisegundo.
Para la soldadura de onda continua (CW), este reto debe superarse al inicio del proceso de soldadura. Una vez que se ha establecido el proceso de soldadura por chavetero, éste proporciona una tasa de absorción elevada y constante. En el funcionamiento por pulsos, este obstáculo debe superarse al principio de cada pulso.
La alta densidad de potencia necesaria para la soldadura puede conseguirse utilizando un láser de fibra monomodo. Este tipo de láser tiene una calidad de haz y un rendimiento de enfoque superiores a los de otros láseres de estado sólido.
IPG ofrece láseres monomodo de alta potencia de hasta 10 kW y láseres multimodo de alto brillo que superan los 10 kW, con diseños sólidos y probados industrialmente.
Utilizando estos láseres de fibra monomodo y láseres de alto brillo con modo de bajo orden, se pueden alcanzar intensidades superiores a 108 W/cm². Se puede conseguir un acoplamiento fiable incluso a niveles de potencia de cientos de vatios.
En comparación con los láseres multimodo ordinarios de la misma potencia, la intensidad de estos láseres es hasta 50 veces mayor.
IPG ofrece la serie YLR de láseres de fibra monomodo con un rango de potencia de 100 W a 1000 W, alojados en un chasis compacto de 19″. La empresa también ofrece la serie YLS de láseres de fibra con potencias de hasta 10 kW (Figura 2).
La eficiencia global de ambas series es de 40%.
Fig. 2: Láser de fibra monomodo de alta potencia: bastidor refrigerado por aire tipo YLR-1000-SM (izquierda) y sistema de 3 kW tipo YLS-3000-SM (derecha).
Otro problema del proceso de soldadura del cobre es la inestabilidad que se produce a bajas velocidades de soldadura.
Normalmente, las velocidades de soldadura inferiores a 5 metros por minuto se enfrentan a problemas de inestabilidad como salpicaduras, porosidad y superficies de soldadura irregulares.
Sin embargo, a medida que aumenta la velocidad de soldadura, estas inestabilidades desaparecen gradualmente.
A velocidades de soldadura de entre 5 y 15 metros por minuto, la calidad alcanza un nivel aceptable.
Si la velocidad de soldadura supera los 15 metros por minuto, la soldadura resultante carece en gran medida de defectos (figura 3).
Esto sugiere que los parámetros óptimos de soldadura entran dentro de las capacidades de los sistemas de movimiento tradicionales, como los robots.
Fig. 3: Efecto de la velocidad de procesamiento en calidad de la soldadura y profundidad de soldadura.
Una nueva investigación ha demostrado que la estabilidad del proceso puede lograrse no sólo aumentando la velocidad de soldadura, sino también cambiando dinámicamente la posición de la lente que guía el haz.
Esta tecnología oscilante permite formar uniones soldadas estables a velocidades de soldadura relativamente bajas y reduce significativamente la profundidad de soldadura.
Gracias a esta tecnología, se puede conseguir una soldadura de cobre de alta calidad con una profundidad de hasta 1,5 mm utilizando únicamente un láser de fibra monomodo con una potencia de 1 kW.
La misma tecnología puede aplicarse a los láseres multimodo de alto brillo.
En las pruebas se utilizó un láser de fibra de 6kW con una calidad de haz de 2 mm mrad, y se comprobó que el altosoldadura de calidad con una profundidad de soldadura de 5 mm.
Fig. 4: Oscilación de las series FLW-D30 y FLW-D50 uniones soldadas lanzado por IPG
El control dinámico del haz puede lograrse mediante el uso de un galvanómetro de barrido tradicional o de un nuevo cabezal oscilante, que combina las ventajas de una unión soldada de eficacia probada y un galvanómetro de barrido.
Estos galvanómetros pueden incorporar fácilmente formas preprogramadas, como círculos, líneas o una "forma de 8", así como formas libremente programables dentro de un determinado tamaño.
Una de sus principales ventajas es que puede utilizar una lente de enfoque estándar en lugar de un espejo de campo f-theta, y puede manejar una mayor densidad de potencia a un nivel de desplazamiento de enfoque más bajo.
Además, el uso de una cortina de aire transversal convencional y una ventana protectora reduce el coste de los consumibles.
Las series FLW-D50 y FLW-D30 de swing juntas de soldadura lanzadas por IPG pueden funcionar a frecuencias de oscilación de hasta 1 kHz e integrarse perfectamente en diversos sistemas de procesamiento (figura 4). Estas juntas soldadas pueden soportar potencia del láser hasta 12 kW.
Cuando se suelda una trayectoria compleja con direcciones de soldadura cambiantes, el movimiento de oscilación circular produce los mejores resultados.
La velocidad final del haz puede controlarse con precisión mediante la frecuencia de oscilación y el diámetro de oscilación (VC = πD f).
En la mayoría de los casos, el impacto del vector de velocidad de soldadura (VW) en el posicionamiento dinámico de la velocidad del haz circular (VC) es mínimo, ya que la velocidad del haz es mucho más rápida que la velocidad de soldadura (VW).
Fig. 5: Efecto de la amplitud de oscilación sobre la anchura y la calidad de la soldadura
El ajuste ideal de la frecuencia depende del tamaño del punto, del diámetro de oscilación (y de la velocidad del haz circular resultante, VC) y de la velocidad de soldadura lineal.
