Las causas y métodos de control de los poros de gas en las uniones soldadas por láser

I. Introducción

La soldadura láser ofrece ventajas como una alta densidad de energía, una zona afectada térmicamente reducida, buena formación de la soldadura y baja distorsión. Se utiliza ampliamente en la fabricación de chapa metálica, electrónica de consumo, fabricación de baterías, dispositivos médicos y en la industria automotriz. Sin embargo, en aplicaciones prácticas de soldadura, con frecuencia ocurren defectos de porosidad dentro o en la superficie de las soldaduras debido a los efectos combinados de factores relacionados con el material, el equipo y el proceso. Estos defectos afectan negativamente la resistencia, la densidad y la calidad estética de la soldadura. Por lo tanto, es necesario analizar los mecanismos de formación de porosidad y proponer medidas de control efectivas para mejorar la estabilidad del proceso de soldadura y la calidad del producto.

II. Causas principales de la porosidad en la soldadura

La porosidad en la soldadura generalmente es causada por gases atrapados, precipitación de gases disueltos o vaporización del material. Las principales causas incluyen:

1. Contaminación superficial de los materiales

Cuando las superficies de soldadura contienen aceite, humedad, óxido o recubrimientos, estos se descomponen bajo altas temperaturas y generan gases que entran en la piscina fundida. Por ejemplo:

Contaminación por aceite → genera gases de hidrocarburos

Humedad → genera H₂ y O₂

Recubrimientos → se descomponen en gases orgánicos o inorgánicos

Si la piscina fundida se solidifica rápidamente, estos gases no pueden escapar a tiempo y forman poros.

2. Alto contenido de gas en los materiales

Ciertos materiales contienen niveles más altos de hidrógeno, oxígeno, nitrógeno o inclusiones, que pueden precipitarse y formar burbujas durante la fusión. Por ejemplo:

Las aleaciones de aluminio son sensibles al hidrógeno

Los aceros son sensibles al oxígeno

Las aleaciones de cobre son sensibles al nitrógeno

Si el tiempo de la piscina fundida es insuficiente o el enfriamiento es demasiado rápido, los gases quedan atrapados y forman poros.

3. Entrada de energía láser insuficiente o inestable

Si la densidad de energía es insuficiente, la piscina fundida se vuelve poco profunda y con mala fluidez, lo que dificulta la salida de los gases. Las fluctuaciones de energía también pueden provocar un sellado inconsistente de la piscina fundida, llevando al atrapamiento de burbujas.

Las manifestaciones comunes incluyen:

Fluctuaciones de potencia del láser

Desviación del foco que provoca una reducción de la densidad de potencia

Velocidad de soldadura excesivamente alta que causa penetración incompleta

4. Cobertura inadecuada del gas de protección

Una protección insuficiente o una dirección incorrecta permite que el aire entre en la piscina fundida y produzca reacciones gaseosas. Un flujo excesivo de gas puede generar turbulencia o arrastre de aire.

Los problemas comunes incluyen:

Flujo excesivo de argón que provoca la formación de vórtices

Desalineación del gas que provoca un blindaje incompleto

Contaminación de la boquilla que causa perturbaciones en los campos de flujo

5. Desajuste entre el material de aporte y el metal base

En la soldadura con alambre de aporte, si la composición del alambre, el contenido de gas o la limpieza son deficientes, se pueden introducir gases adicionales o inclusiones.

Ejemplos incluyen:

Alambre de soldadura húmedo o higroscópico

Condiciones deficientes de almacenamiento

Limpieza insuficiente del alambre

III. Principales peligros de la porosidad en soldadura

Los defectos de porosidad afectan la calidad del producto principalmente mediante:

Reducción de la resistencia de la soldadura y vida a la fatiga

Deterioro del sellado y rendimiento barrera

Calidad de apariencia degradada

Fiabilidad reducida en aplicaciones críticas

Industrias como los recintos de baterías, dispositivos médicos y estructuras herméticas al gas pueden rechazar productos por completo debido a defectos de porosidad.

IV. Métodos de control de defectos de porosidad en soldadura

Para mejorar la calidad de la soldadura láser, se debe realizar una optimización en los materiales, equipos, procesos y entornos.

1. Aplicar un adecuado pretratamiento de la superficie

La limpieza de la superficie de soldadura reduce significativamente los riesgos de porosidad. Los métodos comunes incluyen:

Limpieza mecánica (esmerilado, cepillado)

Limpieza con disolventes (alcohol, acetona)

Limpieza láser (adecuada para producción en masa)

Secado y deshumidificación (especialmente para aleaciones de aluminio)

Las áreas clave incluyen la zona de soldadura y las áreas internas de contacto en uniones traslapadas.

2. Controlar la calidad del material y las condiciones de almacenamiento

Basado en las características de absorción de gas del material:

Las aleaciones de aluminio deben mantenerse secas para evitar la absorción de humedad

Las piezas de cobre deben protegerse de la oxidación mediante gas o recubrimiento

El acero debe evitar la oxidación severa y los contaminantes

En la soldadura con alambre de aporte, el alambre debe permanecer seco y limpio.

3. Optimizar los parámetros de energía láser

La combinación adecuada del proceso es fundamental para la salida de gases. Las direcciones de optimización incluyen:

Aumentar la densidad de potencia → mejora la penetración y fluidez

Reducir la velocidad de soldadura → aumenta el tiempo de apertura del baño fundido

Ajustar la posición focal → mejora la estabilidad del baño fundido

Estabilizar la salida del láser → evita fluctuaciones de energía

En la soldadura de penetración profunda, un desenfoque negativo puede mejorar la penetración y el comportamiento del flujo.

4. Mejorar los sistemas de gas de protección

La optimización del gas de protección incluye:

Seleccionar gases adecuados (por ejemplo, argón para la soldadura de aluminio)

Controlar caudales adecuados (evitar turbulencias)

Optimizar el ángulo de la boquilla y la distancia de separación

Aumentar la cobertura de protección para prevenir la entrada de aire

Para la soldadura de aluminio, a menudo se utiliza un escudo de doble gas o en recinto cerrado para reducir la porosidad.

5. Optimizar el diseño de la junta y la configuración de soldadura

El diseño de la junta influye en el comportamiento de escape de gases:

Preferir juntas a tope sobre juntas traslapadas cuando sea posible

Proporcionar caminos de ventilación para juntas traslapadas si no se pueden evitar

Evitar estructuras cerradas que atrapen gases durante el enfriamiento rápido

Un diseño estructural adecuado reduce el estrés y mejora la eficiencia de escape de gases.

V. Conclusión

La porosidad en la soldadura láser es un defecto típico que resulta de los efectos combinados de los materiales, los procesos y las condiciones ambientales. Su mecanismo de formación está altamente acoplado con múltiples factores. Al mejorar la limpieza de los materiales, optimizar los parámetros del láser y del gas de protección, y adoptar diseños adecuados de uniones, se puede mejorar significativamente la calidad y el rendimiento de la soldadura. En entornos de producción, la integración de sistemas de monitoreo en línea y control de calidad en bucle cerrado puede estabilizar aún más la calidad de la soldadura y apoyar una adopción industrial más amplia de la tecnología de soldadura láser.