Soldadura Láser: Principio, Características y Aspectos de Seguridad.
Después de leer este artículo, aprenderá acerca de: 1. Introducción a la soldadura láser 2. Principio y mecanismo de la soldadura láser 3. Equipo y configuración del láser rubí 4. Operación 5. Parámetros del proceso 6. Características de la soldadura 7. Diseño de la junta de la soldadura 8. Aplicaciones 9. Variantes 10. Automatización 11. Aspectos de seguridad.
Introducción a la soldadura láser:
La soldadura por láser (amplificación de la luz por la emisión estimulada de radiación) es quizás la última incorporación a la familia cada vez mayor de procesos de soldadura. El rayo láser es altamente direccional, fuerte, monocromático (de una longitud de onda) y coherente, es decir, todas las ondas están en fase. Un haz de este tipo se puede enfocar en un punto muy pequeño que da una densidad de energía muy alta que puede alcanzar 10 9 W / mm 2 .
Por lo tanto, un rayo láser puede fundir o evaporar cualquier material conocido, como el rayo de electrones. Hay tres tipos básicos de láser: el láser de estado sólido, el láser de gas y el láser de semiconductores. El tipo de láser depende de la fuente de láser.
Los láseres de estado sólido utilizan cristales como el rubí, el zafiro y algunos cristales dopados artificialmente, como las varillas de granate de itrio-aluminio dopado con neodimio (Nd-YAG). El láser de estado sólido fue el primer láser exitoso y es fácil explicar el mecanismo del láser mediante uno de estos láser, por ejemplo, un láser de rubí.
Principio y mecanismo de soldadura láser:
La función de un láser es amplificar la luz. La luz ordinaria no puede utilizarse como una luz láser porque la energía radiante de una fuente de luz ordinaria es incoherente y se distribuye en un amplio espectro espectral, y no existen fuentes monocromáticas de un solo color. Debido a las longitudes de onda variables de diferentes colores que constituyen la luz ordinaria, no es posible colimarla en un enfoque nítido sin sacrificar la intensidad.
Por lo tanto, para su funcionamiento, el láser depende de la emisión de radiación estimulada o inducida por la absorción de energía electromagnética, o partículas de energía llamadas fotones, por los átomos. Cuando se absorbe esta energía, los electrones en el átomo aumentan su giro y expanden sus órbitas haciendo que los átomos entren en el estado excitado.
Este estado excitado es de corta duración y el átomo vuelve inmediatamente a un nivel intermedio o estado metaestable. En este retroceso, el átomo pierde su energía calorífica pero retiene su energía fotónica. Poco después, el átomo cae espontáneamente y al azar de vuelta al estado fundamental, liberando la energía del fotón, o energía cuántica, en forma de luz, como se muestra en la figura 14.17. Esta caída automática al nivel de energía original, sin ser estimulado para hacerlo, se conoce como emisión espontánea.
Mientras un átomo se encuentre en un estado excitado, se puede inducir o estimular para que emita un fotón por una onda incidente de fotón externo cuya energía es exactamente igual a la del fotón liberado por el átomo en el caso de emisión espontánea. Esto es lo que se llama emisión inducida o estimulada de radiación.
Como resultado, la onda incidente se amplifica por la onda emitida por el átomo excitado. Para producir un rayo láser es esencial que la onda emitida esté exactamente en fase con la onda que la causa. De esta forma, los láseres pueden convertir la luz eléctrica, la energía térmica o química en una radiación monocromática y coherente en las regiones ultravioleta, visible o infrarroja del espectro electromagnético.
Entre los láseres de estado sólido utilizados con fines industriales, el material de láser es muy a menudo rubí. El rubí es óxido de aluminio en el que aproximadamente el 0-05% son átomos de cromo. Los átomos de cromo no solo proporcionan iones activos para la acción del láser, sino que también le dan al rubí su característico color rojo. Los iones de cromo emiten luz roja cuando son estimulados por luz verde. Para que la acción del láser tenga lugar, el proceso de emisión estimulada debe ocurrir más a menudo que el proceso opuesto de absorción de fotones. Según la teoría cuántica, la probabilidad de que estos dos procesos ocurran depende solo de la población relativa del nivel de energía involucrado según la proporción de Boltzmann.
