¿Por qué se vuelve poroso un cordón de soldadura láser?

Una parte está sobre la pieza o en ella: aceite, recubrimientos, zinc, humedad, la capa de óxido del aluminio. Otra parte se origina en el propio proceso, por ejemplo por una protección gaseosa insuficiente o un capilar de vapor inestable. Quien intenta corregir un cordón de soldadura poroso solo mediante los parámetros pasa fácilmente por alto el primer grupo.

Este artículo ordena causas, ensayos y contramedidas y muestra qué papel puede desempeñar la preparación de la zona de unión. No sustituye ni la cualificación de un procedimiento de soldadura ni una evaluación de riesgos.

Qué es un poro en el cordón de soldadura

Un poro es una cavidad llena de gas en el metal de soldadura solidificado, tanto en un cordón de soldadura láser como en otros cordones de soldadura por fusión. Un artículo técnico basado en trabajos de investigación del Fraunhofer IPK señala como causa principal la inclusión de gases en el baño de fusión que ya no pueden escapar durante la solidificación.

Lo decisivo es cuánto gas se genera y cuánto tiempo permanece líquido el baño de fusión para que el gas pueda salir.

Los poros pueden aparecer aislados, agrupados o finamente distribuidos, abiertos en la superficie o completamente en el interior del cordón.

Poros debidos al material y poros de proceso

Resulta útil una distinción que establece una tesis doctoral de la Universidad de Stuttgart sobre la soldadura por haz láser de fundición inyectada de aluminio:

• poros debidos al material: gases atrapados en el material que se liberan al fundirse
• poros de proceso: poros que pueden originarse por las fluctuaciones del capilar de vapor en la soldadura de penetración profunda

Trasladada por analogía a la superficie, la distinción conduce a contramedidas diferentes. Frente al aceite en la zona de unión, la limpieza resulta más obvia que un cambio de parámetros. En cambio, un capilar de vapor inestable no puede estabilizarse solo con limpieza.

Aceite, grasa y residuos en la zona de unión

Las chapas procedentes de procesos de conformado previos están recubiertas de aceites. A ello se suman emulsiones, lubricantes secos y capas de conservación, algunas apenas visibles.

Bajo el haz láser, estas sustancias se evaporan. El vapor llega al baño de fusión y una parte puede quedar atrapada durante la solidificación. Schweißaufsicht im Betrieb menciona expresamente los restos de aceite y otras suciedades en la superficie de la pieza o en el borde de la junta como causa de poros, y la limpieza de las piezas como contramedida.

Aquí también cuenta el borde de la junta: la suciedad en la junta se encuentra justo donde se forma el baño de fusión, y una limpieza de la cara superior no siempre la alcanza.

Pintura, imprimación y recubrimientos orgánicos

Las pinturas, imprimaciones y otros recubrimientos orgánicos pueden liberar gases y humo durante el proceso de soldadura y, en la zona del cordón, actúan de forma similar a la suciedad.

Los fabricantes de sistemas de limpieza láser describen la eliminación de shop primer en chapas de acero, de capas de conservación y de lubricantes de conformado como preparación típica antes de la soldadura.

Un recubrimiento que después se necesita como protección anticorrosiva solo debería eliminarse donde sea necesario para el cordón. La anchura que debe tener esta zona depende de la geometría del cordón, del aporte de calor y de los requisitos de la pieza, y no puede indicarse de forma general.

Chapas galvanizadas y vapor de zinc

En el acero galvanizado, la causa está en la física de los materiales. Según Fronius, el zinc funde a unos 420 °C y se evapora a 900 °C, mientras que el punto de fusión del acero supera los 1500 °C. Por tanto, cuando el acero se funde, el zinc de su entorno inmediato ya está en estado gaseoso.

La unión a solape es especialmente crítica, porque allí la capa de zinc se encuentra en el plano de unión entre las chapas. Schweißaufsicht im Betrieb describe que, en las uniones a solape, el vapor de zinc tiene que escapar a través del baño de fusión. El Institut für Füge- und Schweißtechnik de la TU Braunschweig menciona como consecuencia una perturbación del capilar de vapor con expulsiones del baño de fusión, perforaciones y proyecciones de soldadura.

