Una mejor soldadura gracias a los espejos rápidos de láser

En la industria actual de fabricación de automoción y aeronaves se utiliza una variedad de materiales como el aluminio o los aceros especiales de alta resistencia para reducir los pesos de los vehículos y, por consiguiente, también el consumo de combustible. Sin embargo, estos materiales nuevos, y la combinación de los mismos, presentan nuevos retos a los fabricantes. Esto se aplica, sobre todo, al corte y a la soldadura de metales que utilizan láseres. Hasta ahora, los sistemas de láser han tenido que ser cuidadosamente adaptados a los materiales individuales. En muchos casos, este hecho requiere una óptica especial instalada específicamente para un proceso en particular.

Los nuevos espejos de láser desarrollados de forma conjunta por ingenieros del Instituto Fraunhofer de Tecnología de Silicona (ISIT) en Itzehoe y el Instituto Fraunhofer de Tecnología de Materiales y Haces (IWS) en Dresden ofrecen ahora una mayor flexibilidad en el procesamiento por láser. Los microespejos fabricados en silicona están en el corazón de los sistemas de láser flexibles. Los expertos los denominan sistemas electromecánicos (MEMS). Estos espejos MEMS son espejos de exploración cuyo objetivo es desviar el haz láser y guiarlo de manera precisa sobre la pieza de trabajo. Hasta ahora había sido posible utilizar estos pequeños espejos sólo con salidas de láser de unos pocos milivatios. Esto resultaba suficiente para visualizar los cabezales de los parabrisas de vehículos, pero no para la soldadura y el corte láser. Unas salidas superiores hubieran derretido los espejos. Gracias al nuevo recubrimiento protector desarrollado en un proyecto cooperativo y un montaje especial, los espejos pueden soportar unas potencias de láser de rango de kilovatio, suficiente para procesar aluminio o chapas de acero.

Una ventaja superior de los espejos MEMS delgados es que pueden girar hacia atrás y hacia delante a velocidades extremadamente altas, alcanzando frecuencias de hasta 100.000 hercios. Esto permite una distribución mucho más eficaz de la energía de láser que los sistemas de láser convencionales, cuyos espejos giran a tan solo aprox. 1.000 hercios. Los láseres disponen de un perfil de energía específico en el punto focal e introducen siempre la misma cantidad de energía. Si el espejo gira de forma lenta, la energía no puede distribuirse ni dosificarse de forma tan eficaz en la soldadura. Al contrario, la oscilación rápida del haz láser nos permite distribuir el calor y ajustarlo a la tarea de procesamiento correspondiente de forma mucho más eficaz.

Tal y como se ha podido demostrar de mano de experimentos de laboratorio, los espejos MEMS abren todo tipo de posibilidades, incluidas las referentes a corte, soldadura y endurecimiento superficial. Permiten soldar de manera conjunta aluminio y cobre, por ejemplo, y utilizar la introducción de calor para controlar de manera precisa qué metales se calientan más y por tanto, logran la mayor parte de la soldadura. Los espejos también facilitan la soldadura de aleaciones solo de aluminio. En la actualidad, los cordones de soldadura de aluminio son muchas veces porosos, debido a que determinadas sustancias salen despedidas de las aleaciones y forman burbujas durante el proceso de soldadura. Con el microespejo, la entrada de calor puede controlarse de manera que la fusión permanece líquida hasta que las sustancias salen por completo.

A pesar de que los láseres de estado sólido disponibles actualmente pueden cortar perfectamente el metal, los cantos cortantes no se corresponden con la calidad que habitualmente se obtiene al cortar con láseres de CO₂. La entrada de calor focalizado utilizando espejos MEMS mejora la rugosidad de los cantos y evita la formación de rebabas en la parte inferior del canto de corte.

La capacidad de los microespejos MEMS para trabajar con grandes salidas de láser se debe no sólo a su especial recubrimiento reflectante sino también a su inusual tamaño. Habitualmente, los espejos MEMS disponen un diámetro de 1 a 2 milímetros. Los nuevos espejos MEMS tienen unos diámetros de hasta 2 centímetros, permitiéndoles manejarlos incluso con láseres con diámetros de haz superiores y salidas también significativamente superiores. Para los desarrolladores, el reto consiste en lograr altas frecuencias a pesar del tamaño. Como explica Ulrich Hofmann, experto en espejos MEMS en el Fraunhofer ISIT, “para dirigir esta tarea operamos los espejos en vainas de vacío con evacuación de aire con el fin de minimizar el debilitamiento del espejo oscilante”.