ESTADO DEL ARTE DEL PROCESO DE SOLDADURA LÁSER ND: …
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CORPORACIÓN MEXICANA DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO ESTADO DEL ARTE DEL PROCESO DE SOLDADURA LÁSER ND: YAG, EN LA RECUPERACIÓN DE COMPONENTES DE ACERO GRADO HERRAMIENTA H13 POR ING. HORACIO GUZMAN LÓPEZ MONOGRAFÍA EN OPCIÓN COMO ESPECIALISTA EN TECNOLOGÍA DE LA SOLDADURA INDUSTRIAL SALTILLO, COAHUILA, A 20 DE DICIEMBRE 2011
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CORPORACIÓN MEXICANA DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES
DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO
ESTADO DEL ARTE DEL PROCESO DE SOLDADURA LÁSER ND:YAG, EN LA RECUPERACIÓN DE COMPONENTES DE ACERO
GRADO HERRAMIENTA H13
POR
ING. HORACIO GUZMAN LÓPEZ
MONOGRAFÍA
EN OPCIÓN COMO ESPECIALISTA EN TECNOLOGÍA DE
LA SOLDADURA INDUSTRIAL
SALTILLO, COAHUILA, A 20 DE DICIEMBRE 2011
CORPORACIÓN MEXICANA DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES
DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO
ESTADO DEL ARTE DEL PROCESO DE SOLDADURA LÁSER ND:YAG, EN LA RECUPERACIÓN DE COMPONENTES DE ACERO
GRADO HERRAMIENTA H13
POR
ING. HORACIO GUZMÁN LÓPEZ
MONOGRAFÍA
EN OPCIÓN COMO ESPECIALISTA EN TECNOLOGÍA DELA SOLDADURA INDUTRIAL
SALTILLO, COAHUILA, A 20 DE DICIEMBRE 2011
Corporación Mexicana de Investigación en Materiales
Gerencia de Desarrollo Humano
División de Estudios de Posgrado
Los miembros del Comité Tutorial recomendamos que la Monografía "ESTADO
DEL ARTE DEL PROCESO DE SOLDADURA LÁSER ND:YAG, EN LA
RECUPERACIÓN DE COMPONENTES DE ACERO GRADO HERRAMIENTA
H13", realizada por el alumno (a) HORACIO GUZMÁN LÓPEZ, con número de
matrícula 10ES-106 sea aceptada para su defensa como Especialista en
Tecnología de la Soldadura Industrial.
El Comité Tutorial
Dr. Mauricio Alberto Garza Castañón
Tutor Académico
/}cÁs-é?Dr. Jorge Leobardo
Acevedo Dávila
Asesor
M.C. Francisco Cepeda
Rodríguez
Tutor en Planta
M.C. Claudia A. González Rodríguez
Cójaídinador de Posgrado
Corporación Mexicana de Investigación en Materiales
Gerencia de Desarrollo Humano
División de Estudios de Posgrado
Los abajo firmantes, miembros del Jurado del Examen de especialización del
alumno HORACIO GUZMÁN LÓPEZ, una vez leída y revisada la Monografía
titulada "ESTADO DEL ARTE DEL PROCESO DE SOLDADURA LÁSER ND:
YAG, EN LA RECUPERACIÓN DE COMPONENTES GRADO HERRAMIENTA
H13", aceptamos que la referida monografía revisada y corregida, sea presentada
por el alumno para aspirar al grado de Especialista en Tecnología de la Soldadura
Industrial durante la defensa de la monografía correspondiente.
Y para que así conste firmamos la presente a los 20 de diciembre del 2011.
r. Luciano Eliezer Ramírez Dra. TanUrvaloma Berber
Vidaurri Solano
Presidente Secretario
Dr. Mauricio Alberto Garza
Castañón
Vocal
AGRADECIMIENTOS
Quiero expresar mi agradecimiento a la Corporación Mexicana de Investigación
en Materiales S.A. de C.V., por darme la oportunidad de desarrollarme
profesionalmente y seguir aprendiendo cada día más, pero principalmente al
personal que labora en las áreas de posgrado, que con su apoyo, paciencia y
profesionalismo, nos guiaron para transformar un área de trabajo, en un espacio
de compañerismo y de responsabilidad.
Quiero expresar mi humilde agradecimiento a todas las personas que fueron
fundamentales para concluir con esta etapa profesional en mi carrera; Dr. Mauricio
Alberto Garza Castañon, M.C. Mario F. Trejo Aguirre, Dr. Jorge L. Acevedo, M.C.
Edgar Daniel Aguilar Cortez, M.C. Víctor Hugo López Cortez, Dr. Felipe García,
M.C. Gabriel García, Dr. Arturo Reyes, y por supuesto a todos los maestros, que
gracias a su profesionalismo, apoyo incondicional, y paciencia, fueron de gran
apoyo para la conclusión de este trabajo tan importante en mi formación
académica.
Por último, pero no más importante, agradecer a toda mi familia, a mis padres
Sra. Olivia y el Sr. Horacio, a mis hermanos Ivonne Edith y Ángel, a mis sobrinos
Orlando Tadeo, Diego, Odín y Alondra, a mi cuñado Orlando, Jony y Maine, a mis
suegros Esthela y Asención, y por supuesto a unas personas especiales en mi
vida, a mi esposa Casandra y a mi bebe que esta por nacer, que gracias a su
cariño, apoyo incondicional y confianza, me motivan a seguir preparándome día
con día, para tener un mejor futuro. Sinceramente estaré eternamente
agradecido. Gracias.
SÍNTESIS
En la actualidad existe un campo de oportunidad muy amplio respecto al
desarrollo de nuevas tecnologías, tanto en la industria automotriz, como la
industria metal mecánica, en el cual a pesar que ha habido desarrollos importantes
en cuanto a manufactura, productos, tecnología, ingeniería y mercado, es un
mundo de competencias por empresas distribuidas en todo el mundo, y siempre,
con el objetivo de estar a la vanguardia en que sus productos tengan lo último en
tecnología, calidad, y por supuesto buscando siempre la satisfacción de sus
clientes, pero claro, con costos más bajos.
Hablando de tecnología, no siempre es fácil obtenerla, esto por su alto costo,
pero, cuál es la metodología que las empresas tienen que diseñar con el fin de
vender tecnología avanzada, pero a un costo bajo y que esté al alcance de sus
clientes. La respuesta está en optimizar sus procesos de producción, es por ello
que esta investigación va enfocada a la línea de investigación del conformado
mecánico.
Esta investigación se centra en componentes fabricados de acero grado
herramienta del tipo H13, que son utilizados para dados para fundición, insertos,
camisas, matrices y una de sus aplicaciones más importantes es la fabricación de
moldes para inyección de plástico. Este material es muy utilizado por sus
principales propiedades, alta resistencia al desgaste y su gran resistencia a
choques térmicos. Es por ello que cuando estos componentes se encuentran en
constante operación, pueden sufrir distintos tipos de desgaste, o lo más común,
que tienden a fracturarse con fisuras microscópicas, pero que no dejan de ser un
problema en cuanto a cumplir con la calidad de sus productos. Cuando un molde
sufre algún desgaste o alguna fisura, lo más común es que ese componente se
lleve a un proceso de reparación, utilizando procesos de soldadura
convencionales, como lo es el proceso GTAW.
El problema con este tipo de procesos de soldadura es que deposita mucho
más material del que realmente necesita, por lo tanto la zona afectada por el calor
es aún mayor, y esto traerá consecuencias en un futuro, como podría ser poca
vida útil de la reparación.
Es por ello que en este trabajo, se pretende realizar una investigación,
enfocada al comportamiento de reparación de componentes de acero grado
herramienta H13, utilizando el proceso de soldadura láser ND:YAG.
La aplicación del proceso de soldadura láser, tendrá mejores resultados en la
reparación de componentes utilizados para el conformado de piezas en caliente,
esto por su alta focalidad en puntos muy específicos del material base, su
deposición de material controlado, además microscópico y por consiguiente zonas
afectadas por el calor menores que las producidas con los procesos
convencionales.
ÍNDICE
Capítulo I. Introducción.
1.1. Antecedentes 1
1.2. Objetivos 2
1.2.1. Objetivo general 2
1.2.2. Objetivos específicos 21.3. Justificación 3
1.4. Planteamiento del problema 31.5. Aportación tecnológica 41.6. Alcance 5
Capítulo II. Marco teórico.
2.1. Soldadura láser 6
2.1.1. Principio de funcionamiento 92.2. Láseres de estado sólido 10
2.3. Parámetros y variables importantes en un láser Nd:YAG 122.3.1. Calor de entrada (energía) 132.3.2. Duración de pulso 142.3.3. Variación del voltaje 152.3.4. Ancho del spot y distancia focal 16
2.3.5. Frecuencia y velocidad de barrido 182.4. Tipos de equipos láser 21
2.4.1. Flujo axial lento 222.4.2. Flujo axial rápido 23
2.4.3. Flujo transversal 242.5. Óptica para la transmisión y enfoque del haz 25
2.5.1. Sistemas de enfoque 272.6. Calidad del haz 28
2.6.1. Polarización del haz 30
2.7. Equipo de soldadura láser 31
2.7.1. Ventajas del proceso de soldadura láser 32
2.7.2. Limitaciones del proceso de soldadura láser 332.8. Absorción de energía 342.9. Soldadura de secciones delgadas 35
2.9.1. Ventajas en uniones de placas de secciones delgadas 35
2.9.2. Desventajas en uniones de placas de secciones delgadas. 352.10. Fijación de las placas a soldar 35
2.11. Aplicaciones del proceso de soldadura láser 372.12. Diseño de uniones para el proceso láser 392.13. Preparación de las uniones 40
2.13.1. Limpieza de los componentes 402.13.2. Tolerancias de separación 40
2.14. Seguridad para utilizar el equipo láser 412.15. Definición del acero 41
2.15.1. Clasificación de los aceros 41
2.15.2. Aceros al carbono 42
2.15.3. Aceros aleados 42
2.15.4. Aceros grado herramienta 432.16. Aceros grado herramienta para trabajo en frío y trabajo en caliente 44
2.16.1. Aportación del carbono © al acero 462.16.2. Aportación del cromo (Cr) al acero 462.16.3. Aportación de manganeso (Mn) al acero 462.16.4. Aportación del silicio (Si) al acero 46
2.16.5. Aportación del vanadio (V) al acero 47
2.16.6. Aportación del molibdeno (Mo) al acero 472.17. Introducción al desgaste en componentes 47
2.17.1. Tipos de desgaste superficial 472.17.2. Daño estructural 48
2.17.3. Deformación plástica 482.17.4. Fractura superficial 492.17.5. Daño superficial que involucra pérdida de material 492.17.6. Daño superficial que involucra obtención de material 502.17.7. Daño por corrosión 50
2.18. Acero grado herramienta H13 512.18.1. Procesamiento del acero H13 52
2.18.2. Tratamiento térmico aplicado al acero H13 532.18.3. Tratamiento térmico de normalizado 53
2.18.4. Tratamiento térmico de recocido 54
2.18.5. Endurecimiento superficial 542.18.6. Tratamiento térmico de revenido 54
2.18.7. Liberación de esfuerzos 54
2.18.8. Tratamiento superficial de nitrurado 552.19. Propiedades mecánicas del acero AISI H13 552.20. Composición química del acero AISI H13 582.21. Microestructura del acero AISI H13 58
2.22. Imperfecciones en recubrimientos láser con aporte en polvo y enalambre 59
Capítulo III. Análisis y discusión de bibliografía
Conclusiones 74
Referencias Bibliográficas 76
Lista de figuras 79
Lista de tablas 81
Resumen autobiográfico 82
CAPITULO I
INTRODUCCIÓN
1.1. Antecedentes
Hablar de los procesos modernos de soldadura es adentrarnos a un universo
infinito de conocimientos, tanto de materiales, como de técnicas utilizadas para
transformación de componentes, el cual nos abre un panorama extenso de lo que
es la tecnología en estos tiempos, solo basta con remontarnos tiempo atrás y
mirar cómo de una necesidad que tenían los primeros hombres que aparecieron
en este mundo, surgieron eventos que al día de hoy serían la base de la
tecnología moderna.
En la presente investigación va a estar referida a la reparación de componentes
grado herramienta, en el cual en la actualidad todas las reparaciones se realizan
por procesos convencionales, ya que al estar estos componentes sometidos a
constante golpeteo, el área de trabajo se desgasta perdiendo exactitud, para lo
cual durante la reparación se tiene que recubrir con material de aporte lo más
cercano en características de composición química posibles al material base, con
el objetivo de posteriormente maquinarlo, dándole las tolerancias y dimensiones
requeridas.
En la actualidad ya existen estudios en procesos de soldadura modernos,
enfocados a reparación de componentes grado herramienta, como el proceso PTA
(plasma de arco transferido). Este proceso ofrece características metalúrgicas
atractivas así como de una mínima distorsión, baja dilución y una microestructura
homogénea en los revestimientos o cordones aplicados en comparación con otros
procesos. El proceso PTA utiliza un material metálico en forma de polvo para
unirse a un substrato y producir un recubrimiento duro y resistente al desgaste el
cual está metalúrgicamente unido al substrato. En este trabajo se realizó un
estudio del efecto del amperaje, voltaje y flujo de gas de plasma del proceso PTA,
así como del precalentamiento y tratamiento térmico posterior a la soldadura, y el
tipo de metal de aporte en las características metalúrgicas y microestructurales de
los revestimientos aplicados en el acero grado herramienta D2. [2]
La importancia de estudio del estado del arte de proceso de soldadura láser
Nd: YAG, para generar el interés de los usuarios y dar a conocer las aplicaciones
que se tiene de este tipo de proceso de soldadura moderna, además de las
ventajas que nos ofrece.
1.2. Objetivos
1.2.1. Objetivo General
Estudiar el estado del arte del proceso de soldadura láser ND:YAG, enfocado a
la reparación de componentes acero grado herramienta H13.
1.2.2. Objetivos Específicos
• Identificar los parámetros de las variables más importantes del proceso
como lo es (velocidad de avance, calor de entrada, potencia del haz de luz,
etc.). con la finalidad de tener uniones de mejor calidad.
Analizar el impacto de las variables del proceso de soldadura láser
ND:YAG, las características microestructurales y sus propiedades
^
mecánicas del material encontradas en la reparación de componentes
grado herramienta.
1.3. Justificación
En la actualidad en México se tiene un déficit de especialistas en reparación de
herramentales como punzones, matrices, troqueles, moldes etc. utilizados
comúnmente para la fabricación de componentes automotrices, que en su mayoría
son fabricados de acero grado herramienta, por lo cual existe un derrame
económico importante dentro de las empresas que emplean estos procesos, ya
que cuando un componente de este tipo se desgasta, las reparaciones son algo
costosas y comprar nuevos componentes sería algo complicado.
Aunado a lo anterior, los pocos especialistas en reparación de herramentales,
utilizan procesos convencionales de soldadura como lo es el proceso GTAW (por
sus siglas en ingles proceso de soldadura por arco de tungsteno protegido por
gas), por lo anterior se propone realizar una búsqueda de información que permita
conocer los diferentes parámetros involucrados en la reparación de componentes
grado herramienta H13, a partir de una técnica no-convencional como lo es el
proceso de soldadura láser ND:YAG.