N 2 / N 1 = exp E 1 - E 2 / kT ……. (14.3)
dónde,
N 1 = Número de átomos en el nivel de energía inferior E 1,
N 2 = Número de átomos en el nivel de energía superior E 2,
T = temperatura absoluta,
k = constante de Boltzmann.
La emisión de láser se obtiene cuando el nivel superior se llena a expensas del nivel inferior. Tal situación se conoce como inversión de la población y el método para lograrlo se llama PUMPING. Los láseres de estado sólido son bombeados ópticamente por un tubo de flash.
Miles de millones de átomos, moléculas o iones del medio activo absorben energía cuando se bombean, que mantienen durante un tiempo de vida muy corto pero aleatorio, cuando su tiempo de vida expira, renuncian a su energía en forma de fotón cada uno y regresan a su anterior Estado hasta que se vuelva a bombear. Los fotones liberados viajan en todas las direcciones en relación con el eje óptico del láser.
Si un fotón colisiona con otro átomo energizado, etc., provoca que libere el fotón prematuramente y los dos fotones viajarán en fase hasta la siguiente colisión. Los fotones que no viajan en paralelo al eje óptico del láser se pierden rápidamente del sistema.
Los que viajan en paralelo al eje tienen una longitud de trayectoria considerablemente extendida por la retroalimentación óptica proporcionada por los espejos, antes de dejar la cavidad del láser a través del espejo que transmite parcialmente. Esta acción ayuda a obtener un haz de luz coherente altamente colimado del nivel de potencia requerido.
Potencia y modo de haz:
La densidad de potencia a través del diámetro de un haz de salida de láser no es uniforme y depende del medio activo del láser, sus dimensiones internas, el diseño de retroalimentación óptica y el sistema de excitación empleado. El perfil de sección transversal de un rayo láser, que muestra su distribución de potencia, se denomina modo electromagnético transversal (TEM). Se pueden diseñar muchos TEM diferentes y cada tipo se clasifica por un número.
En general, cuanto mayor sea el número, más difícil será enfocar el rayo láser en un punto fino para lograr una alta densidad de potencia, lo cual es muy importante cuando se suelda con láser. Los láseres con TEM 00, TEM 10, TEM 11, TEM 11 y TEM 20 y las combinaciones de estos modos a menudo se utilizan. La figura 14.17 (A) muestra las formas básicas de los perfiles de potencia de haz de estos modos. Algunos láseres producen varios modos diferentes y, por lo general, a estos se les conoce como operación multimodo.
Equipo láser Ruby y configuración de soldadura láser:
El equipo de láser rubí consiste básicamente en un cabezal láser y una fuente de alimentación. La figura 14.18 muestra un esquema de tal láser. Consiste en una varilla de rubí de aproximadamente 5-15 mm de diámetro y una longitud de aproximadamente 100 a 200 mm. El diámetro y la longitud de la varilla de rubí determinan el poder de emisión del láser.
Sus extremos se pulen a planos ópticos y luego se platean para obtener una superficie reflectante del 100% en un extremo y un 90-98% que refleja en el otro extremo que proporciona la salida del rayo láser. La distancia entre los dos extremos reflectantes proporciona la cavidad resonante a frecuencias para las cuales el espaciado es un número integral de medias longitudes de onda.
Las superficies reflectantes son producidas por cualquiera de los dos tipos de recubrimientos. Un tipo de recubrimiento se produce depositando una capa delgada de metal como aluminio, plata u oro. Sin embargo, dicho revestimiento metálico puede quemarse con el uso y perder así su calidad reflectante.
Se puede producir un revestimiento reflectante de mayor rendimiento al recubrir los extremos del material láser con varias películas no conductoras, produciendo un espejo dieléctrico. El espejo dieléctrico depende de la interferencia entre las ondas de luz que se reflejan en las películas multicapa, compuestas principalmente de sulfuros y fluoruros.
La varilla de rubí pulida se coloca en el centro de la cabeza del láser y está encerrada en un tubo de vidrio transparente. El gas de nitrógeno frío circula sobre la superficie de la varilla de rubí y fluye hacia afuera por un camino de retorno fuera del tubo de vidrio. Entre el tubo de vidrio y el tubo de flash hay un tubo de vidrio de doble pared evacuado para proporcionar un protector de vacío.
El tubo de vacío de doble pared contiene nitrógeno líquido que proporciona un suministro de gas frío que se obtiene mediante una manguera aislada al cabezal del láser. El tubo de vacío evita el flujo de calor del tubo de destello a la varilla de rubí, pero la transmisión de luz no se ve muy afectada.
