Soldadura láser de polímeros de ingeniería

La soldadura láser de termoplásticos es una nueva técnica de unión con numerosas ventajas. No sólo es otro método de soldadura extremadamente útil sino que es también una alternativa efectiva en costes a las técnicas tradicionales que usan tornillos y adhesivos.

Con esta tecnología solamente se calienta la región de la unión y no hay tensiones mecánicas, y el proceso es conveniente incluso para componentes sensibles como la tecnología electrónica o médica.

Descripción del proceso

El proceso de unión en soldadura láser se basa en convertir energía radiante en calor vía su absorción dentro del material, dando fusión local a la región de unión. El requerimiento básico para el proceso de transmisión es por tanto una combinación conveniente de materiales.

La radiación IR de longitud de onda corta está prevista para pasar virtualmente sin obstáculo a través del componente de unión y llegar a ser completamente absorbido a profundidades de 0.1 a 0.5 mm. Este componente de unión se calienta y funde en la región de absorción por la energía suministrada. La fusión incrementa el volumen y puentea el hueco de contacto. El contacto permite transferir calor entre los dos componentes de unión. El componente de unión de transmisión del láser se funde por el calor conducido.

Morfología

Los termoplásticos amorfos absorben sólo una proporción del rayo láser incidente, y la profundidad de penetración teórica es de 100 mm y más. Las propiedades ópticas de los termoplásticos semi-cristalinos son bastante diferentes: Las estructuras cristalinas secundarias (ej. esferolitas) dispersan el rayo láser.

Materiales de relleno y refuerzo

Los plásticos de ingeniería generalmente tienen materiales de relleno y refuerzos, que pueden dispersar o absorben la radiación IR incidente. Aunque las fibras de vidrio en sí mismas son permeables a la radiación IR., dispersión de la radiación en muchas interfaces entre las fibras y la matriz incrementan la trayectoria y así reducen la transmisión.

En plásticos coloreados el contenido de pigmento o tintes juega un papel importante. Cuanto más baja es la profundidad de penetración, mayor es el riesgo de dañar el material. Con contenidos en pigmentos más bajos, mayor es el riesgo de daño al material, una fusión relativamente profunda de la pieza de unión de absorción es probable sea posible sin daño térmico al material. El incremento resultante en la expansión de volumen alarga el periodo de contacto de fusión y así se incrementa la resistencia de la soldadura.

El comportamiento de absorción y transmisión puede por tanto adaptarse incorporando rellenadores y/o pigmentos – incluso al extremo de la absorción de superficie dentro de una capa con espesor de pocos micrómetros.

La incorporación controlada de aditivos específicos puede producir plásticos coloreados, lo cual si bien al ojo aparecen idénticos pero tienen diferente comportamiento de absorción necesario para la transmisión de la soldadura.

Parámetros del proceso

Para alcanzar soldadura de buena calidad es necesario operar dentro de unos límites máximos y mínimos según la potencia del láser. Ya que el proceso de difusión requerido para la soldadura requiere un cierto periodo para que actúe la alta temperatura. Surgen problemas si la tasa de alimentación es demasiado alta o la energía del láser demasiado baja. Por otra parte, el material puede descomponerse si la tasa de alimentación es demasiado baja o la energía del láser demasiado alta.

Materiales convenientes

Una amplia variedad de termoplásticos amorfos tienen propiedades de transmisión ideales en la región de longitud de onda usualmente utilizada:

• PS

• ABS

• SAN

• PMMA

• PSU

En contraste los termoplásticos semi-cristalinos tales como:

• PA

• PBT

• POM

Pueden absorber y reflejar una considerable proporción del láser incluso sin aditivos.

Variaciones de procesos

Actualmente están disponibles un buen número de procesos disponibles. Todos estos se basan en el principio de transmisión, y los requerimientos de cada caso determinan qué modificación es más útil.

• Soldadura de contorno: La soldadura de contorno es un proceso secuencial en el que el rayo láser es guiado a lo largo de un perfil de soldadura programable o el componente se mueve relativo a un láser fijo. Para esta modificación del proceso hay sistemas láser acoplados de fibra con una sección transversal de rayo redondeado. Dependiendo del tipo de láser y la óptica, la anchura de la soldadura puede variar entre la décima parte de un milímetro a varios milímetros.

• Soldadura simultánea: En soldadura simultánea, la radiación de diodos de alta energía individual se emite en forma de línea dispuesta a lo largo de los contornos de la costura que se está soldando.

• Soldadura cuasi-simultánea o soldadura scan: La soldadura cuasi-simultánea es una combinación de soldadura de contorno y soldadura simultánea. Espejos galvanométricos (scanners) se usan para guiar el rayo láser a lo largo del perfil de soldadura a muy alta velocidad de 10 m/s o más.

Bibliografía: Laser Welding of Engineering Polymers. The Chemical Company. Basf

Palabras clave: Laser welding of thermoplastic