1.4. Planteamiento del problema
En la actualidad la reparación de componentes fabricados de acero grado
herramienta se llevan a cabo con procesos de soldadura convencionales, estos
procesos tienen una constante, que suelen ser muy económicos comparados con
los procesos modernos de soldadura, y esta característica lleva al usuario a
requerirlos por sus bajos costos, pero al analizar las variables que intervienen en
estos procesos nos damos cuenta que tienen una gran desventaja, que es la de
tener muchas complicaciones por la gran dilución que existe entre el metal base y
el metal de aporte.
Cabe mencionar que todos los procesos tienen ventajas y desventajas, pero el
objetivo de esta investigación es hacer una búsqueda exhaustiva para llevar a
cabo un caso de estudio, con el objetivo de comparar los procesos
convencionales, con los no-convencionales, y así que los resultados obtenidos nos
ayude a proponer que un método no-convencional puede ser más eficiente, que
un proceso convencional.
Un proceso de soldadura moderno como el láser, tiene una gran desventaja,
que es su costo, pero comparando la inversión realizada utilizada en
precalentamientos, pruebas y distintos métodos de calidad, utilizados en los
procesos convencionales podrían ser mucho más económicos.
El proceso de soldadura láser ND:YAG, presenta mayores ventajas para el
recubrimiento de componentes desgastados, ya que para la operación de fusión,
puede o no utilizar material de aporte y por medio del haz de luz se centra en
áreas bien definidas, que no se podría lograr conseguir con ningún otro proceso,
además de generar zona afectada por el calor reducida y eliminar por completo los
post y pre-calentamientos utilizados en otros procesos convencionales. Por lo
cual es importante evaluar y revisar el impacto de las variables que intervienen en
este proceso de soldadura moderno.
1.5. Aportación tecnológica
El presente trabajo busca concentrar información del proceso de soldadura
láser ND:YAG, con el objetivo de mostrar las características de los aceros grado
herramienta H13, sometidos a este proceso de soldadura, con el fin de enriquecer
el conocimiento en el área, que estará dirigida a todas las empresas relacionadas
con la reparación de componentes grado herramienta utilizados en la industria
metal-mecánica.
Respecto a las aportaciones tecnológicas, la presente investigación pretende
expandir la información sobre estos procesos modernos de soldadura, con el
objetivo de que los usuarios conozcan el método, en conjunto con sus ventajas y
desventajas para proporcionar las herramientas necesarias para optimizar tanto
tiempo, recursos financieros y calidad de sus productos.
1.6. Alcance
El alcance de esta investigación, consiste en realizar una recopilación de
información referente al estado del arte del proceso de soldadura láser Nd: YAG,
enfocado al impacto de las variables más importantes en la recuperación de
componentes de acero grado herramienta; con el objetivo de implementar la
tecnología de los procesos de soldadura modernos no convencionales, para
ayudar al desarrollo industrial en nuestro país y para competir con países
desarrollados tecnológicamente.
2.1. Soldadura láser.
CAPITULO II
MARCO TEÓRICO
Una máquina de soldadura láser es un dispositivo que produce un haz de luz
concentrado estimulando transiciones electrónicas o moleculares. La palabra láser
se define como la amplificación de luz por emisión estimulada de radiación. (Láser
por sus siglas en ingles). [1]
A grandes rangos el proceso de soldadura se puede definir de una forma más
sencilla en el cual la energía es utilizada con el fin de fundir y fusionar dos o más
materiales. [9]
Dirección delrecubrimiento Zona Afectada por el calor
Entrada de aporteen polvo
Figura 2.1. Representación esquemática de aportación de metal en un proceso Láser. [26]
En la práctica, un láser consiste en un medio colocado entre los espejos de una
cavidad de resonancia óptica. Cuando ese medio se excita hasta el punto en que
ocurre una inversión de la población en donde los átomos o moléculas activos del
medio alcanzan un estado energético superior al normal, en el cual se tendrá una
fuente de luz donde podrá reflejarse una y otra vez entre los espejos de la
cavidad. [8]
El resultado es la inducción de un efecto de cascada que hará que el nivel de
esta luz llegue a un valor de umbral (esto es, el punto en el que la ganancia de
amplificación de la luz que se produce comienza a exceder cualesquier perdida de
luz que puedan estar ocurriendo simultáneamente) en el cual el dispositivo podrá
comenzar a emitir un rayo de luz láser. [19]
Energía absorbida dela lámpara de flash
Energía emitidacomo calor
Energía emitidacomo luz
(Fotón)
0 Excitado
O Intermedio
Órbitas
normales de
los electrones
Electrones
interiores
Núcleos
Fuera de
los niveles
de energíade los
electrones
Figura 2.2. Principio de funcionamiento de un láser Nd:YAG. [10]
Desde el punto de vista de la ingeniería un láser es un dispositivo de
conversión que transforma energía de una fuente primaria (eléctrica, química,
térmica, óptica o nuclear) en un haz de radiación electromagnética con una
frecuencia específica (ultravioleta, visible o infrarroja). Esta transformación se
facilita gracias a ciertos medios sólidos, líquidos o gaseosos que al ser excitados
en una escala molecular o atómica producen una forma de luz muy coherente y
relativamente monocromática (que tiene una frecuencia bastante característica).
Además de ser coherentes y monocromáticos, tanto de baja como de alta
potencia, tienen un ángulo de divergencia muy pequeño. [8] que hace posible
transportarlos distancias relativamente grandes antes de concentrarlos (mediante
sistemas ópticos de enfoque de tipo transmitivo o reflectivo) a fin de suministrar los
niveles de densidad de potencia necesarios para realizar diversas tareas de
procesamiento de materiales como soldar, cortar y dar tratamiento térmico.
2.1.1. Principio de funcionamiento.
Un láser es un dispositivo que produce un haz de luz coherente concentrado,
estimulando transiciones electrónicas o moleculares a niveles de energía más
altos, que al regresar a su estado base emiten fotones (emisión estimulada), los
cuales pasan por un sistema óptico del equipo el cual está compuesto por
resonadores, que son dos espejos que reflejan y amplifican la luz, por un
colimador que concentra la luz antes de que salga como rayo láser [27].
£•
¿o-
t»
WW-^/i v£0
O
E
VWV* h v£0
m
Emisión espontánea
Absorción
F.misión estimulada
AA/W~id /jv
hv
vwy-»h- v
Figura 2.3. Principio de generación del rayo láser [28]
La soldadura con rayo láser es un proceso sin contacto por lo que no requiere
la aplicación de presión en general se emplean protección con gas inerte para
evitar la oxidación del charco fundido, y en ocasiones puede usarse metal de
aporte y una de las ventajas más importantes de este proceso es que su energía
es altamente enfocable y de esta forma una mínima cantidad de material es
afectado térmicamente. [15]
10
La ejecución de la soldadura láser requiere de algunos cuidados especiales. La
relación entre los parámetros de soldadura y las variables esenciales no son
intuitivas. De las tres principales aplicaciones industriales del láser (perforación,
corte y soldadura), la soldadura por mucho es la más compleja y difícil de manejar.
Enseguida se describen partes de los pasos a seguir para obtener uniones de
calidad mediante el proceso láser.
a) Preparación de las partes a unir.
Las partes deber ser limpiadas con alguna herramienta mecánica.
b) Ajuste.
Algunos de los parámetros pueden ser parte del programa que opera la estación
de trabajo y el láser. Algunos parámetros del láser pueden ser ajustados
manualmente, dando flexibilidad al ingeniero de manufactura.
c) Producción de soldadura.
Una vez que comienza la producción, la calidad de la soldadura debe ser
monitoreada. [9]
2.2. Láseres de estado sólido.
Los láseres de estado sólido emplean una impureza en un material anfitrión
como medio activo. Así como el ion neodimio (Nd) se usa como "contaminante", o
impureza añadida deliberadamente, en una barra de vidrio o bien un cristal de
YAG, y la longitud de onda del haz producido (1.06 um) la determina el ion
neodimio. El material productor del láser, o anfitrión, es un cilindro de alrededor de
150 mm de largo por 9 mm (0.375). Ambos extremos del cilindro se hacen planos
y paralelos con tolerancias muy estrictas, se pulen hasta un acabado óptico fino y
luego se platean para formar una superficie reflejante. El cristal se excita por
medio de una lámpara de criptón o xenón muy intensa. En la Figura 2.4 se
muestra un esquema simplificado de la disposición de la barra, la lámpara y los
espejos.
II
La selección del material anfitrión para el ion neodimio depende de varios
factores, entre ellos la posibilidad de fabricar grandes cantidades de barras con las
características ópticas requeridas (por ejemplo, que tengan dureza y factor de
pulibilidad aceptables) y niveles adecuados de conductividad térmica, vida
fluorescente útil, eficiencia y bandas de absorción óptica. Todos estos factores
influyen en la capacidad del sistema para emitir cantidades razonables de energía
en un solo pulso, y los mejores materiales son aquellos de los que puede
extraerse una gran cantidad de energía. Puesto que el cristal de YAG, posee
todas las características ideales citadas, constituye un excelente material anfitrión.
La ejecución de la soldadura láser, sin embargo requiere de algunos cuidadosespeciales. [9]
Charco
Espejo reflector
JE
Fuente de
poder
Lámpara flashde alta
intensidad
Espejo reflector
Lente de idealización
Soldadura
Sistema de
enfriamiento
Pieza de trabajo
Dirección desoldado
Figura 2.4. Representación esquemática de un láser de estado sólido Nd:YAG. [10]
Las características de salida de los láseres de Nd: YAG dependen del método
de excitación, que puede ser continuo pulsado. En la operación continua, el láser
se excita con lámparas de xenón para obtener niveles de potencia de hasta 10 w o
bien con lámparas de criptón para obtener niveles de potencia del orden de 100 w
o superiores. En los láseres pulsados las características de salida dependen de la
configuración de las lámparas. En la Tabla 2.1. Se presentan las características de
los láseres Nd: YAG, para tener una idea de la posibilidad de ajusfar la potencia
12
media, la energía de los pulsos, la duración de cada pulso y las tasas de repetición
de pulsos en láseres de este tipo. [10]
Tabla 2.1. Parámetros de salida de un láser Nd: YAG. [1]
Salida de un láser de ND:YAG
Operación de onda continua < 1000 W (multimodo)
Potencia media < 20 W (TEM00)
Divergencia 1-20 mrad
Diámetro del rayo 0.04-O.4 pulg
Longitud de pulso 0.1 a20 ms
Energía de salida < 500 J/pulso (multimodo)Tasa de repetición 200 Hz
Divergencia 10 mrad (multimodo)
Potencia máxima 10-50 KW
Potencia media 10-100 W
La banda de frecuencias relativamente estrecha que exhiben los láseres de Nd:
YAG facilita la operación de onda continua a temperatura ambiente, y permite a
estos láseres ocupar el segundo lugar, por debajo solo de los láseres de gas para
corte, en términos de generación de potencia óptica de onda continua.
En el modo a pulsado, el medio activo del láser de YAG se excita en forma
intermitente, no continua, utilizando una fuente de potencia pulsada para alimentar
la lámpara de bombeo.
2.3. Parámetros y variables importantes en un láser Nd:YAG.
Los parámetros o variables más importantes encontradas en el proceso de
soldadura Láser, es adentrarse a un mundo de variables en el cual la mínima
desviación de alguna de ellas, impactaran directamente a la calidad del charco de
soldadura, es por ello que en este trabajo se pretende detectar parte de los
parámetros que impactan en la unión de materiales por medio de fusión y por las
13
cuales se le adjudican parte de los defectos encontrados, enseguida se describen
algunos de los parámetros más importantes.
Recientemente se han realizado numerosos estudios encaminados a la
medición, supervisión y optimización de los parámetros del proceso y la calidad
del procesamiento de materiales con láser. Como resultado, se han desarrollado
sistemas de monitoreo del estado, supervisión del proceso y control en línea de la
calidad, incluyendo técnicas adaptativas y de optimización, introducción de
sensores de medición y estudios exhaustivos de la influencia de las variables
medibles o controlables del proceso.
Dentro de las variables medibles o controlables (parámetros) más importantes
del procesamiento de materiales con láser, se encuentran las siguientes.
• Calor de entrada (relación potencia y velocidad de barrido)
• Densidad de potencia (involucra el diámetro del punto focal y la potencia)
• Tipo y flujo de gas de protección
• Perfil del espacio del láser
A continuación se dará una explicación más detallada de cada una de ellas.
2.3.1. Calor de entrada, (energía)
El calor de entrada es una medida relativa de la energía trasferida por unidad
de longitud en el procesamiento de materiales con láser, y está dada por la
siguiente ecuación:
,,, pHI = - x n Ec. 1
v
Donde HI es el calor de entrada (en Watts.seg/mm o Joule.mm"1), P es la
potencia, Ves la velocidad de barrido y n la eficiencia de absorción [29].
En el tratamiento de materiales con láser, el calor de entrada tiene un efecto en
diferentes aspectos, como son en el micro y macroestructural, en la calidad y en
las fases que se presentan en la zona tratada. Numerosos estudios se han
realizado para analizar los efectos que tiene el calor de entrada, Y.J. Quan y
colaboradores [29], estudiaron los efectos del calor de entrada en una aleación de
Magnesio AZ31, realizaron 9 pruebas aumentando el calor de entrada con el
14
incremento de la potencia y con la disminución de la velocidad. En la
macroestructura obtuvieron los siguientes resultados (Figura 2.5).
(g) (h> (i)
Figura 2.5. Efecto del calor de entrada en la macroestructura a) 19.2 J/mm, b) 21.6 J/mm, c) 24
J/mm, d) 24 J/mm, e) 27 J/mm, f) 30 J/mm, g) 32 J/mm, h) 36 J/mm y i) 40 J/mm [29]
2.3.2. Duración de pulso.
En lo que respecta a la variable de la duración de pulso en un láser Nd:Yag, en
una investigación realizada se encontró que al incrementar la duración del pulso
causará un mayor ancho de deposición y mayor profundidad en la zona fundida
del material. En el cual en la siguiente figura se demuestra y afirman la teoría de
esta variable.
15
En la primer prueba se realizó un cordón de soldadura con parámetros de
200V, y 3MS, en el cual se obtuvo una ancho de deposición de material más
pequeña, comparado con los parámetros utilizados en otra prueba, pero con una
mayor duración de pulso (50MS), esto quiere decir que a mayor duración de pulso
tendremos cordones más anchos y más profundos.
200 V 3MS Dia.O 200 V 25 MS Día 0 200 V 50MS Dia.O
Figura 2.6. Representación de cordones de soldadura modificando la duración de pulsos en un
láser. [30]
2.3.3. Variación del voltaje.
Otro de los parámetros importantes en el proceso de soldadura láser, está
referido a la variación de voltaje, en el cual en la siguiente figura muestra que al
tener menor voltaje obtenemos profundidades bajas, y si aumentamos nuestra
variable de voltaje obtendremos cordones de soldadura más profundos.
16
Figura 2.7. Representación de cordones de soldadura variando los valores de voltaje en un láser.
[30]
2.3.4. Ancho del spot y distancia focal
Las variables de ancho del spot y distancia focal tienen un efecto directo en la
densidad de potencia que se va a entregar al material que estará sujeto al
tratamiento por láser, ya sea láser pulsado o continuo. La densidad de potencia es
inversamente proporcional al área de focalización, y el área está en función del
ancho del spot (que es el diámetro del spot), por lo que se puede inferir que a
mayor ancho del spot, mayor área de focalización y menor densidad de potencia.