Se proporciona una cubierta exterior dentro de un recinto cilíndrico reflector elíptico doble para encerrar todo el conjunto a fin de proporcionar la máxima cantidad de luz a la varilla de rubí como se muestra en la Fig. 14.19. Se proporciona un supresor para evitar la formación de arco entre la lámpara de flash Xenon y la cubierta exterior. La lámpara de flash es más eficiente cuando está caliente. Por lo tanto, para mantenerlo caliente y al mismo tiempo evitar la formación de arcos debido a la humedad, el aire caliente circula continuamente sobre la lámpara de flash.
El sistema de alimentación de la unidad de soldadura láser consta de la unidad de potencia para el tubo de flash, el obturador accionado por solenoide y un transformador de iluminación en un banco, y la cabeza del láser. El tubo de flash está energizado con una alimentación de 18 KV. El circuito del tubo de flash contiene bobinas ajustables para variar el tiempo de descarga, que a su vez varía la duración del pulso de luz disparado por el tubo de flash.
Para el bombeo de un láser de rubí, generalmente se usa un tubo de flash de xenón que consiste en una bombilla fabricada con cuarzo ópticamente transparente que contiene dos electrodos de tungsteno. Cuando la lámpara está apagada, la presión dentro de la bombilla es de 10 atmósferas. La energía para la lámpara de xenón es suministrada por una fuente de CC con un voltaje sin carga de al menos 70 voltios y una característica de caída de amperios de voltios.
Las lámparas de flash Xenon pueden funcionar continuamente durante cientos de horas a una velocidad de miles de flashes por segundo. Una fuente de flash único intenso puede tener una salida que puede alcanzar hasta decenas de millones de potencia de la vela, y una fuente de luz de arco corto puede tener una duración de flash tan corta como 1µ.sec (un microsegundo). Al operar de esta manera, la lámpara se convierte en un dispositivo eficiente para convertir energía eléctrica en energía de luz, que es el proceso de bombeo del láser.
Dado que la luz láser es prácticamente monocromática, esencialmente colimada y coherente, es fácil enfocarla utilizando los dispositivos ópticos comúnmente empleados como prismas y lentes. Sin embargo, el haz también se enfoca en lentes de haluro y un sistema de espejo.
Los láseres se clasifican como láseres de baja potencia (10 KW).
Operación de soldadura láser:
El láser de rubí es bombeado por un tubo de flash Xenon o Krypton. Cuando el tubo de flash ilumina la varilla, la mayoría de los átomos de cromo son conducidos a un estado excitado. La acción del láser ocurre en la varilla de rubí cuando más de la mitad de los átomos de cromo se han bombeado al nivel de alta energía o al estado metaestable que causa la inversión de la población. La acción del láser comienza si un átomo excitado emite espontáneamente un fotón a lo largo del eje de la varilla de rubí.
Este fotón estimulará otro átomo excitado para emitir un segundo fotón (o inducido). Este proceso continúa de forma acumulativa porque los fotones se reflejan desde los extremos de la varilla y atraviesan la cavidad resonante formando repetidamente un frente de onda. Como resultado de estas múltiples reflexiones desde ambos extremos de la varilla de rubí, la potencia del haz se acumula hasta un nivel enorme.
Si la intensidad de la luz del tubo del flash excede algún nivel crítico, se produce la acción del láser y se emite un fuerte haz de fotones con una longitud de onda de 6943A en cuestión de unas pocas milésimas de segundo. El rayo láser de salida es altamente direccional, fuerte, monocromático y coherente.
La densidad de energía de un haz de luz en el lugar de una lente viene dada por la ecuación:
ρ = E / V ……… .. (144)
dónde,
ρ = densidad de energía,
E = energía del haz,
V = volumen de enfoque.
El volumen de enfoque para un rayo láser es muy pequeño. Por lo tanto, la densidad de energía de un haz de este tipo en el foco puede ser muy alta, llegando a 10 7 W / cm 2 . La duración de un pulso láser es corta, siendo del orden de 10 -9 segundos.
En la soldadura por láser es importante que los pulsos tengan una duración máxima y espacios mínimos, es decir, una frecuencia de repetición de pulsos alta (PRF). Sin embargo, los láseres de rubí son de baja eficiencia y una gran parte de la energía de bombeo se convierte en calor. Eso hace que la varilla de rubí se caliente mucho y, por lo tanto, el tubo de flash no puede funcionar correctamente con PRF altos.
