CroNiVip Soldadura de Laminás finas

Comparación de la deformación en función de la anchura de sujeción de la lámina:

En un proyecto de investigación destinado a una aplicación industrial, se pretende recubrir un panel de aislamiento al vacío con láminas ultrafinas de acero CrNi. Para sellar el panel de forma hermética al vacío, se utiliza un proceso de unión por rayo láser. En este caso, la microsoldadura por láser plantea grandes exigencias en cuanto al control del proceso, debido al reducido espesor del material, de ≤ 50 µm. Para soldar las piezas a unir de forma fiable en un empalme solapado, es necesario optimizar los parámetros del proceso.

La energía transportada por el rayo láser se absorbe parcialmente y se transforma en calor. Al hacerlo, se producen pérdidas por conducción térmica hacia el componente, que se restan al proceso propiamente dicho. El espesor mínimo de la lámina de acero, la longitud de sujeción determinada por el proceso y la elasticidad inherente de los medios de sujeción dan lugar a una menor rigidez estructural del sistema en su conjunto, que solo puede soportar tensiones de compresión reducidas. Durante el enfriamiento del componente, se producen tensiones internas de compresión que provocan el abombamiento de las láminas. La deformación inducida térmicamente provoca la formación de una holgura entre las piezas a unir.

A medida que aumentan las pérdidas por conducción térmica, crecen la deformación y, con ello, la separación entre las láminas, lo que provoca la interrupción del proceso. Esto tiene una influencia directa en el proceso de unión, que reacciona de forma muy sensible a cualquier desplazamiento relativo vertical de las láminas. Por lo tanto, es necesario minimizar las pérdidas por conducción térmica y la deformación resultante.

El número de Péclet es una medida de la proporción relativa de las pérdidas por conducción térmica en el proceso de mecanizado por láser y, por lo tanto, está relacionado con la eficiencia térmica. Las variables de proceso seleccionadas determinan el número de Péclet y, por ello, son decisivas para la seguridad del proceso y la capacidad de unión.

Para cuantificar su influencia, se varían los parámetros del proceso y se analiza la eficiencia del mismo en función del número de Péclet. El análisis experimental se complementa con una simulación de la estructura de soldadura, que permite calcular el campo de temperatura global, las tensiones internas y la deformación en función del número de Péclet y de la longitud de sujeción. La combinación del análisis experimental y la simulación de la estructura de soldadura tiene como objetivo ayudar a diseñar el proceso de microsoldadura de forma robusta.

Las geometrías de los componentes utilizados suponen un reto especial para la simulación. A partir del cálculo del campo de temperatura se puede deducir la entrada de calor en el componente y estimar la zona calentada. Ambos factores son decisivos para la aparición de deformaciones.

Para garantizar la fiabilidad del proceso de fabricación, es necesario asegurarse de que se minimicen las variables perturbadoras, como la formación de huecos debida a la deformación térmica.

La deformación se debe a las dilataciones propias. Se produce durante el calentamiento provocado por la soldadura. Las zonas situadas en la zona térmica sufren dilatación térmica y se desvían perpendicularmente al plano de la lámina.

La anchura de la zona térmica varía en función del número de Péclet. Cuanto mayor es el número de Péclet, menor es la zona térmica.

La eficiencia térmica, es decir, la relación entre la energía aplicada para la fusión en la zona de la zona de soldadura y la energía total introducida en el componente, también varía proporcionalmente al número de Péclet. Cuanto mayor es el número de Péclet, mayor es la eficiencia térmica.

El grado de sujeción, es decir, la distancia de la longitud libre entre los dispositivos de sujeción, también influye directamente en la deformación. Cuanto mayor es el grado de sujeción, mayor es la deformación. La longitud de sujeción influye, aunque sea ligeramente, en el rendimiento térmico. Cuanto mayor es la longitud de sujeción, mayor es el rendimiento térmico.

Pueden formarse dos patrones de deformación diferentes: desviación lineal o abombamiento en forma de tablero de ajedrez. El número de ondas de abombamiento por unidad de longitud de la soldadura depende de la longitud de sujeción. Cuanto mayor sea la longitud de sujeción, menor será el número de ondas de abombamiento por unidad de longitud.

El cambio del patrón de deformación, de abombamiento en forma de tablero de ajedrez a desviación lineal, depende de que se supere un número de Péclet crítico, de que no se alcance una longitud de sujeción crítica o de que se supere un espesor crítico de la lámina. Estos tres parámetros están interrelacionados.

Para diseñar un proceso seguro, es necesario minimizar la deformación que se produce durante la soldadura. Esto se puede conseguir si:
- se alcanza un número de Péclet lo más alto posible
- se minimiza la longitud de sujeción