Material a tratar por el láser
Penetración física en el material
Zona fundida
Variando el ancho de pulso
200v/ 3MS / Día. 0 200v/ 3MS / Día. 1 200v/ 3MS / Día. 2
aVa a causar una distribución más uniforme de la
zona fundida, lo cual disminuirá la penetración.
Figura 2.8. Efecto del ancho del spot en un láser. [30]
Prueba de enfoqueIncrementoen Z = 2mm
2.82 mm 2.97 mm 3.22 mm 3.45 mm 3.21 mm
-"
Desenfoque superior Desenfoque inferior
Figura 2.9. Efecto causado en el material por 2mm en la variación de la distancia focal [29]
17
18
2.3.5. Frecuencia y velocidad de barrido.
La frecuencia y la velocidad en el tratamiento de láser pulsado de materiales
son determinantes en el traslape de los pulsos y por lo tanto en los ciclos térmicos
(ver figuras 2.10) a los que estará expuesto el material al fundir y solidificar en
repetidas ocasiones.
Eventualmente la penetración no presenta cambio si la velocidad y la
frecuencia son variadas dentro de límites razonables. Para obtener una
penetración uniforme en el tratamiento por láser pulsado el traslape entre los
pulsos debe ser igual o mayor al 80%. En la siguiente figura se observa un
esquema de traslape de pulsos de 80% (Figura 2.10).
Pieza de
trabajo
d(a)-m-' MateriaMaterial
Solidificado
Figura 2.10. Requerimiento mínimo de traslape para una penetración uniforme. [10]
Como se observó en la figura anterior, la distancia recorrida entre pulsos S
debe ser al menos el 20% del diámetro del spot para lograr una penetración
uniforme en el material tratado [31].
Para calcular la frecuencia máxima posible (F(max)) se utiliza la siguiente
ecuación:
^(max) = P{ave)/E Ec- 2
19
donde P(ave) es la potencia promedio y E es la energía por pulso. Para el
cálculo de la velocidad correcta (V(maX)) para esta frecuencia se utiliza la siguiente
ecuación.
^(max) = f(max) *S Ec. 3
donde S como se había mencionado antes, es la distancia recorrida entre
pulsos [31].
El ciclo de trabajo en los láseres pulsados es dependiente de:
1. La frecuencia, que es una medida que se utiliza generalmente para indicar el
número de repeticiones de cualquier fenómeno o suceso periódico por unidad
de tiempo, para el láser pulsado la unidad de frecuencia que se utiliza es el
hertz (Hz), 1 Hz significa que un acontecimiento se repite una vez por
segundo.
2. El período es la duración de un ciclo en un evento repetitivo, por lo que el
período es el inverso de la frecuencia. El ciclo de trabajo de una señal
periódica es el ancho relativo de su parte positiva en relación con el período,
en el láser pulsado la duración de pulso es el ciclo de trabajo.
3. La amplitud es la magnitud de la variable que esta oscilando, en el láser
pulsado la amplitud es la potencia pico (P(peak))-
En la Figura 2.11. Se presenta la relación temporal de los pulsos de salida de la
lámpara de bombeo y el láser en un dispositivo de estado sólido pulsado
representativo.
LUZ DE
EXCITACIÓNA LA VARILLA
TIEMPO
20
Figura 2.11. Salida de un láser de estado sólido a pulsos típicos, comparada con el aporte de luz
de excitación a la varilla en función del tiempo. [1]
El inicio del pulso de la lámpara de destello establece una inversión de la
población en el medio activo. Cuando la ganancia del lazo llega a 1.0, se inicia la
acción del láser y continúa como una serie de picos a intervalos muy cortos
durante todo el pulso de la lámpara, estos picos se producen por conmutación de
la ganancia en el medio activo.[9] La ganancia se eleva rápidamente a un valor
elevado debido al intenso nivel de excitación; el resultado es una ganancia del
lazo elevada y una onda estacionaria de alta intensidad en la cavidad óptica lo
cual agota rápidamente la inversión de la población para esa longitud de onda en
particular, y la acción del láser se suspende. De este modo, el láser se apaga así
mismo momentáneamente al agotar toda su ganancia. A causa de los picos en la
salida, resulta difícil determinar la potencia máxima de un láser de estado sólido
pulsado, que además tiende a variar de un pulso a otro, aunque la energía y
duración globales de cada pulso permanezcan constantes.
Por estas razones, las especificaciones de los láseres de estado sólido
pulsados no suelen incluir la potencia de salida máxima. En vez de ello se
especifican la energía y la duración de los pulsos. La potencia de salida máxima
puede aproximarse dividiendo la energía del pulso entre su duración, lo mismo
que en otros láseres a pulsos.
21
La duración de los pulsos de los láseres de estado sólido puede ir desde 50 ps
hasta 50 ms, siendo la duración usual de alrededor de 1ms. Solo los láseres de
Nd: YAG pueden generar pulsos con duración mucho mayor que 2 ms, y algunos
perforadores láser de Nd: YAG emplean pulsos con duraciones de 5 a 8 ms.
El vidrio también tiene ciertas características deseables como material anfitrión
para láser. Una es que se pueden fabricar piezas grandes con excelente calidad
óptica y diversos tamaños y formas que van desde fibras con diámetros de unas
cuantas mieras hasta barras con diámetros del orden de 100 mm y longitudes de
hasta 2 m; sin embargo como la conductividad térmica del vidrio es menor que la
de la mayor parte de los anfitriones cristalinos; su enfriamiento presenta un
problema que puede limitar la tasa de repetición máxima en un nivel de energía de
pulso dado. Además, las líneas de emisión de los iones en vidrio son más anchas
que en materiales cristalinos. [8] Esto eleva el umbral del vidrio para la acción
láser, pues se requiere una mayor inversión de la población para obtener la misma
ganancia. Es importante resaltar la relación de entre los parámetros de la
soldadura y las variables esenciales no son intuitivas. [16]
2.4. Tipos de equipos láser.
Existen muchos tipos de láser que son utilizados en el procesamiento de
materiales, ya sea para la industria automotriz, medicina, y muchas otras
aplicaciones. De acuerdo al medio activo de cada equipo láser puede estar
constituido por un sólido, líquido, gas o incluso plasma, enseguida se enlistan
parte de los equipos láser más utilizados.
1. Láser de Argón: Es un láser de gas en el cuál el medio activo está formado por
iones de Argón.
2. Láser de Diodo: Es un láser en el cual el medio activo está compuesto por
semiconductores.
3. Láser de Dióxido de Carbono (C02): Es un láser de gas que contiene
moléculas de C02 como medio activo.
22
4. Láser de Nd:Vídrio: Láser de estado sólido en el que se utiliza una barra de
vidrio dopada con Nd como medio activo, que produce una longitud de onda de
1064 nm. [10]
Los láseres de CO2 del tipo de descarga eléctrica son los láseres de gas más
eficientes que existen actualmente para el procesamiento de materiales con láser
de alta potencia y es uno de los equipos más utilizados en el mercado
actualmente.
Estos láseres emplean una mezcla de gases constituida principalmente por
nitrógeno y helio que contienen un pequeño porcentaje de dióxido de carbono, y
usan una descarga eléctrica de iluminación para excitar este medio (es decir, para
excitar la molécula de CO2). El calentamiento del gas resultante se controla
haciendo fluir continuamente la mezcla de gases a través del área de la cavidad
óptica, por lo cual los láseres de CO2 normalmente se caracterizan de acuerdo
con el tipo de sistema de flujo de gas que se usan: axial lento, axial rápido o
transversal. [20]
2.4.1. Flujo axial lento.
El láser de CO2 más simple es el de flujo axial lento (SAF, por sus siglas en
ingles). El gas fluye en la misma dirección que el eje óptico del resonador láser y
el campo eléctrico de excitación, o trayecto de descarga del gas, como se muestra
en la Figura 2.12.
Ventana Cátodotransparente calado
Espejo desalidasemitransparente COj+N,
Ánodo Ventanacalado transparente
Líquido derefrigeración
Espejoa 100%
23
Figura 2.12. Diagrama esquemático de un láser con flujo axial lento. [23]
El flujo axial del gas se mantiene a través del tubo para renovar las moléculas
agotadas por los efectos de la descarga empleada para la excitación, que causa la
descomposición del CO2 enCOy O por bombardeo de electrones.
El enfriamiento del gas del láser se efectúa por conducción a través de las
paredes de los tubos de descarga hacia un refrigerante líquido en el manto de
enfriamiento, y luego se emplea algún tipo de sistema de intercambio de calor
externo para disipar el calor que se extrae continuamente de esta forma.
En cada uno de los extremos del tubo de descarga hay un espejo para cerrar la
cavidad resonante. Por lo regular, un espejo es totalmente reflejante (espejo
trasero) y el otro parcialmente reflejante y parcialmente transmisor (acoplador de
salida).
2.4.2. Flujo axial rápido.
Los componentes de los láseres de flujo axial rápido (FAF, por sus siglas en
ingles) están dispuestos de manera similar a los del láser de flujo axial lento
descrito anteriormente, excepto que en el caso del láser FAF se emplea un
ventilador o turbo bomba para circular el gas del láser a alta velocidad por la
24
región de descarga y los intercambiadores de calor correspondientes como se
muestra en la Figura 2.10.
OrüLSBombd
devatto
• lnw*ttft f nfiiv-iirnt* H
VAhruüde
jüviode
presión
Tinque de
reserva de OSistema de
bombeo
dejgiu
Figura 2.13. Vista esquemática de un láser C02 con flujo axial rápido. [22]
Dentro de los confines del láser mismo, el enfriamiento se acelera haciendo
pasar el gas del láser caliente por intercambiadores de calor gas-líquido. Esto
permite una extracción de calor mucho más rápida que en los láseres de flujo axial
lento, y hace posible alcanzar niveles de potencia de salida mayores que 2 KW por
metro de longitud de descarga. Actualmente hay láseres de flujo axial rápido con
niveles de potencia de salida de onda continua entre 500 y 6000 watts. [1]
2.4.3. Flujo transversal.
Los láseres de flujo transversal operan circulando gas continuamente en
dirección perpendicular al eje de la cavidad resonante por medio de un ventilador
de alta velocidad, al tiempo que se mantiene una descarga eléctrica perpendicular
tanto a la dirección del flujo del gas como al eje óptico del rayo láser. Como el
volumen del resonador es grande en comparación con su longitud, es posible
colocar espejos a ambos extremos para reflejar el rayo varias veces a través de
25
la región de descarga antes de trasmitirlo por un acoplador de salida. En la Figura
2.14. Se muestra un diagrama esquemático de un láser de flujo transversal.
DIRECCIÓN DEFLUJO DEL GAS
VENTILADOR
TANGENCIAL
SALIDA
DEL RAYO
MONITOR DE POTENCIA
EN TIEMPO REAL
INTERCAMBIADORDE CALOR
ESPEJOPOLARIZADOR
ESPEJO
TRASERO
ESPEJOPLEGABLE
ÁNODO SEGMENTADO
CÁTODO
ACOPLADOR DE SALIDA
OBTURADOR
VENTANA DE SALIDA
Figura 2.14. Diagrama esquemático de un láser de flujo transversal. [1]
La capacidad de tener un trayecto óptico largo dentro de una estructura
resonante corta permite a los láseres de flujo transversal ser compactos y a la vez
capaces de generar potencias de salidas muy altas. Actualmente pueden
obtenerse láseres de flujo transversal con niveles de potencia de salida de onda
continua entre 1 y 25 KW. [10]
2.5. Óptica para la transmisión y enfoque del haz.
Los rayos láser deben enfocarse a un punto de diámetro pequeño a fin de
producir la elevada densidad de potencia requerida para soldar. Esto se logra con
26
óptica transmisora (lentes) o reflejante (espejos). El tamaño de punto mínimo
puede variarse dependiendo del diseño de la óptica y de la distancia focal elegida.
Para un láser dado, el tamaño final del punto enfocado que puede lograrse es
directamente proporcional a la distancia focal empleada. Así, la densidad de
potencia resultante variará en forma inversamente proporcional al cuadrado de la
distancia focal, en tanto que la profundidad de foco lograda variará directamente
con la distancia focal. Por tanto, los rayos láser enfocados con óptica de distancia
focal corta, requiere mantener con mayor exactitud la distancia entre el lente y la
pieza de trabajo que los enfocados con distancia focal más larga.
La distancia focal práctica más corta que puede usarse para soldar con láser
C02es de aproximadamente 125mm. Puesto que el tamaño del punto en el plano
focal varía inversamente con el diámetro del rayo que incide sobre el elemento
óptico de enfoque, puede usarse un expansor del rayo para aumentar su diámetro
antes de enfocarlo. Esto permite usar distancias focales más largas sin tener que
sacrificar la densidad de potencia del rayo.
Con referencia a la Figura 2.15, la razón entre la distancia focal de la óptica y
del diámetro del rayo (f/do) recibe el nombre de numero F (F#). El tamaño de punto
del rayo láser enfocado (esto es, el diámetro del punto enfocado, ds) variará en
forma directamente proporcional a la longitud de onda del rayo y al F# del sistema
de enfoque como lo indica la siguiente ecuación. [10]
ds= K(F#)A = K(f/dO)A
ds es el diámetro del punto enfocado, K es una medida de calidad que especifica
la focalidad del rayo láser y Aes la longitud de onda del rayo.
La densidad de potencia del rayo láser en su foco es inversamente
proporcional al cuadrado del diámetro del rayo. Cuanto menor sea el F# de un
sistema determinado, menor será el diámetro el diámetro del punto enfocado y
mayor será la densidad de potencia. [10]
RAYO
LÁSER
LENTEPROFUNDIDAD
DE FOCO
DISTANCIA FOCAL DEL LENTE
f m
I*DIÁMETRODEL PUNTO
ENFOCADO
Figura 2.15. Enfoque de un rayo Gaussiano con un lente simple. [1]
2.5.1. Sistemas de enfoque.
27
Los sistemas láser de estado sólido de baja potencia por lo regular utilizan
óptica de transmisión (lentes) para enfocar el rayo sobre la pieza de trabajo, en
tanto que los láseres de gas de mayor potencia generalmente emplean óptica
reflejante (espejos) para este fin. Los espejos suelen ser de metal y se enfrían con
agua para resistir las elevadas potencias incidentes. Pueden tener recubrimiento.
En comparación con la óptica de transmisión, estos espejos son menos
sensibles a los contaminantes, derivado del proceso de soldadura y son más
fáciles de mantener en ambientes de producción industrial. Normalmente se
emplean espejos de cobre sin recubrimientos altamente pulidos, pero los espejos
recubiertos de oro ofrecen la más alta reflectividad y por tanto el menor grado de
atenuación del haz. Sin embargo son costosos y susceptibles a daños
superficiales.