Según la misma fuente, el estado de la técnica consiste en ajustar holguras de desgasificación que permiten una evaporación dirigida del zinc en la capa intermedia. Los trabajos de investigación muestran que las disposiciones de spot bifocales o anulares pueden permitir, en determinadas condiciones, una soldadura fiable incluso sin holgura preajustada.

Si se elimina la capa de zinc en la zona del cordón, allí falta la protección anticorrosiva. Que esto sea admisible depende de los requisitos de la pieza.

Aluminio, capa de óxido e hidrógeno

En el aluminio, el hidrógeno es una fuente de poros fundamental. Según la empresa de técnica de soldadura ERL, la solubilidad del hidrógeno en el aluminio disminuye bruscamente durante el enfriamiento a unos 600 °C, aproximadamente en una proporción de 1:20. Lo que estaba disuelto en el metal fundido tiene que salir durante la solidificación. Si no lo consigue, queda atrapado como poro.

El hidrógeno puede proceder, por ejemplo, de la humedad o de aceites y grasas en la superficie. El aluminio forma inmediatamente una capa de óxido en contacto con el aire. Los óxidos pueden provocar además inclusiones de óxido — una imperfección propia, distinta del poro.

Como preparación, ERL menciona el trabajo con cepillos de acero inoxidable y la limpieza química poco antes de soldar. ERL da preferencia al decapado en soluciones alcalinas; en muchos casos considera problemáticos los disolventes por motivos de seguridad laboral, porque el arco eléctrico puede transformar sus residuos en gases y vapores nocivos para la salud. El matiz «poco antes» es esencial, porque la superficie vuelve a reaccionar tras la limpieza.

En la fundición inyectada de aluminio se añade una fuente que ningún tratamiento superficial alcanza: la tesis doctoral de Stuttgart describe gases atrapados en el material procedentes del proceso de fundición, entre ellos hidrógeno y nitrógeno. El Fraunhofer IWS menciona además los desmoldeantes como desfavorables para la formación del cordón.

Humedad y condensación

El agua en la superficie es una fuente directa de hidrógeno. Para el aluminio, ERL afirma que la condensación debe evitarse a toda costa y da un ejemplo: con un 70 por ciento de humedad del aire, el agua puede condensarse ya cuando el metal está unos 5 °C más frío que el aire ambiente.

Esto puede afectar, por ejemplo, a piezas que llegan de un almacén frío a una nave cálida. En ese caso puede tener sentido dejar que alcancen la temperatura de la nave antes de soldarlas.

Gas de protección: tipo, cantidad y conducción

El gas de protección debe separar el baño de fusión del aire ambiente. El artículo técnico sobre los trabajos del Fraunhofer IPK señala que la elección del tipo de gas de protección, el ajuste correcto del caudal y una conducción optimizada del gas contribuyen de forma esencial a un proceso estable.

Se estudió la soldadura láser manual en uniones en T de acero de baja aleación HX340LAD con 1,5 mm de espesor de chapa, con un caudal de gas de 14 l/min. Los resultados difirieron claramente:

• Argón: porosidad máxima del 4,43 por ciento, nivel de calidad D
• Nitrógeno: porosidad máxima del 1,35 por ciento, nivel de calidad B
• CO₂: porosidad máxima del 0,14 por ciento, nivel de calidad B

La clasificación se realizó según DIN EN ISO 13919-1. Como contrapartida, el artículo menciona más proyecciones con CO₂, una posible ligera oxidación superficial y, en su caso, una potencia del láser moderadamente mayor. Los valores son válidos para esta configuración y no pueden trasladarse sin más a otros materiales.

Más gas no es automáticamente mejor; el caudal y la alimentación deben adaptarse a la aplicación.

Capilar de vapor inestable en la soldadura de penetración profunda

En la soldadura de penetración profunda, el haz láser penetra profundamente en el material y genera un canal fino lleno de vapor metálico — el capilar de vapor, en inglés keyhole. Investigadores de Empa describen que este capilar puede volverse inestable, colapsar y dejar un poro en el cordón de soldadura.

Los estudios sobre la soldadura híbrida láser de aluminio describen el proceso con más detalle: el capilar se estrangula, en el fondo del baño de fusión se forma una burbuja de gas y el frente de solidificación que avanza puede atraparla. Un mayor volumen de metal líquido da allí a la burbuja más tiempo para escapar.

