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SOLDADURA y TECNOLOGIAS de UNION CESOL

Soldadura láser CO2 vs Nd-YAG Página 1 de 13

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 diversos como el

aeronáutico, automóvil y 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



pieza acabada, sin posterior mecanizado y máxima resistencia al par torsor

(Fotos 1 y 2).



Foto 1 Componentes 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).



Por otra parte el láser de CO 2 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).



Modo GAUSIANO Modo MULTIMODO

Foto 3

Soldadura CO 2 Soldadura Nd-YAG

Foto 4



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 Potencia Kw

Divergencia mm/mrad

Velocidad m/min

Julios/mm Anchura (mm)

Penetración (mm)

Penetración/Anchura

CO2 2.5 2 1 150 1.7 4.7 2.7

Nd-YAG

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 en el caso anterior ( 4.7 mm), en la

soldadura realizada por el láser CO 2 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.



Soldadura Nd-YAG Soldadura CO2

Macrografía 1

Soldadura Nd- YAG Soldadura CO2

Macrografía 2



MICROGRAFIA.- 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.



ZAT Tubo. Soldadura Nd- YAG ZAT Tubo. Soldadura CO 2

ZAT Brida. Soldadura Nd- YAG ZAT Brida. Soldadura CO 2



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 CO 2

Centro de cordón. Soldadura ND- YAG Centro de cordón. Soldadura CO 2



MICRODUREZAS. Sobre dos 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 Nd-

YAG 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

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

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)

DUR

EZAS

VIC

KER

S

CO2Nd-YAG



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 Nd-

YAG 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



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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