Los espejos recubiertos con molibdeno, aunque también son costosos, tienen
una buena reflectividad y son menos susceptibles a daños por vapores y
salpicaduras. Así, un sistema láser puede usar espejos recubiertos de oro para
transmitir el rayo láser a la estación de trabajo, pero luego usar espejos recubierto
28
de molibdeno dentro de la estación. En la Figura 2.16.se muestran varios tipos
distintos de de cabezas de enfoque del tipo reflejante para la soldadura con rayo
láser de alta potencia. [9]
RAYO
ESPEJO
ESFÉRICO
ESFÉRICO
ESPEJO PLANOCON AGUJERO
CILINDRO
ESPEJOESFÉRICO
FUERA DE EJE
ESFÉRICO CORREGIDO PARABÓLICO
Figura 2.16. Cabezas de enfoque de rayo láser de multikilowatts. [1]
2.6. Calidad del haz.
ESPEJO
PLANO
La calidad del haz es una medida de su enfocabilidad, la cual es función del
modo transversal del haz y del grado de aberraciones y divergencia introducido
por la óptica. La energía radiante que oscila desde un extremo de la cavidad
resonante del láser hasta el otro forma un campo electromagnético intenso.
Este campo puede asumir muchas formas de sección transversal distintas,
llamadas modos electromagnéticos transversales (TEM, por sus siglas en ingles),
que establece la distribución radial de energía del láser. Este modo TEM se
29
expresa como TEMmn, donde los subíndices "m" y "n" especifican las líneas
modales transversales a lo ancho de la sección transversal del rayo emergente.
Así pues, la sección transversal del rayo queda segmentada en dos planos
distintos (perpendiculares entre sí) como se ilustra en la figura 2.17. [21]
I
DENSIDAD SECCIÓNDE ENERGIA TRANSVERSALRELATIVA DELRAYO
DENSIDAD DE ENERGÍA RELATIVA
v r~\SECCIÓNTRANSVERSADEL RAYO
L T LJ
(» »| h oo
ooV
Figura 2.17. Secciones transversales del rayo para cuatro modos TEM distintos. [21]
El número de modos de densidad de energía (o "valles") en cada una de estas
direcciones se expresa con un subíndice. Por tanto, la notación TEMoo representa
el modo de orden más bajo (o el rayo más puro), y la distribución de potencia a lo
ancho de este rayo es gaussiana. Un rayo TEMoo indica la máxima calidad del rayo
que puede obtenerse, quizá no sea el modo ideal para aplicaciones de soldadura,
dependiendo de la tarea específica que vaya a realizarse.
A potencias de salida de láser del orden de multikilowatts, la capacidad para
generar un rayo de alta calidad puede estar limitada por varios factores. Las
irregularidades en el medio del láser, fenómeno que es más común en las
30
unidades de flujo transversal que en las de flujo axial, afecta la calidad del rayo.
[21]
2.6.1. Polarización del haz.
Se ha demostrado que la velocidad de soldadura con láser depende de la
alineación del plano de polarización del rayo láser incidente relativa a la dirección
de movimiento del rayo. [10]
Generalmente el estudio de la dinámica de un láser supone una polarización
lineal obtenido bien por anisotropías en la cavidad, o bien por elementos ópticos
introducidos para producirla. Esto hace que se pueda considerar el campo
eléctrico como una variable escalar, sin embargo cuando el bombeo depende de
la polarización, o cuando la distribución de momentos dipolares eléctricos en el
medio láser estén fijados por simetrías (como en un cristal), es imprescindible
introducir un carácter vectorial.
Las más altas velocidades de soldadura con las geometrías de franja de
soldadura más angostas se obtienen cuando el plano de polarización coincide con
la dirección de la soldadura. En cambio si se suelda en dirección perpendicular al
plano de polarización, la velocidad de soldadura será la más baja. En vista de este
efecto, a menudo se emplea la "polarización circular" (esto es, igual en todas las
direcciones) del rayo láser para producir resultados consistentes con
independencia de la orientación de la dirección de la dirección de soldadura
respecto al plano de polarización.
La salida de un láser con frecuencia se caracteriza como "polarizada
aleatoriamente" o "polarizada linealmente". En el primer caso, el diseño del
resonador del láser permite al plano de polarización derivar en forma aleatoria.
Esto suele suceder a velocidades relativamente alta. [24]
31
2.7. Equipo de soldadura Láser.
Los láseres de gas de descarga eléctrica de alta potencia (6 KW o más)
generalmente incluyen tres subunidades básicas: la cavidad óptica, el circuito de
flujo de gas y el sistema de descarga eléctrica, que incluye la fuente de potencia y
los electrodos.
La cavidad óptica por lo regular se forma colocando de manera precisa espejos
metálicos enfriados por agua con radios de curvatura y espaciamientos
específicos que determinan el modo del rayo. Los espejos se montan en una
armadura o en una estructura similar diseñada para distorsionarse lo menos
posible con las variaciones de temperatura.
El circuito de flujo del gas contiene el gas láser, constituido aproximadamente
por 95% de helio y nitrógeno y 5% de dióxido de carbono. El gas se impulsa por el
circuito cerrado mediante una bomba de aspas axiales grandes. El gas se excita
eléctricamente en la cavidad de láser, donde se produce la potencia óptica; la
energía no aprovechada, en forma de calor, se elimina a través de un
intercambiador de calor gas-agua situado inmediatamente corriente debajo de la
cavidad del láser, y el gas se recircula para ser excitado otra vez.
El sistema de descarga eléctrica contiene una fuente de potencia ca, cd ó rf
conectada a una serie de electrodos para excitar el gas en todo el volumen de la
cavidad del láser. Además los láseres industriales de alta potencia utilizan
sistemas auxiliares, casi siempre controlados por un control numérico
computarizado (CNC) cuyo fin es que el sistema opere con rapidez y facilidad. Los
sistemas de control automatizan el arranque y el funcionamiento del láser con un
mínimo de funciones reguladas por el operador con el fin de que este no requiera
demasiada capacitación.
Entre los sistemas auxiliares que pueden encontrarse en un láser industrial
están: un sistema de suministro de gas para alimentar al láser gases
premezclados o en volúmenes discretos.
Un sistema de vacío para mantener la presión del láser en su nivel operativo o
para evacuar la cavidad del láser cuando se requiera renovar la mezcla de gases;
32
un suministro de agua para el intercambiador de calor y el enfriamiento de los
espejos; una ventana sólida o aerodinámica para llevar el rayo de alta potencia de
la cavidad del láser a presión reducida hasta el entorno de trabajo a presión
atmosférica; medidores de potencia para vigilar la potencia del rayo, y un sistema
de obturación del rayo que lo dirige a una estación de trabajo cuando el operador
o los controles de CNC lo requieran. [18]
2.7.1 Ventajas del proceso de soldadura láser.
Entre las ventajas importantes del proceso LBW están las siguientes:
1. El aporte de calor es cercano al mínimo requerido para fundir el metal de
soldadura; con esto se reducen los efectos metalúrgicos en la zona
afectada por el calor, y se minimiza la distorsión.
2. Se han calificado procedimientos de soldadura láser de una sola pasada en
-materiales de hasta 32mm de espesor, lo que permite reducir el tiempo de
soldadura de secciones gruesas y eliminar la necesidad de metal de aporte
(y de una preparación laboriosa de unión).
3. No se requieren electrodos; la soldadura queda libre de contaminación por
electrodos, marcas o daños por las corrientes de soldadura de resistencia
elevadas. Como este proceso es sin contacto, la distorsión se minimiza y
prácticamente se elimina el desgaste del herramental.
4. Los rayos láser se enfocan, alinean y dirigen fácilmente con elementos
ópticos. Así el láser puede colocarse en una distancia conveniente de la
pieza de trabajo y redirigirse de modo que sortee el herramental y los
obstáculos en la pieza de trabajo. Esto permite soldar en áreas que es difícil
de llegar con otros métodos.
5. La pieza puede introducirse y soldarse herméticamente en una cámara
evacuada o que contenga una atmosfera controlada.
6. El rayo láser puede enfocarse en un área muy reducida, lo que permite unir
componentes pequeños.
33
7. Es posible soldar una amplia gama de materiales.
8. El láser puede mecanizarse con facilidad para soldadura automatizada de
alta velocidad, incluso con control numérico computarizado (CNC).
9. Las soldaduras en materiales delgados y alambres de diámetro reducidos
menos susceptibles a retro combustión que cuando se hacen con arco. [9]
10. La presencia de campos magnéticos no afecta las soldaduras, como
sucede con las técnicas de arco y de haz de electrones; además, tiende a
seguir la unión hasta la raíz de la pieza de trabajo, aunque el rayo y la unión
no estén perfectamente alineados.
11. Es posible soldar metales con propiedades físicas, como resistencia
eléctrica, disímiles.
12. No se requiere vacío.
13. Se pueden lograr relaciones de aspecto (es decir, relaciones profundidad
; anchura) del orden de 10:1 cuando la soldadura se efectúa haciendo una
cavidad en el metal. [17]
14. El movimiento del haz es instantáneo, puede alcanzar velocidades muy
altas y tener rápidos inicios y paradas en cuestión de segundos. [9]
2.7.2. Limitaciones del proceso de soldadura láser.
La soldadura con rayo láser tiene ciertas limitaciones cuando se le compara
con otros métodos de soldadura; entre ellas están las siguientes:
1. Las uniones deben colocarse lateralmente con mucha exactitud bajo el rayo
y en una posición controlada respecto al punto focal del rayo.
2. Si es preciso empujar mecánicamente una superficie de trabajo contra la
otra, el mecanismo de sujeción debe garantizar que la posición final de la
unión este alineada exactamente con el punto de incidencia del rayo.
3. El espesor máximo de una unión que puede soldarse con rayo láser está
limitado. Actualmente se considera que una penetración de soldadura mayor
1
34
que unos 19mm no es práctica para aplicaciones de proceso de soldadura
láser en producción industrial.
4. La elevada reflectividad y conductividad térmica de algunos materiales,
como las aleaciones de aluminio y de cobre, pueden afectar su soldabilidad
con láseres.
5. En la soldadura con láseres de potencia moderada a alta, es preciso
emplear un dispositivo de control de plasma apropiado para asegurar que la
soldadura sea reproducible.
6. Los láseres tienden a tener eficiencias de conversión de energía bastante
baja, generalmente por debajo del 10%.
7. Como consecuencia de la característica de solidificación rápida del proceso
de soldadura láser, es de esperar un cierto grado de porosidad e
inelasticidad de la soldadura. [10]
2.8. Absorción de energía.
La efectividad de la soldadura por láser depende de cómo la pieza de trabajo
absorbe la energía del rayo. Las superficies metálicas brillantes a temperatura
ambiente tienen una gran reflectividad a la luz láser, sobre todo a la longitud de
onda de 10.6pm.
La absorción de radiación en la mayor parte de los metales aumenta con la
temperatura y la temperatura superficial se incrementa rápidamente en el punto de
incidencia del rayo cuando el metal se expone a radiación láser con alta densidad
de potencia. A densidades de potencia del orden de 1550 W/mm2, la mayor parte
de los aceros y súper aleaciones alcanzan un valor de umbral de absorción, en el
cual el nivel de absorción es cercano al 90%. En el aluminio y el cobre, este valor
de umbral se alcanza a intensidades de aproximadamente 15500 W/mm2, y en
tungsteno se alcanza a 155000W/mm2. [1]
35
2.9. Soldadura de secciones delgadas.
En algunas aplicaciones, la velocidad de soldadura puede reducirse para lograr
una unión más ancha gracias a efectos de conducción. Este método se aplica con
frecuencia a aplicaciones de soldadura de láminas metálicas a tope en las que las
tolerancias de ensamble obligan a emplear velocidades de soldadura más bajas
para asegurar la confiabilidad y repetibilidad del proceso.
La soldadura con rayo láser es excelente para soldar secciones delgadas. Se
han soldados láminas con espesores tan bajos como de 0.0025mm empleando
láseres pulsados. Las máquinas soldadoras con láseres de ND:YAG y CO2
pulsados son especialmente apropiadas para soldar secciones delgadas. [1]
Entre las ventajas y desventajas de la soldadura con láser pulsado están:
2.9.1. Ventajas en uniones de placas de secciones delgadas.
1. Zonas de fusión y térmicamente afectadas pequeñas.
2. Bajo aporte de calor.
3. Capacidad de hacer soldaduras provisionales de precisión.
4. Propiedades únicas de transferencia de calor con láseres.
2.9.2. Desventajas en uniones de placas de secciones delgadas.
1. Tasas de enfriamiento extremadamente altas.
2. Sensibilidad a la química de los materiales.
3. Problemas de acoplamiento con materiales de alta reflectividad. [10]
2.10. Fijación de las placas a soldar.
La fijación es extremadamente importante cuando se sueldan con láser
secciones delgadas. Las tolerancias deben ser estrictas para mantener el
36
embonamiento de las uniones sin que haya desalineación ni huecos. Las uniones
de borde perpendicular son preferibles para soldar secciones delgadas ya que así
crece la sección transversal real de la unión. Es difícil diseñar uniones a tope para
soldarlas con láser, y la distorsión durante la soldadura puede dar lugar a
desalineaciones o huecos. [1]
Rayo láser
\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\V\\V\\\^\\\V
Fijación de soporte
ti O
O
Unión por soldar
O
O
Fijación de sujecióntransparente
Figura 2.18. Empleo de fijaciones de sujeción transparentes para soldar secciones delgadas
planas. [25]
Las desventajas de la soldadura de secciones delgadas con rayo láser
generalmente tienen que ver con el agrietamiento del material o los problemas de
acoplamiento del láser. Las grietas por lo regular se deben a la rapidez de
enfriamiento, que puede causar fases quebradizas indeseables en algunos
materiales, o a problemas de la química de los materiales, que pueden causar
agrietamiento en caliente. En la mayor parte de los casos, estos problemas
pueden resolverse con precalentamiento o bien empleando láseres con diferente
longitud de onda para reducir las tasas de enfriamiento, o cambiando a un material
más apropiado en el caso del agrietamiento en caliente. [22]
37
Los problemas de acoplamiento se presentan cuando los materiales (como el
cobre, aluminio y la plata) presentan alta reflectividad a la longitud de la onda del
rayo láser. Por lo regular el problema se resuelve de una de tres maneras:
1. Cambiando a un láser de diferente longitud de onda.
2. Grabando o pintando la superficie para reducir la reflectividad.
3. Empleando una soldadura de agujero calado.
2.11. Aplicaciones del proceso de soldadura láser.
La soldadura con rayo láser se está usando en una amplia variedad de
aplicaciones, como en la producción de transmisiones automotrices y unidades de
embrague de acondicionadores de aire. El proceso se está usando también para
la fabricación de relevadores y sus recipientes y para sellar dispositivos
electrónicos y estuches de marcapasos cardiacos. Otras aplicaciones son la
soldadura continúa de tubos de aluminio para ventanas térmicas y puertas de
refrigeradores.