Esto requiere la extracción de la mayor cantidad posible de calor generado por el bombeo óptico; por ejemplo, para un láser de estado sólido con un rendimiento promedio de 400W, el sistema de enfriamiento debe eliminar aproximadamente 15 KW de calor residual. Por lo tanto, la PRF y la potencia de salida de los láseres están limitadas por sus sistemas de refrigeración. La eficiencia de los láseres de rubí es muy baja; alrededor del 0-1%. Sin embargo, a pesar de este hecho, los láseres de rubí se utilizan ampliamente como herramientas de soldadura.
Con los láseres de soldadura existentes, el PRF puede oscilar entre 1 y 100 por minuto. El área penetrada por un solo pulso de láser es una fracción de mm. Esta es la razón por la cual tales láseres se usan más popularmente para hacer solo conexiones puntuales.
Debido a su bajo PRF y baja potencia de salida, los láseres no pueden, por el momento, competir con el proceso de EBW que es capaz de realizar soldaduras de penetración muy estrecha y profunda en metales de gran calibre. Sin embargo, la soldadura con rayo láser en comparación con la soldadura con haz de electrones es más versátil porque puede soldar metales en el aire, en el escudo de gas e incluso en el vacío. Además, un rayo láser puede soldar materiales transparentes porque no obstruyen el paso de la luz láser.
Mucha de la luz de un láser pasa a través de los lados de la varilla de rubí y no se convierte en parte del rayo láser. A pesar de la eficiencia extremadamente baja resultante, estas pérdidas de energía son aceptables porque el punto focal de luz de un láser es millones de veces más intenso que la luz de la lámpara de flash que inicia la acción del láser, y es infactamente muchas veces más intensa que la luz de esa longitud de onda emitida desde un área equivalente de la superficie del sol.
La luz láser emitida por la varilla de rubí tiene una forma adecuada y se dirige al trabajo mediante un sistema óptico que consiste en un prisma, una lente y una lente accesoria. Se pueden incluir varios lentes accesorios, si es necesario, en el sistema óptico para enfocar el haz en un punto de 0-25 a 0-05 mm de diámetro. La densidad de energía en el punto enfocado es tan alta que cualquier material conocido puede fundirse, vaporizarse o soldarse con un rayo láser enfocado de este tipo.
Un rayo láser es parcialmente reflejado o desviado por superficies metálicas lisas, mientras que un rayo de electrones no lo es. Cuando una parte significativa de un rayo láser se refleja, puede inhibir la transferencia de energía a la pieza de trabajo. Sin embargo, cuando la densidad de energía de un haz de láser enfocado excede los 10 KW / mm 2, se produce un cambio notable en la proporción de energía absorbida por la superficie, como se muestra en la Fig. 14.20.
Una vez que se supera este nivel de umbral, se produce una transferencia de energía mejorada y el rayo láser provoca un tipo de penetración tipo ojo de cerradura. Esta mejora en la transferencia de energía está asociada con el desarrollo de plasma sobre la superficie de trabajo. Si bien esto es una ventaja en la etapa inicial, la generación de plasma excesivo sobre el baño de soldadura se convierte finalmente en un obstáculo para el haz.
Para producir perlas lisas y bien formadas, es esencial proteger la piscina de soldadura con un poco de gas inerte y se encuentra que el helio es el que mejor sirve.
La soldadura con un rayo láser no es realmente práctica por debajo de un nivel de potencia de 1.5 kw; mientras que por encima de este nivel, la capacidad de penetración máxima es de aproximadamente 2 mm / kw.
Parámetros del proceso para la soldadura láser:
La selección de los parámetros del proceso se basa en tres factores a saber:
(i) Número de condensadores y la tensión correspondiente para obtener el nivel de entrada de energía deseado, según la relación,
E = 1 / 2CV 2 ……… .. (14-5)
dónde,
C = capacitancia
V = voltaje
(iii) Selección adecuada de la óptica para controlar el tamaño y la forma del punto del haz,
(iii) Selección del punto focal del haz ya sea sobre o sobre la superficie de la pieza.