La figura 5 ilustra la superficie de soldadura con potencia láser, frecuencia y velocidad de soldadura constantes, pero con diámetros de oscilación variables.
El tamaño del punto es de aproximadamente 30 μm a una distancia focal de 300 mm. La potencia del láser se mantiene constante en 1 kW y la velocidad de soldadura lineal se establece en 1 metro por minuto.
Sin movimiento de vaivén, estos parámetros darían lugar a un proceso inestable, como charcos y poros fundidos sobrecalentados.
A medida que aumenta el diámetro de oscilación y mejora la velocidad del haz circular, la calidad de la superficie es cada vez más estable.
Dependiendo de los parámetros de oscilación y del tamaño del punto, el haz y el ojo de cerradura pueden moverse tanto en el baño metálico como en los materiales sólidos y resólidos, y el proceso puede seguir alcanzando la estabilidad en ambos casos.
La sección transversal de la soldadura muestra otra ventaja de esta tecnología: el diámetro de oscilación puede utilizarse para dar forma a la sección transversal de la soldadura.
Un diámetro de oscilación pequeño forma una sección transversal en V típica de la soldadura láser, mientras que un diámetro mayor puede transformar la soldadura de una forma en V a una forma en U o un rectángulo regular (Figura 6).
Fig. 6: Efecto de la amplitud de oscilación en sección transversal de la soldadura
Cuando el aporte de energía por unidad de longitud de la soldadura permanece constante (E = P vw), la sección transversal de la soldadura prácticamente no varía. Esta tecnología le permite cumplir los requisitos específicos de sección transversal para diversas aplicaciones.
En el caso de la soldadura por solapamiento para contactos eléctricos, la resistencia puede reducirse aumentando el área de contacto y controlando adecuadamente tanto la profundidad de soldadura como el aporte de calor.
En soldadura de materiales distintosEn el caso de los metales fundidos, como el cobre y el aluminio, la relación de fusión de los materiales puede regularse controlando la profundidad de soldadura. Fundiendo a poca profundidad la placa metálica inferior, la cantidad de material fundido puede mantenerse al mínimo, y la formación de compuestos intermetálicos puede reducirse controlando la relación de dilución.
En los últimos años se han introducido en el mercado láseres de fibra de pulso largo con duraciones de pulso de varios milisegundos, que sustituyen a los láseres Nd: YAG bombeados por lámpara de flash tradicionales en una amplia gama de aplicaciones. Estos láseres incluyen láseres monomodo con una potencia media de 250 W y una potencia de pico de hasta 2,5 kW.
Anteriormente, la cuestión del pulso soldadura de cobre . Es crucial abordar el problema de la débil absorción al inicio del pulso y las dificultades subsiguientes para controlar la entrada de energía debido a los cambios repentinos en la absortividad y la conducción del calor.
El uso de un láser monomodo para reducir el tamaño del punto puede evitar el problema de la absorción, pero al mismo tiempo, la entrada de energía concentrada puede dar lugar a juntas de soldadura pequeñas y débiles y al sobrecalentamiento de la masa fundida.
La solución a este problema es sencilla y similar al proceso utilizado para los láseres continuos. La misma tecnología de oscilación puede aplicarse a los láseres casi continuos (QCW).
El movimiento de alta frecuencia del haz hace que el haz láser se desplace una distancia relativamente larga en un tiempo de impulso relativamente corto, realizando de forma efectiva la cuasisoldadura continua durante un pulso. Por ejemplo, un pulso de 20 ms de duración a una frecuencia de oscilación de 600 Hz puede producir uniones soldadas circulares o soldaduras de hilo corto compuestas por doce haces giratorios.
Añadiendo pulsos uno a uno a las soldaduras lineales, se puede conseguir una soldadura de cobre de alta calidad con una potencia media baja y el correspondiente bajo coste de inversión. La solidificación y refundición entre pulsos no provocará defectos de soldadura como poros, salpicaduras fuertes o profundidad de penetración desigual.
El diámetro de oscilación determina el tamaño y la profundidad de la soldadura, y el aporte de calor es mucho menor, lo que facilita la soldadura de componentes eléctricos clave con un láser de fibra pulsada.
Los experimentos han demostrado que los láseres de fibra de alto brillo pueden resolver eficazmente todos los problemas conocidos en las aplicaciones de soldadura de cobre. La alta densidad de potencia de estos láseres permite la formación instantánea de bocallaves y garantiza la estabilidad y la alta absortividad, incluso a la longitud de onda de 1070 nm.
Gracias a la oscilación dinámica del haz, el proceso de soldadura es muy estable, lo que reduce o elimina la porosidad y las salpicaduras para producir soldaduras de alta calidad. Los parámetros de oscilación del haz también pueden ajustarse para controlar la geometría de la soldadura, lo que da lugar a soldaduras poco profundas en procesos de soldadura de penetración profunda.
Utilizando un láser de fibra cuasicontinuo de pulso largo, soldadura por puntos puede lograrse en un solo pulso gracias al movimiento dinámico de alta velocidad del haz. Aumentando gradualmente el número de pulsos, pueden conseguirse soldaduras de alta calidad con una potencia media baja.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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