Entre las aplicaciones de la soldadura que más éxito ha tenido esta la
soldadura de componentes de transmisiones (como engranes de sincronización,
engranes de impulso y cajas de embragues) para la industria automotriz. Estas
soldaduras anulares y circunferenciales requieren rayos con potencia de entre 3 y
6 KW, dependiendo de la velocidad de la soldadura empleada, y penetraciones
que por lo regular no excedan los 3.2 mm. Los materiales soldados son aceros al
carbono o de aleación. En algunos casos, como los dientes de los engranes, se
han endurecido selectivamente antes de soldar. La soldadura con rayo láser de
tales ensambles tienen muchas ventajas. El bajo aporte de calor del láser no
afecta las zonas pre endurecidas adyacentes a la soldadura. Además este bajo
aporte de calor produce un mínimo de distorsión, lo que hace posible soldar
estampados de precisión con las dimensiones finales. [22]
38
A) B)
C) D)
Figura 2.19. Aplicaciones en reparaciones de aceros grado herramienta con el proceso láser. A)
Flechas de turbo maquinaria. B) Engranajes. C) Moldes de inyección de plástico. D) Componentes
de turbina. [26]
39
2.12. Diseño de uniones para el proceso láser.
Las uniones diseñadas para soldarse con láser deben satisfacer los criterios
del ingeniero industrial, y se debe considerar las especificaciones de resistencia
mecánica y seguridad. Las uniones deben ser accesibles para un rayo láser
enfocado y además económicas considerando las operaciones de maquinado
requeridas antes y después de soldar. Un buen diseño de unión puede mejorar un
sistema de producción de soldadura con rayo láser porque afecta el diseño del
herramental, la fabricación y el mantenimiento.
Un diseño de unión óptimo puede facilitar el ensamblado de una pieza antes de
la soldadura, además las uniones soldadas deben ser fáciles de inspeccionar. Se
pueden configurar diversos tipos de uniones en el proceso de soldadura con rayo
láser. Las uniones empleadas en la construcciones soldadas con láser
normalmente se diseñan para fines estructurales, de ensamble, de sellado u otros
propósitos similares. En la Figura 2.20. Se muestran algunos tipos de uniones
empleadas en construcción soldadas con láser. [1]
nUNIÓN A TOPE
UNIÓN DE BRIDA
UNIÓN TRASLAPADA
SOLDADURA DE BESO
UNIONES EN LAMINA METÁLICA
E
Figura 2.20. Configuraciones de unión para soldadura láser en láminas. [1]
SOLDADURA
CUADRADAA TOPE
\
EJESOLDADURA
DE SURCO
CUAORADO:
DOBLEBARBILLA;
AUTORRESPALDO
UNIONES A TOPE
A
SOLDADURA
DE SURCOINCLINADO
SOLDADURA DE
FUSIÓN A TRAVÉSSOLDADURA DE SURCO
CUADRADO ÚNICO
UNIONES EN T
C
l
SOLDADURA
A TOPECUADRADA
5SOLDADURA
DE FUSIÓN
A TRAVÉS
\
^Í
SOLDADURA
DE FUSIÚNA TRAVÉS
UNIONES DE ESQUINA
B
SOLDADURA DE SURCOCUAORADO DOBLE
SOLDADURADE BORDE
SOLDADURA DEFUSIÓN A TRAVÉS
UNIONES TRASLAPADASD
40
Figura 2.21. Configuraciones de unión para soldadura con láser. [1]
2.13. Preparación de las uniones.
2.13.1. Limpieza de los componentes.
Todas las uniones soldadas con láser deben de estar libres de óxido,
incrustaciones, lubricantes y demás contaminantes.
2.13.2. Tolerancia de separación
Ya se mencionó la sensibilidad de las soldaduras traslapadas a la separación
entre las piezas. Las uniones a tope, en T y similares también son sensibles a
huecos. La tolerancia de separación para estas piezas depende del espesor del
material, de la velocidad de soldadura, del diámetro del rayo y de la calidad del
rayo. Normalmente, la tolerancia de separación aumenta con el espesor del
material; sin embargo, al aumentar la separación, el refuerzo que normalmente se
asocia al embonamiento línea con línea de las soldaduras con láser disminuye. Si
la separación es demasiado grande para que haya refuerzo de la franja de
41
soldadura se producirá un sobrellenado al hacerse más grande la separación, el
sobrellenado será más severo hasta llegar a una completa falta de fusión esta
condición se caracteriza porque el rayo pasa a través de la separación sin ser
absorbido por la pieza de trabajo en las superficies de unión. [1]
2.14. Seguridad para utilizar el equipo láser.
El mal uso del equipo láser puede causar daños permanentes a los ojos y la
piel tanto de los operadores como del personal cercano. Además, se requieren
medidas de prevención especificas para evitar otros riesgos potenciales que a
veces están asociados a la empleo de láseres, como los peligros relacionados con
el mantenimiento de fuentes de potencia de alto voltaje y con los humos y vapores
dañinos que pueden liberase al procesar con láser ciertos materiales. En algunos
casos estos peligros pueden ser más críticos que los relacionados con el rayo a
los cuales se les suele conceder mayor importancia. [1]
2.15. Definición del acero.
El acero es una aleación de hierro y carbono, donde el carbono no supera el
2,1% en peso de la composición de la aleación, alcanzando normalmente
porcentajes entre el 0,2% y el 0,3%. Porcentajes mayores que el 2,0% de carbono
dan lugar a las fundiciones, aleaciones que al ser quebradizas y no
poderse forjar (a diferencia de los aceros), se moldean. [6]
2.15.1. Clasificación de los aceros. [6]
Los aceros se clasifican en:
• Aceros al carbono.
• Aceros aleados.
• Aceros inoxidables.
• Aceros grado herramienta.
42
2.15.2. Aceros al Carbono.
El acero al carbono es una aleación de composición química compleja. Además
de hierro, cuyo contenido puede oscilar entre 97,0-99,5%-, hay en él muchos
elementos cuya presencia se debe a los procesos de su producción (manganeso y
silicio), a la dificultad de excluirlos totalmente del metal (azufre, fósforo, oxígeno,
nitrógeno e hidrógeno) o a circunstancias casuales (cromo, níquel, cobre y otros).
[4]
2.15.3. Aceros aleados.
Se da el nombre de aceros aleados a los aceros que además de los cinco
elementos: carbono, silicio, manganeso, fósforo y azufre, contienen también
cantidades relativamente importantes de otros elementos como el cromo, níquel,
molibdeno, etc., que sirven para mejorar alguna de sus características
fundamentales.
También puede considerarse aceros aleados los que contienen alguno de los
cuatro elementos diferentes del carbono que antes hemos citado, en mayor
cantidad que los porcentajes que normalmente suelen contener los aceros al
carbono, y cuyos límites superiores suelen ser generalmente los siguientes:
Si=0.50%; Mn=0.90%; P=0.100% y S=0.100%.
Los elementos de aleación que más frecuentemente suelen utilizarse para la
fabricación de aceros aleados son: níquel, manganeso, cromo, vanadio, wolframio,
molibdeno, cobalto, silicio, cobre, titanio, circonio, plomo, Selenio, aluminio, boro y
Niobio. [4]
43
2.15.4. Aceros Grado Herramienta.
En este grupo se incluyen todos los aceros que normalmente se emplean para
la fabricación de útiles o herramientas destinados a modificar la forma, tamaño y
dimensiones de los materiales por cortadura, por presión o por arranque de viruta.
Los aceros de herramientas tienen generalmente un contenido en carbono
superior a 0.30%, aunque a veces también se usan para la fabricación de ciertas
herramientas, aceros de bajo contenido en carbono (0.1 a 0.30%).
En la actualidad las aplicaciones de los aceros grado herramienta se han
incrementado considerablemente debido a la creciente demanda del sector
industrial en el área de procesos de conformado y manufactura de herramentales.
Esto ha generado el desarrollo de técnicas y procedimientos con diversos
procesos de soldadura como (SMAW), (GTAW), (SAW), para la recuperación de
componentes expuestos al desgaste mecánico y ambientes corrosivos, en donde
el campo de aplicación de estos aceros es para trabajo en frío, trabajo en caliente
y para la fabricación de moldes de inyección para plástico. [2]
Las operaciones básicas de conformado están divididas dentro de muchas
categorías las cuales son corte, doblado y embutido. Todas estas operaciones
requieren que las porciones de la pieza de trabajo estén sometidas a
deformaciones plásticas. [3]
Para transformar el acero se dividen en 2 trabajos importantes como lo son:
Trabajo en frío.
Trabajo en caliente.
2.16. Acero grado herramienta para trabajo en frío y trabajo en
caliente.
44
Un lingote de acero tiene un uso muy reducido hasta que se le da una forma tal
que puede usarse en un proceso de manufactura. Si el lingote es admitido en frío,
se vuelve bastante difícil, si no es posible, convertir el material por medios
mecánicos en una forma estructura, acero en barra o lámina. Sin embargo, si el
lingote se trabaja en caliente, puede martillarse, prensarse, rolarse o extruirse en
otras formas. Debido a la desoxidación y otras desventajas del trabajo en caliente
a temperaturas elevadas, la mayoría de los metales ferrosos se trabajan en frío o
se terminan en frío después del trabajo en caliente para obtener un buen acabado
superficial, alta exactitud dimensional y mejorar las propiedades mecánicas.
Los dos tipos de trabajo mecánico en los cuales el material puede sufrir una
deformación plástica y cambiarse de forma son trabajos en caliente y en frío. [4]
La diferencia entre trabajo en caliente y en frío no es fácil de definir. Cuando al
metal se le trabaja en caliente, las fuerzas requeridas para deformarlo son
menores y las propiedades mecánicas se cambian moderadamente. Cuando a un
metal se le trabaja en frío, se requieren grandes fuerzas, pero el esfuerzo propio
del metal se incrementa permanentemente.
El trabajo en frío debe hacerse a temperaturas abajo del rango de re
cristalización y frecuentemente es realizado a temperatura ambiente. Para el acero
la re-cristalización permanece alrededor de 500 a 700° C, aunque la mayoría de
los trabajos en caliente del acero se hacen arriba de este rango. [5]
En este parte de la investigación hemos estado hablando de los trabajos de
conformado del acero, pero para lograr que estos aceros sean utilizados para
fabricación de matrices para molde de inyección de plástico o para punzones de
forma o de corte, necesitaremos un material más resistentes, esto con la finalidad
de que tenga mejor resistencia al desgaste, tanto térmico como mecánico, mayor
dureza, en sí mejores propiedades mecánicas dependiendo el uso. Es por ello que
45
a continuación se muestra algunas características de identificación para los aceros
grado herramienta, que es el tipo de material en que se va a basar esta
investigación.
Tabla 2.2. Clasificación de acero grado herramienta según AISI/SAE. [7]
Acero y sus aplicaciones
Cr-Mo-V
Acero robusto para trabajo en frío indicado para corte yconformado.
D2 Presentan alta resistencia al desgaste y gran tenacidad.
SI Alta resistencia al impacto, trabajo en frío, troqueles cuchillas etc.
S2 Troqueles de alta resistencia al impacto.
H13 Apto para continuos choques térmicos.
L6 Para dados de forja y muy alta tenacidad.
M2 Herramientas de corte, demanda alta tenacidad.
TI Herramientas de corte con un alto rendimiento con 18% de W.
P4 Moldes de plástico, acabado pulido espejo.
AISI 1045
Utilizado en construcción de engranes, piñones, tornillos, flechas de
bombas, flechas de transmisión, cigüeñales y componentes de
máquinas.
AISI 1020
Utilizado para fabricación de engranes, pines endurecidos
Superficialmente, piñones cadenas, tornillos, prensas y levas.
En lo que respecta a la tabla nos muestra las características de los aceros
grado herramienta, en el cual están ubicados e identificados por la composición
química que tienen cada uno de ellos y del uso o aplicación que tienen.
En cuanto a los elementos aleantes se puede observar (cromo Cr, tungsteno
W, molibdeno Mo, y otros más), en cual estos elementos hacen una función
específica para aumentar las diferentes propiedades mecánicas, por ejemplo:
46
2.16.1. Aportación del carbono (c) al acero.
El carbono es un elemento aleante que se encuentra presente en todos los
aceros hasta un 2%, pero generalmente de 0.04 a 0.50%, alcanzando fuerte
influencia sobre ellos.
El carbono es uno de los elementos más importantes en el acero y/o en la
soldadura, ya que determina el grado de soldabilidad y propiedades mecánicas delos aceros y soldaduras.
2.16.2. Aportación del cromo (Cr) al acero.
Incrementa la dureza, la resistencia y reduce ligeramente la elasticidad. Mejorala resistencia al calor y a la oxidación a temperaturas altas. Junto con el carbono,
forma un carburo de alta resistencia al desgaste y aumenta la resistencia a latensión.
2.16.3. Aportación del manganeso (Mn) al acero.
El manganeso se encuentra presente en todos los aceros en cantidades quealcanzan hasta el 2%. Es un elemento que mejora las propiedades de resistencia
del acero e influye favorablemente sobre las propiedades de soldabilidad y forja,incrementa la resistencia a la tensión.
2.16.4. Aportación del silicio (Si) al acero.
Al igual que el manganeso, se encuentra presente en todos los aceros debido a
que los minerales utilizados en la fabricación lo contienen en una cantidad
variable.
En cantidades que alcanzan hasta el 2%, mejora significativa- mente la resistenciaa la oxidación a altas temperaturas.
47
2.16.5. Aportación del vanadio (V) al acero.
El efecto principal del vanadio consiste en retinar el grano y mejorar las
propiedades mecánicas.
2.16.6. Aportación del molibdeno (Mo) al acero.
Es un elemento común en el acero, aumenta mucho la profundidad de
endurecimiento del acero, así como su tenacidad. Los aceros inoxidables
austeniticos contienen molibdeno para mejorar la resistencia a la corrosión.
Es así como todos los elementos aleantes cumplen con un fin específico para
darles mejores propiedades al material. [11]
2.17. Introducción al desgaste en componentes.
Quizá el mayor reto en la solución de los problemas de desgaste es la de
anticipar el tipo de desgaste a los que los componentes serán sometidos. El
material puede ser removido por tres principales formas:
• Fusión.
• Disolución Química.
• Separación física de los átomos de la superficie.
Los procesos mecánicos y físicos pueden funcionar por separa o en conjunto,
tales como la abrasión en un medio corrosivo. [12]
2.17.1. Tipos desgaste superficial.
En principio una superficie puede presentar daños de un solo tipo, pero en
general el patrón es una combinación de dos o más tipos. La examimación y la
48
interpretación pueden ser bastante complejos, es por ello que a continuación se
describen varios de los tipos de desgaste más comunes.
2.17.2. Daño estructural.
Daño por cambios estructurales, tales como el envejecimiento del temple,
transformaciones de fase, re cristalización etc.
Figura 2.22. Muestra el tipo de desgaste estructural en un cubo de material. [12]
2.17.3. Deformación plástica.
Daño caracterizado por deformación residual en la capa superficial. Este es
visualizado por su cambio en su forma.
Figura 2.23. Muestra el tipo de desgaste llamado deformación plástica. [12]
49
2.17.4. Fractura superficial.
Los daños causados por el exceso de tensiones de contacto local o variaciones
cíclicas son inducidos ya sea por energía mecánica o térmica. En este último caso
la densidad de estas tensiones pueden causar patrones de grietas paralelas,
mientras que las variaciones cíclicas térmicas pueden causar una completa red de
fracturas.
Figura 2.24. Muestra el daño por fractura superficial. [12]
2.17.5. Daño superficial que involucra pérdida de material.
La pérdida de material en la superficie, deja marcas o rugosidades en
diferentes formas y tamaños. Los elementos fundamentales en el proceso de
remoción de material pueden ser por corte por fractura, extrusión, formación de
viruta, desgarre, fractura frágil o fractura por fatiga.
50
Figura 2.25. Muestra el daño superficial por pérdida de material. [12]
2.17.6. Daño superficial que involucra obtención de material.
La captación de las partículas sueltas que transfiere el material a la superficie.