El número de capacitores utilizados para obtener el nivel de energía deseado es una consideración crítica. El aumento en el número de capacitores en el circuito da como resultado un tiempo de ciclo de pulso más largo con la consiguiente disminución de la potencia del haz de pulso.
Para obtener una soldadura de sonido de penetración total sin socavación, es conveniente que:
(i) La potencia del rayo láser debe ser adecuada para fundir el metal pero no lo suficientemente alta como para vaporizarlo a la velocidad de soldadura seleccionada,
(ii) El tiempo del ciclo del pulso debe ser lo suficientemente largo para que el calor se conduzca a través del espesor del material.
Otro factor es la ubicación del punto focal de la viga con respecto a la superficie de la pieza de trabajo. La máxima penetración se produce cuando el haz se enfoca ligeramente debajo de la superficie. La penetración es menor cuando el haz se enfoca en la superficie o profundamente dentro de la pieza de trabajo. La profundidad de penetración aumenta con el aumento de la potencia del haz.
Características de soldadura para soldadura láser:
La soldadura con láser se ha utilizado para producir uniones metálicas similares y diferentes con acero, cobre, níquel, aceros inoxidables, aleaciones de aluminio, aleaciones a base de hierro-níquel, titanio y metales y aleaciones refractarios.
Debido a la entrada de energía específica muy baja para el trabajo, se minimizan la zona afectada por el calor y el daño térmico al material adyacente a la soldadura. La porosidad de la raíz se ha observado en algunos aceros de construcción naval y se considera que esto se debe a la velocidad insatisfactoria a la relación de potencia de haz.
La porosidad de la raíz en las soldaduras de doble paso está asociada con la evolución del gas y el tiempo insuficiente para su eliminación. Se ha demostrado una ductilidad adecuada, mediante prueba de flexión lateral, en la mayoría de las soldaduras en estos aceros. Las soldaduras con láser de penetración profunda autógenas exhiben propiedades mecánicas que se comparan favorablemente con la soldadura por arco convencional utilizando metal de aportación.
La purificación del metal de soldadura se produce bajo ciertas condiciones durante la soldadura del acero debido a la absorción preferencial de la viga por las inclusiones no metálicas en el metal, lo que resulta en su vaporización y eliminación. La observación de la purificación de la zona de fusión durante la soldadura con láser de varias aleaciones de bases ferrosas diferentes indica que esta puede ser una característica única de la penetración profunda, la soldadura con láser autógena.
La inspección metalográfica de las soldaduras de acero también reveló una disminución en el contenido de inclusión que se considera responsable del aumento en la energía de la plataforma de carbón y el tamaño de grano relativamente grueso y, por lo tanto, la alta temperatura de transición.
De las aleaciones estructurales comúnmente utilizadas, las aleaciones de aluminio han demostrado ser las más difíciles de soldar con láser debido a su alta reflectividad de la superficie inicial y la formación de porosidad similar a la de la soldadura por arco.
Los estudios sobre la soldadura de aceros resistentes a la corrosión y aleaciones de titanio han demostrado que las juntas de alta calidad se pueden realizar en láminas de 0-1 a 2 mm de espesor. Las soldaduras son herméticas al vacío y tienen el 90% de la resistencia del metal principal. La velocidad de soldadura utilizada para tales soldaduras es de 17-25 cm / min.
Diseño de juntas de soldadura para soldadura láser:
Los diseños de juntas y el ajuste utilizado en la soldadura láser son generalmente similares a los utilizados para la soldadura por haz de electrones. Sin embargo, algunos de los diseños de juntas utilizados para la soldadura por láser de chapa metálica también se muestran en la Fig. 14.21. Un espacio en la junta que exceda el 3% del grosor del material normalmente puede provocar un llenado insuficiente. Se obtienen resultados similares si se utiliza un exceso de energía para la soldadura, lo que da como resultado un paso directo. El relleno insuficiente se soluciona mediante la adición de metal de relleno durante la pasada de soldadura primaria o una segunda pasada cosmética. El metal de relleno se agrega a veces para modificar la química del metal de soldadura. En tal caso, se puede utilizar una ranura cuadrada con un espacio estrecho o una ranura en V para proporcionar la adición de relleno deseada.
En términos generales, el procedimiento bien establecido para la preparación de juntas de soldadura se aplica también a la soldadura por láser. Se prefiere la posición de soldadura plana o descendente, aunque la soldadura fuera de posición, como las soldaduras horizontales, verticales y superiores, se puede realizar en condiciones dentro del modo de soldadura de ojo de cerradura.
