El papel de los gases de protección en la soldadura láser
Metal, calor, gases y mucha destreza
Buena parte de la soldadura profesional de nivel especializado se lleva a cabo usando gases de protección, método por el cual la unión en sí se va resguardando y/o potenciando con el uso de ciertos gases que se soplan a presión sobre ella a medida que esta se va ejecutando y mientras que aún no se ha curado del todo.
La selección del gas afectará directamente la calidad, la eficiencia y el costo de producción de la soldadura. Escoger el adecuado implica considerar exhaustivamente el material a soldar, la reactividad del gas contra el metal, el método de soldadura, la posición de la unión y los resultados requeridos según el caso, para lo cual, por supuesto, existen pruebas.
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En la soldadura con láser nada de esto es distinto: el gas de protección afectará la formación, calidad, profundidad, ancho, y otros aspectos de la unión. En la mayoría de los casos, el soplado del gas tendrá un efecto beneficioso sobre esta.
Cuando se hace bien…
- El soplado del gas protege el baño de soldadura de la oxidación e incluso evita que ocurra en la unión a mediano plazo (mientras esta se cura)
- Reduce las salpicaduras y vapores metálicos expulsados durante el proceso, con lo que no solo se resguarda la pulcritud del resultado sino que también se protege el lente de enfoque del laser ante una posible contaminación
- Promueve la dispersión uniforme del baño de soldadura durante la solidificación, con lo cual la unión se forma de manera uniforme y pulcra
- Dispersa o mitiga aparición de la nube de plasma, recurrente en la soldadura láser de alta potencia. Los vapores metálicos absorben el rayo láser y se ionizan formando una nube de plasma que se puede alimentar también en parte con el gas de protección si este también se ioniza debido al calor. Si hay demasiado plasma, este de alguna manera consume el rayo láser, inhibiendo su desempeño
- Reduce la porosidad en la unión
Siempre que el tipo de gas, el caudal de soplo y el método de insuflación se seleccionen correctamente, se pueden obtener resultados ideales. Sin embargo, la implementación inadecuada de este método puede tener efectos adversos en la soldadura.
Cuando se hace mal…
- La soldadura no se beneficia del efecto protector de la barrera gaseosa, sobre todo si se elige un método de soplado incompatible al tipo de soldadura en cuestión
- Compromete la calidad final de la soldadura al promover la aparición de grietas y porosidad en la unión
- Permite y hasta estimula la aparición de óxido, a causa bien sea de la escases o abundancia del flujo
- La fuerza del soplo puede perturbar el metal fundido en el baño de soldadura y provocar el colapso de la unión fresca o que se solidifique de forma desigual
- Inhibe la capacidad de penetración de la soldadura evitando que esta resulte lo suficientemente profunda y, por lo tanto, firme.
Métodos de soplado de gas protector
Hay dos técnicas de soplado para el gas de protección: la de soplado lateral y la de soplado o flujo coaxial. La elección apropiada implica una consideración integral de varios aspectos, pero el principio de selección se basa siempre en la dirección en la que se suelda: para la soldadura en línea recta se usa el soplado de incidencia lateral, mientras que para la soldadura en línea curva sobre un plano el recomendado es soplado coaxial.
Se espera que el gas proteja no solo el baño de soldadura en el momento preciso de su fundición, sino que también, en la medida de lo posible, el área contigua recién soldada y en proceso de solidificación. Es por esto que el soplado de incidencia lateral, el cual direcciona el flujo hacia la soldadura desde un costado u oblicuamente, suele ser el preferido, pues por cómo se suministra termina cubriendo un área mayor del material soldado en comparación con el soplado coaxial, por el cual los gases inciden directamente desde arriba, a través de una boquilla que rodea el propio laser, cubriendo, por supuesto, un área más pequeña.
Tipos de gas protector utilizados en la soldadura con laser
Comúnmente se utilizan 3, a veces por separado, a veces mezclados: nitrógeno, argón y helio. Y dado que sus propiedades fisicoquímicas son diferentes, lo será también el efecto de cada uno sobre la soldadura.
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Nitrógeno (N2): Ideal para soldar a bajo costo acero inoxidable
La energía de ionización de N2 es moderada, muy similar a la de argón; ambas mucho más bajas que la de helio, y el grado de ionización bajo la acción del láser es general, lo que puede reducir mejor la formación de nubes de plasma, aumentando así la utilización efectiva del láser.
El nitrógeno puede reaccionar con la aleación de aluminio y el acero al carbono a cierta temperatura para producir nitruros, lo que aumentará la fragilidad de las soldaduras y reducirá la tenacidad, y tendrá un gran efecto adverso sobre las propiedades mecánicas de la unión. Por lo tanto, no se recomienda usar nitrógeno para proteger la soldadura llevada a cabo en aleación de aluminio y acero al carbono.
Por otro lado, el nitruro producido por la reacción química entre el nitrógeno y el acero inoxidable (sin la presencia de aluminio) puede mejorar la resistencia de la unión, por lo que en estos casos si es recomendable usar N2 como gas protector.
Argón (Ar): Alto rendimiento a un costo aceptable
La energía de ionización del argón es ligeramente más alta que la del nitrógeno y el grado de ionización es alto bajo la acción del láser, lo que no es propicio al momento de controlar la formación de la nube de plasma, y tendrá una cierta influencia en la utilización efectiva del láser. Sin embargo, la reactividad de este gas es extremadamente baja, haciendo que sea difícil que reaccione con metales comunes
El costo del argón no es más bajo que el del nitrógeno, pero tampoco más alto que el del helio. Así, tomando en cuenta su reactividad casi nula, resulta ideal para muchos de los casos convencionales de soldadura con láser, haciéndolo la elección más común a nivel general en este medio.
Además, su densidad es relativamente alta, lo que conduce a su hundimiento por encima del baño de soldadura, con lo cual puede proteger más activamente el metal fundido de la unión ante la acción invasiva y oxidante de otros elementos.
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Helio (He): El mejor (pero también el más caro…)
Tiene la mayor energía de ionización de todos los elementos, a la vez que bajo grado de ionización ante la acción del láser. Puede controlar muy bien la formación de la nube de plasma, facilitando enormemente la tarea del laser.
Su reactividad es también muy baja (de hecho, la más baja de todos los gases), por lo que no reacciona químicamente con los metales, pasando virtualmente desapercibido en este sentido.
Sin embargo, el costo de este gas es elevado comparado con los anteriores, tanto así que resulta inadecuado para la soldadura empleada en la producción en masa. Generalmente se lo utiliza en contextos de investigación científica o productos con un valor agregado muy alto.
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