Figura 2.26. Muestra el daño superficial por obtención de material. [12]
2.17.7. Daño por corrosión.
Degradación del material por reacciones químicas.
Figura 2.27. Muestra el daño superficial por corrosión del material. [12]
51
En referencia a este tema, existen muchos más tipos de desgaste que se
presentan en los materiales, que se podría realizar un manual completo sobre este
tema, es por ello que en esta investigación se mencionan los tipos de desgastes y
por los tanto los desgastes comunes referidos al tema de herramentales.
2.18. Acero grado herramienta H13.
El acero del tipo AISI H13, es un acero ultra resistente con un contenido del 5%
de cromo, el cual es muy similar al acero AISI H11, en composición, tratamientos
térmicos y muchas propiedades. La diferencia principal en composición es el alto
contenido de vanadio que tiene el acero H13, esto ayuda a tener una gran
dispersión de los carburos duros de vanadio, el cual resulta en una alta resistencia
al desgaste. También el acero H13, tiene un rango medio de carbono, según el
productor, el contenido de carbono en el acero H13 puede estar cerca de los altos
o bajos valores del rango aceptado, con una variación correspondiente en
resistencia y ductilidad, obtenido gracias a un tratamiento térmico.
El acero H13, es un acero endurecido. Tiene una gran resistencia y mantiene
una gran dureza y resistencia a elevadas temperaturas. Este acero tiene una
característica importante, que es la de permitir realizar endurecimientos profundos,
el cual en secciones de aleaciones largas puede ser endurecido al enfriarlo al aire.
El acero H13, puede ser tratado térmicamente y obtener resistencia excediendo
los 2070 MPa (300 Ksi), tiene una buena ductilidad y resistencia al impacto,
además, tiene buena resistencia a la fatiga térmica. Las herramientas fabricadas
de acero H13 utilizadas en trabajos en caliente, pueden ser seguras al enfriarlas
con agua en operaciones de trabajos en caliente; Este material resiste la fatiga
térmica, erosión, y el desgaste, este es preferido para fabricar dados o moldes de
aluminio y fundiciones de magnesio, y muchas otras más aplicaciones para
trabajos en caliente. Sin embargo, el acero H13 está sujeto a agrietamientos por
hidrogeno, esto puede evitarse por medio de un tratamiento superficial de
nitrurado, esto con la finalidad de adquirir mayor resistencia al desgaste.
52
A pesar que el acero H13 no sea utilizado tan ampliamente como el acero H11,
las similitudes en composición, hacen igualmente atractivas para distintas
aplicaciones. Este material está disponible en barras, varillas, lingotes y forjados.
Las aplicaciones típicas en trabajos en caliente incluyen dados para fundición,
insertos, núcleos, camisas, matrices, matrices de extrusión, mandriles,
herramientas y otras aplicaciones estructurales que incluyen punzones, ejes,
vigas, barras de torsión, pantallas térmicas y trinquetes.
2.18.1. Procesamiento del acero H13.
Para forjar el acero H13, se calienta lentamente, y de manera uniforme a una
temperatura de 1090 a 1150° C, preferiblemente después de un precalentamiento
de 760 815° C, el acero debe estar bien caliente antes de realizar la operación de
forja. Pero no es recomendable que se caliente por debajo de los 900° C, además
las piezas pueden recalentarse cuantas veces sea necesario.
Debido a las características del acero H13, en el cual el endurecimiento se realiza
al aire, las piezas deben de enfriarse lentamente después de la forja. Las piezas
pueden ser enfriadas por medios aislantes como cenizas, cal o mica expandida.
La práctica recomendada para realizar la operación de forjado en piezas muy
grandes, se recomienda utilizar un horno calentado a 790°C, esto hasta que la
temperatura alcance un nivel de homogenización de temperatura uniforme,
apague el horno, y deje enfriar las piezas lentamente, por lo tanto se debe de
realizar un recocido del material completo globular, si el acero H13, con un
tratamiento térmico de recocido se quiere realizar una operación de soldadura, el
material debe tener un precalentamiento de 540°C, para realizar el
precalentamiento de la pieza, se recomienda utilizar un horno para garantizar la
aplicación uniforme de temperatura y que esté libre de estrés por calentamiento.
Después de la soldadura, las piezas deben de ser enfriadas lentamente,
utilizando un medio aislante. Para realizar una soldadura en componente como un
dado, ya tratado térmicamente, se puede realizar el mismo procedimiento de
53
precalentamiento, de preferencia en un horno a 55°C, por debajo de la
temperatura original, después de la operación de soldadura, es necesario que las
piezas se introduzcan en el horno, a la temperatura que se llevo a cabo el
precalentamiento y se enfría lentamente a temperatura ambiente. Se recomienda
que las piezas lleven un proceso de recalentado, hasta llegar justo por debajo de
la temperatura original y posteriormente sean enfriados al aire, esto ayuda a
liberar las tensiones que se alcanzaron con la temperatura de la soldadura, y la
mezcla de durezas encontradas en la zona afectada por el calor, tanto de la
soldadura y el metal base. Independiente de la situación, el precalentamiento
adecuado y un enfriamiento lento, es esencial para minimizar el riesgo de
agrietamiento durante la soldadura. [11]
2.18.2. Tratamientos térmicos aplicados al acero H13.
2.18.3. Tratamiento térmico de normalizado.
El normalizado, no es recomendable para el acero H13, una cierta mejora para
la homogeneidad, se puede obtener en el proceso del precalentado a 790°C, el
calentamiento se pretende que se realiza de manera lenta y uniforme en un rango
de 1040 a 106°C, y que las piezas se mantengan alrededor de Ihora, por cada
25mm de espesor, que posteriormente sea enfriado al aire, justo antes de que la
pieza obtenga la temperatura ambiente, este es recalentado en horno, hasta tener
un recocido completo.
Nota: Existe el riesgo de agrietarse durante el tratamiento, especialmente si la
práctica se realiza en un horno, en el cual la atmosfera no se controla
debidamente para evitar la descarburación superficial.
54
2.18.4. Tratamiento térmico de recocido.
Para realizar este tratamiento térmico, es recomendable que el calor sea de
manera uniforme y se lleve a una temperatura de 860 a 900°C, en un horno de
atmosfera controlada, y que la pieza este recubierta con un compuesto neutro,
para evitar la descarburación. Enfriar muy lentamente en el horno a 480°C, luego
enfriar más rápidamente a temperatura ambiente. Este tratamiento da lugar a una
microestructura totalmente de esferoidizado.
2.18.5. Endurecimiento superficial.
Calentar de manera uniforme y lentamente de 995 a 1025°C, además de tomar
un periodo de tiempo de 25minutos para cada 25mm de espesor. El
precalentamiento deberá ser de 790 a 815°C, el enfriamiento se realiza al aire, y
en algunos casos y aplicaciones el enfriamiento puede ser en aceite, pero con
algunos riesgos de distorsión y agrietamiento.
2.18.6. Tratamiento térmico de revenido.
Para realizar este tratamiento térmico es necesario elevar la temperatura a
510°C, para obtener la máxima dureza y resistencia, para obtener el doble temple,
se tendrá que dejar en un periodo de 2 horas aproximadamente a la temperatura
antes mencionada, para posteriormente enfriarlo al aire. A veces es recomendable
realizar un triple temple, esto con la finalidad de liberar el estrés en el material.
2.18.7. Liberación de esfuerzos.
Para realizar la liberación de esfuerzos en el material H13, se tendrá que elevar
la temperatura aproximadamente de 650 a 675°C, mantenerlo a esa temperatura,
alrededor de 1 hora, posteriormente dejar enfriar lentamente a temperatura
55
ambiente. Este tratamiento térmico se utiliza a menudo para lograr una mayor
precisión dimensional en el tratamiento térmico de piezas en bruto, a demás de
liberar los esfuerzos.
2.18.8. Tratamiento superficial de nitrurado.
Las piezas mecanizadas con un acabado superficial y un tratamiento térmico,
pueden llevar un tratamiento superficial llamado nitrurado, con el objetivo de de
tener una superficie de alta resistencia al desgaste.
El nitrurado puede servir como un segundo temple, la profundidad de nitrurado
dependerá del tiempo de permanencia y la temperatura a la que se someta el
material.
Por ejemplo el gas de nitruración a 560°C, en una permanencia de 10 a 12
horas producirá una profundidad de 0.10 a 0.13 mm de espesor y de 40 a 50
horas, producirá una profundidad de 0.3 a 0.4 mm de espesor. [11]
2.19. Propiedades mecánicas del acero AISI H13.
Tabla 2.3. Barras templadas en aceite a una temperatura de 1010°C y doble
revenido en un acero H13. [11]
Temperatura
de
revenido
Esfuerzo
de
Tensión
Esfuerzo
de
Cedencia
Elongación
en
Longitud
Reducción
de
Área
Charpy
muesca
en V, Energía
de impacto
Dureza
•c °F Mpa Mpa (%) (%) J HRC
527 983 1960 1570 13 46.2 16 52
555 1030 1835 1530 13.1 50.1 24 50
575 1065 1730 1470 13.5 52.4 27 48
593 1100 1580 1365 14.4 53.7 28.5 46
605 1120 1495 1290 15.1 54 30 44
Tabla 2.4. Acero H13, templado en aceite a 1010°C, doblemente revenido. [11]
Dureza a
Temperatura
Ambiente
Temperatura
de las
Pruebas
Esfuerzo
de
Tensión
Esfuerzo
de
Cedencia
Elongación
en
Longitud
Reducción
en
Área
HRC Mpa Mpa Mpa (%) (*)
52
425 1620 1240 13.7 50.6
540 1305 1000 13.9 54
595 1020 825 17.5 65.4
650 450 340 28.9 88.9
I
48
425 1400 1150 15 59.9
540 1160 960 17.1 62.4
595 940 750 18 68.5
650 455 350 33.6 89
I
44
425 1200 1005 17 64.1
540 995 820 20.6 70
595 827 690 22.6 74
650 450 350 28.4 87.6
56
Tabla 2.5. Propiedades de impacto longitudinal en un acero H13, templado adiferentes temperaturas. [11]
Temperatura Dureza Energía de impacto en pruebas Charpy, con muesca en V.
de revenido 21 260 540 595
•c °F HRC J J J J
524 975 54 14 27 31 31
565 1050 52 14 30 34 34
607 1125 47 24 41 45 43
615 1140 43 24 52 60 57
ü
(0N °IC3
O30
AO
Temperatura de revenido °F
400 600 800 1000 1200 140060
O 50
a¿X
tu 40N<DL_
330
I" V 1 1 1 1 1
\
\
—91
\>
1AO 200 300 400 500 600 700
Temperatura de revenido °C
Figura 2.28. Variación de la dureza respecto a la temperatura de revenido en un acero H13,
enfriado al aire a 1025°C, y 2 horas de permanencia de revenido. [11]
800
Temperatura de revenido °F
57
200 400 600 800 1000 120060
1400
I r~ I I I I I
revi
575 °C
540 °C
50
20
100 200 300 400 500 600
Temperatura de revenido °C
Figura 2.29. Valores de calentamiento típicos del acero H13.Especímenes templados en aceite a
una temperatura de 1010°C, doblemente revenido con una permanencia de 2 horas. [11]
700 800
58
2.20. Composición química del acero AISI H13.
El acero H13, es un acero hipoeutectoide, esto por tener menos del 8% de
carbono, tiene un alto contenido de cromo, además contiene vanadio y molibdeno
que aumentan la tenacidad, como también la dureza del material.
Tabla 2.6. Composición química del acero AISI H13. [13]
Elemento
Aleante
Porcentaje de elemento
Aleante (%)
Carbono, C 0.32-0.45
Manganeso, Mn 0.20-0.50
Silicio, Si 0.80-0.20
Cromo, Cr 4.75-5.50
Níquel, Ni 0.30 Max
Vanadio, V 0.80-1.20
Molibdeno, Mo 1.10-1.75
2.21. Microestructura del acero AISI H13.
La microestructura que podemos encontrar en un acero H13, está formada en
su mayoría por matrices de martensita y carburos. La estructura cristalina de la
martensita es tetragonal centrada en el cuerpo. [13]
59
•u
Figura 2.30. Microestructura de un acero grado herramienta H13, realizando un recocido a 827°C
por 2 horas, es enfriado a 27°C, para después someterlo a un revenido a 527°C, por una hora, y
por último dejarlo enfriar al aire. En el cual se obtuvo un valor de dureza de 94 en la escala
Rockwell B. La microestructura consiste en partículas esferoidales de carburos finos en una matriz
ferrítica. (Nital al 2%) [14]
Figura 2.31. Microestructura de un acero grado herramienta H13, recocida por austenitizado a 843
° C, y enfriado a 8.5°C, para después ser revenido a 649°C, y por ultimo dejarlo enfriar al aire.
Alcanzando valores de dureza de 11 a 12 en la escala Rockwell C. la microestructura consiste en
partículas esferoidales de carburos finos (Principalmente carburos de cromo) en una matriz
ferrítica. (Se utilizó Prical con HCL por 10 segundos) [14]
2.22. Imperfecciones en recubrimientos láser con aporte en polvoy en alambre.
El revestimiento con el proceso láser, ha ido incrementando en los trabajos de
talleres, ambos para reparación de componentes y manufactura. El proceso es
bastante maduro hoy en día, desde una perspectiva o enfoque científico, pero las
compañías necesitan directrices de fabricación y procedimientos para minimizar la
aparición de defectos y mejorar la calidad del servicio y la productividad. Las
60
imperfecciones típicas que ocurren en los revestimientos láser se puede dividir en
dos grandes grupos:
• Defectos de forma
• Defectos microestructural
El primer grupo incluye el ángulo de contacto de la capa del revestimiento con
la superficie del substrato y la altura total de revestimiento incluyendo la
penetración.
En el segundo grupo se consideran la falta de fusión, la porosidad y grietas. No
está claro hasta qué punto el uso de polvo o de alambre relleno influyen como
formación de defecto. La influencia del contenido de relleno del alambre. Aunque
es bien sabido que estos en su mayoría están relacionados con las propiedades
del material y los procedimientos operativos.
B. Borges en el trabajo realizado respecto a revestimiento del láser, utilizo
aporte en polvo y aporte en alambre relleno, realizando estas deposiciones de
metal fundido en diferentes substratos, como los que se muestran a continuación:
• AISI 316 aceros inoxidables.
• H13 acero grado herramienta.
• P20 acero grado herramienta.
Posteriormente se realizó la caracterización de los materiales y explico los
resultados.
Se utilizó un láser ND: YAG, de la marca TRUMPF, modelo HL1006D, con una
salida máxima de 1400 W de potencia, que está montado en un robot de la marca
KUKA, como el que se muestra en la figura 2.22.
~"^ Jl
3
mga
[r^^W
4
5" *^fc
1
5 J-J *.2~k
61
Figura 2.32. Robot con un láser de onda continua. 1. Robot, 2. Mesa de trabajo, 3. Sistema de
avance de aporte, 4. Rayo láser, 5. Boquilla, 6. Unidad de control. [17]
En el cual para lo que es la deposición de aporte en alambre, se realizó en
forma manual, pero para el aporte en polvo, se utilizó una boquilla especial para
poder llevar a cabo la deposición del aporte, y esta boquilla se muestra en la
siguiente figura.