Aplicaciones de soldadura láser:
Entre las principales ventajas de la soldadura por láser está la generación de calor intenso que afecta a un área extremadamente pequeña, por lo que el requerimiento de energía para hacer una soldadura es bajo. Debido a esta característica del proceso, se puede utilizar para soldar metales diferentes con propiedades físicas muy diferentes. Además, se pueden soldar metales con una resistencia eléctrica relativamente alta y componentes de tamaños y masas considerablemente diferentes.
Normalmente no se utiliza metal de aportación en la soldadura por láser, por lo que cualquier componente en una posición particular puede soldarse siempre que el rayo láser pueda enfocarse en ese punto. Las soldaduras con alta precisión se pueden hacer incluso en un espesor de metal de una fracción de mm. Debido a las altas tasas de calentamiento y enfriamiento en la soldadura por láser, el crecimiento del grano es limitado, así como el alivio del esfuerzo y la eliminación de la soldadura.
Una de las aplicaciones particularmente adecuadas para los láseres de hoy en día es la realización de micro-conexiones. Por lo tanto, la soldadura por láser se considera particularmente adecuada para la ingeniería de radio y la electrónica para soldar cables finos a películas en placas de microcircuitos, circuitos de estado sólido y micro módulos.
El rayo láser puede soldar los componentes más diversos del metal utilizado en la microelectrónica, por ejemplo, el oro y el silicio, el oro y el germanio, el níquel y el tantalio, el cobre y el aluminio pueden soldarse con éxito mediante soldadura por rayo láser.
Soldadura de cables de níquel de 0, 5 mm de diámetro en configuración paralela, soldadura por puntos de cintas de níquel de 0, 125 mm de espesor, sellado hermético de módulos electrónicos y soldadura de tubo de titanio de 0, 25 mm de espesor de pared a disco de titanio de 0, 625 mm de espesor. de soldadura por láser.
Variantes de soldadura por rayo láser:
Además de los láseres de estado sólido como el láser de rubí, también hay láseres en los que los materiales del láser son líquidos, como soluciones de óxido de neodimio, algunos colorantes, etc. Los láseres de líquidos inorgánicos tienen capacidades y rendimiento muy similares a los de los pulsos de estado sólido. los láseres, pero los superan en términos de potencia de impulso porque sus elementos láser son grandes en volumen.
La tercera y más eficiente clase de láseres es aquella en la que los materiales del láser son monocristales de semiconductores como el galio y el arseniuro de indio, permiten el cadmio, el selenio y el azufre, etc. Los láseres de semiconductores son pequeños en peso, necesitan baja entrada Energía y alta eficiencia de hasta el 70%.
La cuarta y quizás la clase más importante de láseres es la que utiliza gases y sus mezclas como el hidrógeno, nitrógeno, argón y dióxido de carbono. Los láseres de gas tienen el espectro más amplio de radiación y la potencia de salida más alta en operación de onda continua (CW) junto con una eficiencia bastante alta del 15 al 25%.
Entre todas estas variantes, los láseres de gas de CO 2 y los láseres de ND: YAG se están utilizando de manera más extensa para aplicaciones industriales porque son capaces de un funcionamiento multikilowatt duradero y, por lo tanto, son los que se describen en detalle aquí.
Automatización en soldadura por rayo láser:
El ojo humano se puede usar para observar el rayo láser siempre que esté dentro de la región visible (es decir, la longitud de onda entre 0, 3 y 0, 7 µm) del espectro. Sin embargo, la mayoría de las veces, la luz láser utilizada para la soldadura es invisible para el ojo humano, como se desprende de la figura 14.45, que proporciona pautas con respecto a la ubicación del espectro de algunas de las longitudes de onda más populares del rayo láser. Por lo tanto, es imperativo utilizar la automatización para el uso efectivo y exitoso del rayo láser para la soldadura, de lo contrario puede resultar en una fabricación de calidad inaceptable o incluso en accidentes graves.
Cuando se requiere automatización o mayor eficiencia, se emplean detectores de posición del haz láser para ubicar y posicionar el haz láser. Para este propósito, los detectores de posición están disponibles para la detección en una o dos dimensiones del rayo láser. En la figura 14.46 se muestra un diagrama simplificado de un sistema de alineación láser con un detector de cuadrante. Cada cuadrante del detector es un fotodiodo separado que produce una señal de salida eléctrica proporcional a la potencia de la luz que recibe.