Qué parámetros ayudan depende en gran medida del material:

• Schweißaufsicht im Betrieb menciona una menor velocidad de avance combinada con un punto focal mayor, para que el baño de fusión pueda desgasificarse durante más tiempo.
• La tesis doctoral de Stuttgart encontró en la fundición inyectada de aluminio un rango crítico de velocidad con superficie máxima de poros. Al seguir aumentando la velocidad, se obtuvo allí una porosidad finamente distribuida en el cordón.
• El Fraunhofer IWS informa, para la fundición inyectada de aluminio, de una calidad del cordón considerablemente mejorada gracias a una alta calidad del haz y a una oscilación del haz de alta frecuencia.

De ello no puede deducirse una regla como «más lento siempre es mejor»; los parámetros deben probarse en cada material y cada tipo de unión.

Detectar y evaluar los poros

La inspección visual solo detecta lo que se encuentra en la superficie. Las zonas porosas que llegan hasta la superficie son visibles; las encerradas, no. Para el interior del cordón se emplean otros procedimientos:

• Ensayo radiográfico: según SLV Nord, se hacen visibles las diferencias de densidad en el interior de la pieza, de modo que los poros y las inclusiones pueden detectarse y distinguirse. Schweißaufsicht im Betrieb cita para ello DIN EN ISO 17636-1 y -2 y señala que, en los cordones soldados por haz, deben mecanizarse la cara superior y la inferior.
• Ensayo por ultrasonidos según DIN EN ISO 17640.
• Ensayos destructivos, como probetas de rotura o probetas metalográficas, que permiten ver el interior del cordón por muestreo.

Para la evaluación, DIN EN ISO 13919-1 establece requisitos y recomendaciones sobre niveles de calidad para imperfecciones en uniones soldadas por haz de electrones y por haz láser de acero, níquel, titanio y sus aleaciones. Qué nivel se exige para una pieza se deriva de sus requisitos, no de la norma por sí sola.

Acotar las contramedidas de forma sistemática

Por qué un cordón se vuelve poroso rara vez se aclara con un solo ajuste. Un procedimiento ordenado ayuda más que modificar muchas magnitudes a la vez:

1. Documentar el patrón de poros: posición, tamaño, frecuencia, lotes o piezas afectados.
2. Aclarar el material y la superficie: recubrimiento, galvanizado, fundición inyectada, aceite, óxido.
3. Limpiar la zona de unión y mantener corto el tiempo hasta la soldadura.
4. Descartar humedad y condensación.
5. Comprobar el gas de protección: tipo de gas, caudal, alimentación.
6. Modificar los parámetros de forma específica: avance, punto focal y, en su caso, guiado del haz.
7. Probar cada cambio por separado y comprobar el resultado.

El patrón de poros puede dar indicios: si los poros solo aparecen en determinados lotes, conviene fijarse en el material y la superficie. Esto no sustituye un análisis de las causas.

Preparación de la zona de unión y limpieza láser

Muchas de las causas descritas se sitúan antes del primer punto de soldadura. Una zona de unión limpia, seca y soldada sin demora priva al proceso de parte de sus fuentes de gas.

Los procedimientos habituales incluyen, entre otros, disolventes, cepillado y decapado químico. La limpieza láser puede ser un paso de preparación adicional. Clean-Lasersysteme, como fabricante, describe la eliminación de lubricantes de conformado, óxidos naturales, aceites, grasas, hidratos y shop primer antes de la soldadura; en chapas galvanizadas, deben eliminarse los hidratos de zinc próximos a la superficie sin dañar la capa de zinc. Son datos del fabricante que deberían confirmarse para la pieza propia mediante soldaduras de prueba.

Los límites son igual de importantes:

• Ninguna limpieza superficial alcanza los gases del interior del material, por ejemplo en la fundición inyectada.
• Un capilar de vapor inestable o una protección gaseosa insuficiente no se ven afectados por ello.
• Las superficies interiores de una unión a solape dejan de ser accesibles tras la unión y deben prepararse antes.
• Tras la limpieza, el aluminio vuelve a reaccionar con el entorno.