62
Figura 2.33. Detalle de la boquilla utilizada para la deposición del aporte en polvo. [17]
Figura 2.34. Ejemplificación de la depositación de aporte en alambre, en forma manual. [17]
Respecto a los materiales de aporte, composición química de los aportes, y
composición química de los materiales base, se presentan en la siguiente tabla,
haciendo una comparación de su composición química en particular, y de la
composición química de los aportes respectivamente.
63
Tabla 2.7. Composición química de los sustratos y los recubrimientos (% en peso).[17]
316 Acero Inoxidable H13 Acero Grado hita. P20 Acero grado Hta.
Material
Base
Aporte
en
polvo
Aporte
en
alambre
Material
Base
Aporte
en
polvo
Aporte
en
alambre
Material
Base
Aporte
en
polvo
Aporte
en
alambre
% en peso % en peso % en peso
C 0.08 0.01 0.03 0.4 0.39 0.3-0.5 0.28-0.40 0.05 0.25
Mn 2 0.5 2 0.4 0.2-0.5 0.60-1.00 0.15 0.7
Si 1 1.7 1 1 0.96 0.8-1.2 0.20-0.80 0.3 0.5
Cr 16-18 18.3 16-18 5 5.2 4.7-5.5 1.40-2.00 22.5 5
Ni 14-oct 13.1 14-oct Bal.
P 0.045 0.005 0.045 0.002
Si 0.03 0.003 0.03 0.023
Mo 03-feb 2.7 03-feb 1.4 1.37 1.1-1.8 0.30-0.55 9 4
Fe Bal. Bal. Bal. Bal. Bal. Bal. Bal. 3 Bal.
V 1 1.09 0.8-1.2
Ti 0.2 0.6
Al 0.2
En la tabla anterior muestras las características químicas de los materiales
utilizados, en el cual en el proceso de soldadura láser, uno de los principales
variables es determinar cuáles son los parámetros más óptimos para realizar
recubrimientos de calidad. En la siguiente tabla se podrán observar los parámetros
encontrados para la realización de esta investigación.
64
Tabla 2.8. Parámetros para el procesamiento utilizado para recubrimientos conaporte en polvo y en alambre. [17]
Material base
Parámetros 316 Acero Inoxidable Acero H13 Acero P20
Diámetro del láser (mm) 1.2 1.2 0.9
Poder (kw) 2 2 1.6
Duración (ms) 5.4 5.4 5.7
Frecuencia (Hz) 8 8 8.5
Energía (J) 10.8 10.8 12.7
Poder en promedio (W) 86 86 68.8
Tabla 2.9. Parámetros de salida utilizados en recubrimientos de aporte en polvo y
alambre para distintos materiales. [17]
Material base
Parámetros 316 Acero Inoxidable Acero H13 Acero P20
Velocidad lineal (mm/s) 10 10 10
Velocidad de aporte (g/min) 14 14 9.5
Velocidad de avance de aporte (l/min) 4 4 4
Gas de protección (l/min) 15 15 15
Poder(w) 700 700 700
Diámetro del láser (mm) 0.6 0.6 0.6
Tabla 2.10. Velocidad de avance de aporte en polvo y en alambre
respectivamente. [17]
Q (mm3/s)
Aporte en polvo Aporte en alambre
316 Acero inoxidable 16 0.7
H13 Acero grado Herramienta 14.8 0.55
AISI P20 Acero grado Herramienta 7.2 0.4
65
De acuerdo a estos parámetros, se realizaron las pruebas correspondientes en
cada uno de los substratos, y se llevaron a cabo las pruebas de capas de
recubrimientos, uno sobre otro encontrando los siguientes resultados.
A) B)
Figura 2.35. Recubrimiento en acero H13, A) recubrimiento con tres capas. B) Recubrimiento con
una sola capa. Ambos utilizando aporte en polvo. [17]
A) B)
Figuras 2.36. Recubrimiento en acero H13, A) recubrimiento con dos capas. B) Recubrimiento con
tres capas. Ambos utilizando aporte en alambre. [17]
• La deposición utilizando el aporte en polvo, es mucho mayor, que cuando
se utiliza el aporte en alambre, además la deposición con el aporte en
66
alambre es un poco más complicada, ya que la operación fue de forma
manual.
• Los recubrimientos realizados con aporte en polvo, tiene una mejor forma y
mejor superficie visual, comparado con los cordones realizados con el
aporte en alambre.
• Los recubrimientos realizados, con aporte en polvo, mostraron mayor
porosidad que los producidos con aporte en alambre, y esto se debe a la
absorción de gas en la superficie que se descompone a altas temperaturas.
Nota: La porosidad puede reducirse aumentando el calor de entrada y por lo tanto
aumentando el tiempo de enfriamiento, sin embargo este procedimiento puede
tender a incrementar las fisuras en caliente.
• Cuando el aporte en alambre es utilizado para materiales muy duros, el
recubrimiento es más sensible a sufrir fracturas en frío, esto es el resultado de
los esfuerzos térmicos residuales producidos durante un rápido enfriamiento y
pobre ductilidad.
Nota: Las fracturas frías pueden ser prevenidas con un tratamiento térmico de
recocido, inmediatamente después del proceso de recubrimiento láser. [17]
Los aceros grado herramienta, son utilizados en los trabajos de conformado en
caliente, como lo son los dados de fundición; estos materiales necesitan tener
resistencia a los choques térmicos, el cual resulta en fracturas finas sobre la
superficie de los materiales.
El procesamiento de fundición por medio láser, el cual puede producir zonas
fundidas muy localizadas. Este proceso ha sido adaptado para reparación de
muchos tipos de fracturas, sin embargo la zona fundida, tiene un efecto perjudicial
que impacta directamente a la dureza, esto porque el calentamiento de la energía
láser puede generar estructuras duras durante el proceso de reparación. En este
investigación se evaluó el procesamiento de reparación de grietas o fisuras
microscópicas por medio del proceso de soldadura láser, el cual significa que las
67
probetas se someterán a pruebas de fractografía y pruebas de impacto charpy y
los resultados de las pruebas, sugerirá que cuando se lleva a cabo una reparación
en un acero grado herramienta, utilizando el proceso de soldadura láser,
posteriormente si se lleva a cabo un tratamiento térmico, puede eliminar un
extenso volumen de daño después de haber reparado el componente, que esto
impactará en la dureza del componente, el cual será capaz de recuperar de nuevo
su estado inicial después del tratamiento térmico.
Los dados para fundición son sujetos a varias cargas complejas de impacto
durante los procesos termo mecánicos, las altas cargas de estrés son
consideradas deformaciones plásticas y también experimentan desgaste por
abrasión, que es originado por las largas jornadas de operación a que se somete
estos tipos de materiales. Sin embargo es por ello que los aceros grado
herramienta utilizados para los trabajos en caliente, tendrán que tener algunas
propiedades especificas como lo son, la resistencia a la deformación térmica,
choques térmicos y análisis de calor en la superficie del material.
Los dados usados para producción masiva, tendrán que ser usualmente
reparados o reprocesados, utilizando métodos de maquinado como lo es
rectificado, maquinado o proceso de soldadura por arco, que son usualmente
utilizados para eliminar los daños en zonas específicas superficiales.
Existe mucha información respecto a tratamiento de superficies de los aceros
por medio láser, en el cual este proceso puede calentar el material y llevar a cabo
una transformación en estructuras duras, esto por la concentración de calor que
existe entre el metal base y la energía del rayo láser.
El procesamiento láser, se considera como uno de los procesos no
convencionales más prácticos para reparar o mejorar zonas dañadas, esto por su
alta focalidad y sus bajos niveles de calor de entrada.
68
La reparación de grietas por medio de procesamiento láser, se llevó a cabo dela siguiente manera:
Se utilizó una fuente láser Nd: YAG, con una protección de gas argón al 100%,
la frecuencia del láser fue de 75 Hz, y el rayo láser se centró, en la raíz de la
muesca en V de la probeta.
La potencia del láser se fijó en 1 kilowatts y la velocidad de barrido fue de 10
mm/s, después del procesamiento láser, algunas pruebas de impacto fueron
calentadas a 873 K por una hora y algunos fueron templados y revenidos bajo la
condición inicial de calor.
Los ensayos de impacto se llevaron a cabo a 300 k y 873 k, posteriormente
estos fueron llevados a un microscopio electrónico de barrido (SEM), con el
objetivo de realizar observaciones de fractografía en el material.
El esfuerzo de tensión y las pruebas de impacto de dureza de los aceros grado
herramienta, realizadas a 300 y 873 k, son mostradas en la siguiente tabla.
69
Tabla 2.11. Características mecánicas de las pruebas de los aceros, con distinto
rango de temperatura de pos-calentamiento. [18]
Temperatura Propiedades de
tensión
Impacto de dureza
(energía absorbida)
K
Esfuerzo
Max.
MPa
Esfuerzo
Max.
MPa
%
alargamiento
%
alargamiento J/cm2
300 1290 1526 16.7 49 34
873 571 801 17.6 76.1 128
Cuando la temperatura del ensayo es alta, el 2% de la fuerza y la resistencia de
la tracción son más bajos y la elongación de la fractura, cambia muy poco con la
variación de la temperatura, pero la resistencia al impacto fue mayor a altas
temperaturas, igual que la reducción de área, la forma de la geometría y la
estructura de la raíz de la muesca en V, muestra el impacto antes y después del
proceso de soldadura láser como se ve en las siguientes figuras.
Figuras 2.37. Comparación de perfiles de la muesca en V. A) Antes, B) Después del
procesamiento láser. [18]
La figura 2.27 del inciso A, muestra una grieta por fatiga en la muesca en V,antes de que se lleve a cabo la reparación por medio láser. La figura 2.27 del
70
inciso B, muestra la estructura macroscópica después de haber realizado elprocesamiento láser.
La estructura después del proceso de reparación láser es dividida en 3 zonas
que son representadas en la figura 2.27 en el inciso B, y que a continuación se
describen:
En la zona 1, se muestra una estructura donde existen dendritas columnares, la
cual consiste en listones de martensita y austenita retenida en la zona del charco
de soldadura.
En la zona 2, que es la zona afectada por el calor, también se transformó
parcialmente en martensita.
En la zona 3, se presenta como el metal base, con poca influencia de calor de
fusión.
Hay aproximadamente 1 mm en longitud de pre-fracturas, esto en la raíz de la
muesca en V, estas fracturas pueden ser eliminadas por medio del proceso láser
sin causar ningún daño, los efectos de reparación del proceso láser para los
aceros grado herramientas con fractura, podrán ser evaluados por la prueba de
impacto charpy.
La figura 2.28. Presenta la distribución de dureza en VICKERS, en la zona
donde se realizó la reparación. En la zona fundida y en la zona afectada por el
calor adyacente a la zona del charco de soldadura, se encontró una mayor dureza
que en el metal base, esto debido a la martensita dura que se formó después del
proceso de reparación.
En otro caso, respecto a las probetas que fueron calentadas a 873 k por una
hora, tras la transformación del proceso láser sirvió para suavizar la zona fundida,
y a su vez disminuir la dureza en esta zona, aunque por consiguiente disminuyó
aún más en el metal base.
800
^ 600>X
400UJ
rr=)Q
200
r •^-T^»*#^-H^«*mm**i&+--
_«_(b)
(c)
71
-3-2-10123
DISTANCIA DEL CENTRO A LA ZONA DE FUSIÓN (mm)
Figura 2.38. Distribución de microdurezas de las muestras ocupadas en el procesamiento láser. A)
Procesos de reparación láser. B) Templado y revenido después del proceso de reparación. C)
Tratado térmicamente después del proceso de reparación. [18]
Realizando un estudio de las muestras, respecto a curvas de tensión-
deformación del material base y las muestras de uniones a tope, unidas por el
proceso láser y que fueron pos-calentadas a 300 y 873 k. El área bajo la curva
tensión-deformación de la soldadura, muestra diferencia entre las probetas que
fueron calentadas a 300 y 873 k, esto significa que la microestructura se ha
mejorado para recuperar la ductilidad del material, gracias a la suavidad del pos
calentamiento.
El tratamiento del láser ND YAG, utilizado para la reparación de grietas en la
capa superficial de los aceros grado herramienta, arrojó los siguientes resultados:
1. El proceso de soldadura láser, puede ser aplicado para eliminar grietas en
la capa superficial.
2. A medida que la resistencia al impacto baja, debido al procesamiento, se
requerirá un pos-tratamiento térmico.
3. El procesos de fracturas por impacto en las pruebas, demuestran que se ha
las mejorado las propiedades debido al proceso láser.
CAPITULO III
ANALÍSIS Y DISCUSIÓN DE BIBLIOGRAFÍA
72
De acuerdo a la información encontrada y referida al tema de reparación de
componentes fabricados de acero H13, utilizando un proceso de soldadura no
convencional láser Nd: YAG, se encontró lo siguiente.
De acuerdo a la investigación realizada por el autor B. Borges y su equipo de
trabajo, fue con el objetivo de determinar la fiabilidad de los recubrimientos en
acero grado herramienta H13, utilizando un láser, se mencionó, que este
procedimiento se puede llevar a cabo tomando los parámetros óptimos en el láser
y realizando un aplicación adecuada del aporte, ya sea en polvo o en alambre, en
el cual es factible realizar un recubrimiento de calidad, claro que respecto al
estudio realizado, arrojó información de defectos encontrados en las distintas
zonas de la reparación, el cual no es preocupante porque dicha investigación
comenta de varias recomendaciones de cómo disminuir los propensos defectos.
En el cual para disminuir los defectos encontrados más frecuentes, el autor
recomienda aumentar el calor de entrada y por lo tanto aumentando el tiempo de
enfriamiento para evitar grietas por enfriamiento súbito. Sin embargo se tiene que
tener mucha precaución y controles muy específicos de temperatura, ya que al
aumentar el calor de entrada y el tiempo de permanencia en enfriamiento se
73
pueden desarrollar fracturas en caliente, el cual se recomienda buscar un punto
equilibrado para evitar este tipo de defectos. En este estudió el objetivo era de
determinar la evolución de la microestructura en un material H13, con la finalidad
de difundir la información y determinar los defectos más propensos al realizar un
reparación en este tipo de material, mediante un proceso láser.
En la investigación del autor Yahong SUN, de igual manera se utilizó un
proceso láser, con el objetivo de estudiar reparaciones de grietas en componentes
de acero grado herramienta, con el fin de encontrar las zonas más importantes en
la aplicación de material aporte para la reparación, y utilizar pruebas de impacto
para determinar la dureza en las distintas zonas adyacentes a la reparación. En el
cual menciona que las reparaciones en este tipo de materiales pueden ser
posibles, y esta afirmación esta fundamenta de la siguiente manera.
En este estudio se realizaron distintas probetas el cual se llevaron un pre
calentamiento, esto quiere decir que se calentó las probetas a una temperatura
específica antes de llevar a cabo la reparación, después se realizó la reparación
por medio láser, al finalizar la deposición del material, se llevo a cabo un proceso
de poscalentamiento, es decir que las probetas recién reparadas se llevaron a un
horno, con la finalidad de elevar nuevamente a la temperatura, tomando nota de
los parámetros de temperatura utilizados para los dos distintos lotes. El cual ellos
realizaron pruebas para determinar la dureza, ya que un lote de piezas se utilizó
una temperatura baja de pos-calentamiento y a otro lote de piezas se utilizó una
temperatura más elevada de pos-enfriamiento arrojando los siguientes resultados.