Si el rayo láser incidente está centrado en el detector, cada segmento del cuadrante recibe la misma cantidad de energía. Cuando el rayo láser no está centrado, uno o dos cuadrantes del detector recibirán más potencia de luz. Se han diseñado sistemas que utilizan las salidas de los detectores de cuadrante para proporcionar la posición del rayo láser con respecto al centro del detector. Los recientes avances en sistemas de visión artificial han hecho que los sistemas de detectores de diodos bidimensionales estén ampliamente disponibles en la industria. Para un fotodiodo de revestimiento de centrado unidimensional o fotodiodos de efecto lateral se pueden utilizar.
Usando un detector de posición adecuado junto con un sistema automatizado / robótico, es posible lograr la calidad deseada en la fabricación soldada.
Aspectos de seguridad de la soldadura láser:
Los peligros normales asociados con la soldadura con rayo láser incluyen daño a los ojos, quemaduras en la piel, efectos en el sistema respiratorio, descargas eléctricas, peligros químicos y riesgos de manejo de refrigerantes criogénicos.
Los rayos láser no generan rayos X durante el funcionamiento normal, sin embargo, producen una luz de alta intensidad que puede dañar la vista o causar quemaduras graves. Si la longitud de onda está entre 0, 4 y 1, 4 µm, el sistema ocular humano enfoca el haz incidente hasta 10 5 veces en la retina. Esta región de longitud de onda se denomina región de foco ocular o región de riesgo retiniano.
La proporción visible de la región de enfoque ocular en la que el ojo detecta los rangos de color solo de aproximadamente 0, 4 a 0, 7 µm. Las longitudes de onda en el rango de 0.7 a 1.4 µm no son detectadas por la retina, son invisibles para el sistema ocular, aunque son enfocadas por el ojo.
Por lo tanto, si la longitud de onda del haz está en la región de enfoque ocular, el daño ocular ocurre en los tejidos de la retina porque la córnea, la lente y los tejidos acuosos absorben muy poca energía. Sin embargo, las longitudes de onda fuera de la región enfocable son absorbidas por los componentes externos del ojo, dañando especialmente la córnea.
Por lo tanto, es imperativo tener un conocimiento previo de la longitud de onda del rayo láser y la figura 14.45 proporciona la información necesaria.
Se debe tener cuidado al usar gafas apropiadas para el sistema láser específico. En longitudes de onda infrarrojas más largas, por ejemplo, 10, 6 µm de longitud de onda del láser de CO 2, incluso el vidrio ordinario es opaco.
Es una práctica común asegurarse de que las áreas de trabajo alrededor de los láseres estén pintadas con colores claros y con una iluminación brillante.
La piel absorbe todas las longitudes de onda del láser, pero se requiere mucha más energía para el daño de la piel que para el daño ocular, y se requiere más energía de los láseres de onda continua para el daño que de los láseres pulsados. Si un láser emite radiación continua durante un período mínimo de 0, 25 segundos, se considera un láser de onda continua. Los láseres de excímero y CO 2 son particulares en su capacidad para dañar la piel. Las camisas de manga larga y los guantes ignífugos brindan protección adecuada para la piel en la mayoría de los casos.
Aunque el rayo láser no se desvía por los campos electrostáticos o electromagnéticos, el rayo se refleja parcialmente o se desvía por las superficies metálicas lisas que pueden afectar el ojo o la piel, y las quemaduras por láser pueden ser profundas y muy lentas para curarse.
La mayoría de los sistemas de láser implican el uso de corriente de alto amperaje de alto voltaje, por lo que siempre existe la posibilidad de una descarga eléctrica letal. De hecho, casi todos los accidentes graves o fatales con láser han sido relacionados con el suministro eléctrico. Por lo tanto, nunca trabaje solo cuando opera directamente un láser de alta potencia.
Se pueden formar humos metálicos tóxicos o finos durante la penetración profunda y la soldadura de prueba en plásticos. La generación severa de plasma puede producir ozono, lo que requiere una provisión adecuada para los sistemas de ventilación y escape.
En conclusión, se puede decir que el láser es tan seguro como cualquier otra herramienta de alta energía y debe manejarse adecuadamente. Es responsabilidad del usuario aprender a manejarlo correctamente.