Para la preparación de la zona de unión, en la gama de Beamlux entran en consideración tanto los equipos de limpieza como el equipo de soldadura láser, que además de soldar está diseñado para la limpieza de cordones de soldadura y la eliminación de óxido. Si un equipo cumple una determinada tarea de preparación solo puede valorarse en la pieza real.

Seguridad laboral

En la limpieza láser manual y en la soldadura láser manual, la radiación láser es accesible, al menos en parte, durante el funcionamiento. La DGUV Information 203-093 sirve de apoyo a la evaluación de riesgos de estas instalaciones láser y menciona lesiones en los ojos y la piel como posibles consecuencias. Además, al soldar piezas galvanizadas se genera humo de óxido de zinc que, según Fronius, puede provocar síntomas similares a los de la gripe; Fronius indica como medida una aspiración eficaz. Este artículo no sustituye una evaluación de riesgos.

Fuentes

• Schweißaufsicht im Betrieb (WEKA) — Soldadura por haz láser: defectos y cómo evitarlos — Causas de poros por suciedad, vapor de zinc y canal de vapor inestable; limpieza y desgasificación más prolongada como contramedidas.
• Schweißaufsicht im Betrieb (WEKA) — Ensayo de cordones soldados por haz de electrones y por haz láser — Procedimientos de ensayo no destructivo para cordones soldados por haz con las normas correspondientes.
• DER PRAKTIKER / Home of Welding — Reducir la porosidad con gas de protección — Estudio del Fraunhofer IPK sobre la influencia del gas de protección en la soldadura láser manual.
• Home of Welding — Actualización de DIN EN ISO 13919-1 — Ámbito de aplicación de la norma sobre niveles de calidad para imperfecciones en uniones soldadas por haz de electrones y por haz láser.
• Reinhard Winkler — Formación de poros en la soldadura por haz láser de fundición inyectada de aluminio — Tesis doctoral, Universidad de Stuttgart, Herbert Utz Verlag; poros debidos al material, poros de proceso e influencia de la velocidad de soldadura.
• Fraunhofer IWS — Nuevas perspectivas para la soldadura por haz láser de piezas de fundición inyectada de aluminio — Gases atrapados, desmoldeantes y oscilación del haz de alta frecuencia.
• all-electronics — Soldadura láser: un sistema de medición detecta automáticamente y en tiempo real los poros no deseados — Informe sobre una investigación de Empa; colapso del capilar de vapor como causa de poros.
• Xu et al., Materials — Influence of Arc Power on Keyhole-Induced Porosity in Laser + GMAW Hybrid Welding of Aluminum Alloy — Estrangulamiento del capilar, burbujas de gas en el fondo del baño de fusión y atrapamiento por el frente de solidificación.
• TU Braunschweig, Institut für Füge- und Schweißtechnik — Proyecto MultiZink — Perturbación del capilar de vapor por el zinc y holguras de desgasificación en la unión a solape.
• Schweißen und Schneiden — Soldadura por haz de chapas de acero galvanizadas en unión a solape sin holgura de desgasificación preajustada — Conformación del haz con disposiciones de spot bifocales y anulares.
• Fronius — ¿Soldadura o soldadura fuerte de chapa galvanizada? — Temperatura de fusión y de evaporación del zinc, formación de poros y humo de óxido de zinc.
• ERL GmbH Schweissen + Schneiden — Soldadura de aluminio — Solubilidad del hidrógeno, capa de óxido, condensación, limpieza antes de la soldadura y seguridad laboral con disolventes.
• SLV Nord — Ensayo radiográfico — Detección de poros e inclusiones a través de diferencias de densidad.
• Clean-Lasersysteme GmbH — Pretratamiento para soldadura fuerte y soldadura — Documentación del fabricante sobre el pretratamiento láser de zonas de unión.
• DGUV Information 203-093 — Handlungshilfe für die Gefährdungsbeurteilung beim Betrieb von offenen Laser-Einrichtungen zur Materialbearbeitung mit Handführung oder Handpositionierung (guía práctica para la evaluación de riesgos en el uso de equipos láser abiertos para el procesado de materiales con guiado o posicionamiento manual) — Ámbito de aplicación y riesgos derivados de la radiación láser de libre acceso.

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