Las pruebas determinaron que existen tres zonas importantes para determinar
las propiedades mecánicas del material. En la zona del charco de soldadura las
pruebas determinaron que la dureza es muy elevada, aun más que la del metal
base, esto sin tener un pos-calentamiento, esto debido a que al estarse enfriando
transforma a una matriz muy dura. Es por ello que el autor recomienda que se
lleve a cabo un proceso de poscalentamiento inmediatamente después del
proceso de reparación, con la finalidad de regenerar un poco el grano en las áreas
74
afectadas por el calor y obtener mayores niveles de ductilidad en la zona del
charco, brindar mejor resistencia al desgaste aumentando la vida útil de la
herramienta.
CONCLUSIONES
De acuerdo a la información encontrada y a los trabajos ya realizados, se
concluye que si se pueden realizar operaciones de reparación de componentes
fabricados de acero H13, utilizando el proceso de soldadura láser ND:YAG, esto
fundamentado en distintos artículos y estudios realizados en recubrimientos y
reparación de fisuras en componentes de acero grado herramienta.
En lo que se refiere a defectos encontrados en la zona de reparación, se
pueden presentar grietas en caliente, grietas en frío, poros, falta de fusión y
muchos otros defecto más, el cual mediante un estudio y distintas pruebas, estos
defectos pueden corregirse. Esto utilizando un pre-calentamiento y un pos
calentamiento, con la finalidad de suavizar el material, antes de realizar el proceso
de reparación, para evitar cambión bruscos de temperatura y también después del
proceso de reparación para evitar enfriamientos rápidos y así eliminar la
posibilidad de tener fisuras por su enfriamiento.
Hablando de los aportes, se concluye que utilizando un aporte en polvo se
obtiene mayor deposición de material, mejor forma del cordón y tiene una mejor
superficie visual, pero mostró mayor porosidad en la zonas de la frontera del
charco de soldadura y el metal base, esto comparado con el aporte manual, y se
le adjudica a la absorción de gas en la superficie que se descompone a altas
temperaturas.
En lo que respecta al aporte en alambre tiene menor deposición de material, y
el control del aporte en forma manual es muy complicado, aunque también
75
muestra porosidad, comparado con el aporte en polvo es mucho más bajo,
además también se encuentra fisuras microscópicas, y se le adjudica a como el
calor de entrada en un proceso láser es muy focalizado y tiene muy poca zona
afectada por el calor, los materiales con características en propiedades duras son
más propensos a sufrir fracturas en frío, esto como resultados de los esfuerzos
térmicos residuales producidos durante un rápido enfriamiento y pobre ductilidad.
Por último, pero no menos importante, es la conclusión de las propiedades
mecánicas obtenidas del material, después de un proceso de reparación por
fusión, como lo es el proceso láser. En cuanto a este tema se concluye que
efectivamente al realizar un operación de reparación por fusión, en la zona del
charco de soldadura alcanza mucho más dureza, comparada con la del material
base, esto porque estos materiales son endurecibles al aire, y transforma
rápidamente en una matriz dura, es por ello que se recomienda tener un pos
tratamiento térmico con la finalidad de suavizar el material en la zona del charco
de soldadura, disminuyendo un poco la dureza y propiciando mayor ductilidad.
76
Referencias Bibliográficas
[1] Tomsic M. J. (1997) AWS Handbook- Volumen 2, Plastronic, Inc. 2da. Edición.
Estados Unidos de America.
[2] Hiromassa T. E. (2008). Evaluación de los parámetros del procesamiento sobre
recargue PTA de la Universidad Federal de Paraná, la División de Tecnología,
Departamento de Ingeniería Mecánica, Curitiba, Paraná, Brasil.
[3] Smith David A. (2001). Die Maintenace Handbook, Society Of Manufacturing
Engineers. 3era. Edición. Estados Unidos de America.
[4] Harvey Philip D. (1988). ASM handbook . Engineering Properties of Steel.
United State of America.
[5] B. H. Amstead, Phillip F. Ostwald, Myron L. Begeman. (1999), Procesos de
manufactura, editorial C.E.C.S.A. 2da. Edición. Estados Unidos de America.
[6] Hans Appold, Kurt Feiler, Alfred Reinhard, Paul Schmidt. (2009), Tecnología
de los metales, editorial GTZ. Alemania y traducido al español.
[7] Guevara Chaves C. (2009), monografía con título "Recuperación de dados
para estampado de acero grado D2, mediante procesos de soldadura utilizados en
la industria automotriz". COMIMSA. Saltillo, Coahuila México.
[8] Aguirre Sánchez A. (2010) monografía con título "Estado del arte del proceso
de soldadura por transferencia de arco por plasma (PTA) en la recuperación de
acero grado herramienta".COMIMSA. Saltillo, Coahuila, México.
[9] Aguilar Cortes E. (2010) tesis con el título "influencia de las variables de
proceso sobre las propiedades microestructurales de compuestos avanzados de
aluminio/grafito soldados por láser pulsado de ND:YAG. COMIMSA. Saltillo,
Coahuila, México.
[10] Cepeda Rodríguez F. (2009) tesis con titulo "análisis y optimización de
parámetros empleados en la unión y tratamientos superficiales mediante láser
C02 Y ND:YAG en la aleación cobalto ASTM F-75". COMIMSA. Saltillo, Coahuila,
México.
77
[11] G. Aggen, Frank W. Akstens, Michael Alien. (2003). ASM Metals Handbook,
Volumen 1. Properties and selection iron, steel and high performance alloys. 10
Edición. Estados Unidos de America.
[12] Arnold E. Anderson, Walter K. Arnold, Betzalel Aritzur. (2002). ASM MetalsHandbook, Volumen 18. Friction, lubrication, and wear technology. Estados Unidos
de America.
[13] Luna Vega A. (2006). Monografía con el título de "Recuperación de moldespara fundición de aluminio en acero H13". COMIMSA. Saltillo, Coahuila, México.
[14] Lamet, Humbert I. Aaronson, John K. Abraham, N.R. Adsit. (1999). ASMMetals Handbook, Volumen 9.Metallography and microstructure2. Estados Unidos
de America.
[15] Duley, W.W. (1999). Láser welding, John Wiley and Sons INC. EstadosUnidos de América.
[16] Simón L. E. (2009). Láser Welding Equipment and process validation. The
University of Wisconsin. Estados Unidos de América.
[17] B. Borges, L. Quintino, Rosa M. Miranda, Phill Carr. (2009). "Imperfections inláser clading with powder and fillers". Springer. Verlag. Kettering England.
[18] Yahong Sun, Husakichi Sunada, Nobuhiro Tsuji. (2008). Crack repair of hotwork tool steel by láser melt processing. Himeji Institute of technology. Himeji,Japan.
[19] Guaoxing Liang, Ming Ly, Xiaoxu Gao. (2010). Testing method andexperimental studies on single láser pulse energy. Department of mechanicalengineering. Taiyuan, Shanx, province China.
[20] A. Frenk, M. Yandyossefi, J.D. Wagniere, A. Zryd, W. Kurz. (1997). Analysisof the láser-cladding process por satellite on steel. The Swiss Federal Institute of
Techcnology. Myrin, Switzerland.
[21] M. Vedani. (2004). Microstructural evolution of tool steel after ND:YAG láserrepair welding. Politécnico di Milano. Milano, Italy.
[22] Google. (2011). Diagrama de un láser CO2 con flujo axial complejo.
www.jonslasers.com/co2-laser-diagrams.
[23] Google. (2011). Láser C02. www.wikipedia.org/wiki/Archivo:laser_C02.es.jpg
78
[24] Calderón Guerra O. (2009). Dinámica de la polarización de un láser Nd:YAG.Depto. Óptica Fac. de Ciencias Físicas. Universidad complutense de Madrid.
[25] Google (2011). Soldadura fácil. www.fronius.com.mx.../hs.xsl/178 3237.htm
[26] M. Romboust (2010). Recubrimientos láser para reparaciones gradoherramienta. Bélgica
[27] Burny, F., Donkerwolcke, M., Muster, D. (2008). Biomaterials education:Mater. Sci. England.
[28] Gómez González E. (2006). Fuentes de luz y emisión Láser. Dpto. de físicaaplicada (Universidad de Sevilla).
[29] Y.J. Quan, Z.H. Chen, X. S. Gong, Z. H. Yu. (2008). Effects of heat input onmicrostructura and tensile properties of láser welded magnesium alloy AZ31,Materials characterization.
[30] Cari B. Miller, U.S. láser Corporation, John F. Ready. (1997). IndustrialApplications of lasers, láser Welding article New York City: Academic Press.
[31] Simón L. Engel. (2009). Láser Welding: Equipment and Process Validation.
Curso de: University of Wisconsin-Madison en Las Vegas NV. Folio: K977.
79
LISTA DE FIGURAS
pagina
2.1. Representación esquemática de aportación de metal en un procesoláser 7
2.2. Principio de funcionamiento de un láser Nd:YAG 8
2.3. Principio de generación del rayo láser 9
2.4. Representación esquemática de un láser de estado sólido Nd:YAG 112.5. Efecto del calor de entrada en la macroestructura a) 19.2 J/mm, b) 21.6J/mm, c) 24 J/mm, d) 24 J/mm, e) 27 J/mm, f) 30 J/mm, g) 32 J/mm, h) 36J/mm y i) 40 J/mm 142.6. Representación de cordones de soldadura modificando la duración depulsos en un láser 152.7. Representación de cordones de soldadura variando los valores de voltajeen un láser 16
2.8. Efecto del ancho del spot en un láser 172.9. Efecto causado en el material por 2mm en la variación de la distanciafocal 17
2.10. Requerimiento mínimo de traslape para una penetración uniforme 182.11. Salida de un láser de estado sólido a pulsos típicos comparado con elaporte de luz de excitación a la varilla en función del tiempo 202.12. Diagrama esquemático de un láser con flujo axial lento 232.13. Vista esquemática de un láser C02 con flujo axial rápido 242.14. Diagrama esquemático de un láser de flujo transversal 252.15. Enfoque de un rayo gaussiano con un lente simple 272.16. Cabeza de enfoque de rayo láser de multikilowatts 282.17. Secciones transversales del rayo para cuatro modos TEM distintos 292.18. Empleo de fijaciones de sujeción transparentes para soldar seccionesdelgadas planas 362.19. Aplicaciones en reparaciones de aceros grado herramienta con elproceso láser. A) Flechas de turbo maquinaria. B) Engranajes. C) Moldes deinyección de plástico. D) Componentes de turbina 382.20. Configuraciones de unión para soldadura láser en lámina 392.21. Configuraciones de unión para soldadura con láser 40
2.22. Muestra de tipo de desgaste estructural en un cubo de material 482.23. Muestra el tipo de desgaste llamado deformación plástica 48
2.24. Muestra el daño por fractura superficial 49
2.25. Muestra el daño superficial por pérdida de material 502.26. Muestra el daño superficial por obtención de material 502.27. Muestra el daño superficial por corrosión del material 502.28. Variación de la dureza respecto a la temperatura de revenido en un
acero H13, enfriado al aire a 1025°C, y 2 horas de permanencia de
80
revenido 57
2.29. Valores de calentamiento típicos del acero H13. Especímenestemplados en aceite a una temperatura de 1010°C, doblemente revenidocon una permanencia de 2 horas 572.30. Microestructura de un acero grado herramienta H13, realizando unrecocido a 827°C por 2 horas, es enfriado a 27°C, para después someterlo aun revenido a 527°C, por una hora, y por último dejarlo enfriar al aire. En elcual se obtuvo un valor de dureza de 94 en la escala Rockwell B. La
microestructura consiste en partículas esferoidales de carburos finos en unamatriz ferrítica. (Nital al 2%) 592.31. Microestructura de un acero grado herramienta H13, recocida poraustenitizado a 843 ° C, y enfriado a 8.5°C, para después ser revenido a649°C, y por ultimo dejarlo enfriar al aire. Alcanzando valores de dureza de 11a 12 en la escala Rockwell O la microestructura consiste en partículasesferoidales de carburos finos (Principalmente carburos de cromo) en unamatriz ferrítica. (Se utilizó Prical con HCL por 10 segundos) 59
2.32. Robot con un láser de onda continúa. 1. robot, 2. Mesa de trabajo, 3.Sistema de avance de aporte, 4. Rayo láser, 5. Boquilla, 6. Unidad decontrol 61
2.33. Detalle de la boquilla utilizada para la deposición del aporte en polvo 622.34. Ejemplificación de la depositación de aporte en alambre en formamanual 62
2.35. Recubrimiento en acero H13, A) recubrimiento con tres capas. B)Recubrimiento con una sola capa. Ambos utilizando aporte en polvo 652.36. Recubrimiento en acero H13, A) Recubrimiento con dos capas,B) Recubrimiento con tres capas. Ambos utilizando aporte en alambre 652.37. Comparación de perfiles de la muesca en V, A) Antes, B) Después delProcesamiento láser 69
2.38. Distribución de microdurezas de las muestras ocupadas en el
Procesamiento láser. A) Procesos de reparación láser. B) Templado yrevenido después del proceso de reparación. C) Tratado térmicamente
después del proceso de reparación 71
81
LISTA DE TABLAS
Página
2.1. Parámetros de salida de un láser Nd YAG 12
2.2. Clasificación de acero grado herramienta según AISI/SAE 452.3. Barras templadas en aceite a una temperatura de 1010 °C y doblementerevenido en un acero H13 55
2.4. Acero H13, templado en aceite a 1010°C doblemente revenido 562.5. Propiedades de impacto longitudinal en un acero H13, templado adiferentes temperaturas 562.6. Composición química del acero AISI H13 582.7. Composición química de los sustratos y los recubrimientos (% en peso) 632.8. Parámetros para el procesamiento utilizado para recubrimientos con aportes
en polvo y en alambre 642.9. Parámetros de salida utilizados en recubrimientos de aporte en polvo y en
alambre para distintos materiales 64
2.10. Velocidad de avance de aporte en polvo y el alambre, respectivamente 642.11. Características mecánicas de las pruebas de los aceros con distinto rango
de temperatura de pos calentamiento 69
82
RESUMEN AUTOBIOGRÁFICO
Grado a Obtener: Especialista en Tecnología de la Soldadura Industrial.
Título de Monografía: "ESTADO DEL ARTE DEL PROCESO DE SOLDADURALÁSER ND:YAG, EN LA RECUPERACIÓN DE COMPONENTES DE ACEROGRADO HERRAMIENTA H13".
Campo o Rama Profesional: Ingeniería.
Lugar de Nacimiento: Monclova, Coahuila.
Fecha de Nacimiento: 3 de Noviembre de 1984.
Nombre de los Padres: Olivia López Banda y Apolinar Horacio Guzmán Alaniz.
Escuelas y Universidades: Instituto Tecnológico de Saltillo (2003-2009).
Grado Obtenido: Ingeniero Mecánico.
![341logo De Productos [Modo de compatibilidad])alaymar.com/resources/EQUIPOS+PROTECCI$C3$93N+INDIVIDUAL.pdf · corte y soldadura al chorro de plasma) exceptuando la soldadura láser](https://static.fdocuments.es/doc/165x107/5ba31bb609d3f208588d49ae/341logo-de-productos-modo-de-compatibilidad-proteccic393nindividualpdf.jpg)
