Laser cladding

El laser cladding, también llamado recargue láser o LMD (Laser Metal Deposition), es un proceso de aporte de material en el que un haz láser de alta potencia crea un baño de fusión sobre la superficie de la pieza mientras una boquilla inyecta polvo metálico (o, en variantes, hilo) en ese baño. Al solidificar, el material aportado queda unido metalúrgicamente al sustrato formando un recubrimiento denso, sin poros ni grietas cuando el proceso está controlado, con espesores típicos de 0,5 a 3 mm por capa y la posibilidad de apilar capas para reconstruir volúmenes completos.

Frente a tecnologías clásicas de recargue y recubrimiento —soldadura por arco (PTA, MIG), proyección térmica (HVOF) o cromo duro electrolítico—, el láser concentra la energía en una zona muy pequeña: la dilución del material base en el aporte es baja (típicamente 2-10 %), la zona afectada térmicamente es estrecha y la distorsión de la pieza, mínima. Esto permite recargar piezas acabadas o de geometría delicada y aportar materiales de altas prestaciones (Stellite, Inconel 625, aceros de herramientas, carburos de wolframio) exactamente donde se necesitan.

El proceso tiene dos vertientes industriales: la protección preventiva de superficies nuevas frente a desgaste, corrosión o temperatura, y la recuperación de piezas usadas de alto valor —rodillos de laminación, ejes, asientos de válvula, moldes, engranajes— que después se devuelven a cota mediante torneado o rectificado. Es tecnología hermana del laser hardening o temple láser, que endurece superficialmente sin aporte de material, y comparte fundamentos con la fabricación aditiva DED (Directed Energy Deposition), de la que el LMD es la variante principal.

El sistema básico consta de una fuente láser (de diodo o de fibra, con potencias industriales de 2 a 12 kW; los láseres de diodo, con su mancha rectangular y absorción favorable, son muy usados en recargue), una óptica que conforma el haz, una boquilla coaxial o lateral que inyecta el polvo arrastrado por gas inerte (argón) y un sistema de movimiento: robot, pórtico CNC o manipuladores con mesas giratorias para piezas de revolución.

La física del proceso se gobierna con cuatro variables principales: potencia del láser, velocidad de avance, caudal de polvo y solape entre cordones. De su equilibrio resultan la dilución (porcentaje de material base fundido que se mezcla con el aporte: debe ser suficiente para la unión metalúrgica pero baja para no degradar la química del recubrimiento), la geometría del cordón (ancho 1-6 mm, altura 0,3-2 mm en configuraciones convencionales) y la microestructura, de solidificación rápida y grano fino, generalmente más dura que el mismo material en colada.

La ventaja diferencial frente al cromo duro es medioambiental y técnica: no emplea baños de Cr(VI) —restringidos por el reglamento europeo REACH— y la unión es metalúrgica, no mecánica, por lo que no se desconcha. Frente a la proyección HVOF, ofrece espesores mayores y unión más fuerte; frente al PTA, menor dilución y distorsión.

El control de calidad del recargue incluye medición de dureza por capas, metalografía de la unión y de la dilución, ensayos de líquidos penetrantes o ultrasonidos, y en aplicaciones exigentes ensayos de tracción y desgaste. La preparación previa (limpieza, mecanizado de saneado de la zona dañada) y el precalentamiento en aceros templables son determinantes para evitar grietas en frío.

Una celda industrial de laser cladding integra: fuente láser (diodo o fibra, 2-12 kW), cabezal de proceso con óptica y boquilla de polvo, alimentadores de polvo de uno o varios depósitos (lo que permite recargues bi-material o con gradiente), cinemática de 5 o más ejes y sensores de proceso (pirómetros, cámaras coaxiales) que regulan la potencia en bucle cerrado para mantener constante la temperatura del baño.

Para piezas de revolución —la geometría más frecuente en recargue— se emplean configuraciones tipo torno: la pieza gira entre puntos o sobre platos mientras el cabezal recorre la generatriz. Las celdas de gran formato manejan piezas de varios metros y decenas de toneladas: mesas giratorias para piezas de gran diámetro, bancadas entre puntos para rodillos largos y mesas fijas para componentes prismáticos. Los integradores y fabricantes de referencia incluyen Trumpf, Laserline, Coherent, Ibarmia (con sus centros híbridos de mecanizado y aporte) y centros tecnológicos españoles como Tekniker, Lortek o AIMEN, activos en desarrollo de parámetros y materiales.

En España, empresas especializadas como Izadi Mecanizados operan celdas de laser cladding con láser de 8 kW capaces de aportar hasta 15 kg/h, con configuraciones para piezas de gran dimensión (mesa giratoria de Ø5.000 mm para 35 t y recargue entre puntos de Ø2.100×7.000 mm), una docena de materiales de aportación caracterizados y laser hardening con profundidades efectivas de dureza de hasta 5 mm guiado por software propio. Este perfil de planta —recargue más mecanizado de acabado en las mismas instalaciones— es el habitual para devolver a servicio rodillos de laminación, ejes y componentes de transmisión.

Los parámetros de proceso y sus rangos industriales orientativos:

Parámetro	Rango típico	Efecto principal
Potencia láser	2-12 kW	Tamaño del baño, tasa de aporte, dilución
Velocidad de avance	5-30 mm/s	Altura de cordón, aporte térmico
Caudal de polvo	10-250 g/min	Tasa de deposición, eficiencia de polvo
Tasa de deposición	0,5-15 kg/h	Productividad del recargue
Espesor por capa	0,3-3 mm	Nº de capas necesario
Dilución	2-10 %	Pureza química del recubrimiento
Solape entre cordones	30-50 %	Planitud y uniformidad de la capa

Los materiales de aportación habituales y su función: aceros inoxidables (316L, 431) para corrosión y reconstrucción dimensional; aleaciones base níquel (Inconel 625, 718, NiCrBSi) para corrosión y alta temperatura; aleaciones base cobalto (Stellite 6, 21) para desgaste metal-metal y cavitación en asientos de válvula; aceros de herramienta (H13/1.2344) para moldes y estampación en caliente; y compuestos con carburo de wolframio (Ni-WC) para abrasión severa en minería y oil & gas. Las durezas resultantes van de 200 HB en inoxidables a 55-62 HRC en aceros de herramienta y compuestos de carburo.

El recubrimiento se deja con creces de 0,5-1 mm y se termina por torneado duro o rectificado hasta la cota final, alcanzando las tolerancias y rugosidades del proceso de acabado elegido (IT6 y Ra 0,4 µm o mejores con rectificado). En laser hardening, sin aporte, los parámetros se ajustan para mantener la superficie por debajo de la fusión: se alcanzan durezas de 55-64 HRC en aceros templables con profundidades efectivas de 0,5 a 5 mm según material y estrategia, con distorsión muy inferior al temple por inducción o en horno.

El laser cladding genera valor allí donde el coste de una pieza nueva, su plazo de fabricación o la criticidad de su superficie lo justifican:

• Siderurgia: recuperación y blindaje de rodillos de laminación y de colada continua con aceros inoxidables martensíticos y aleaciones base níquel; es una de las aplicaciones de mayor volumen mundial del proceso.
• Transmisión de potencia: reconstrucción de asientos de rodamiento, chaveteros y zonas de sellado en ejes y árboles; recuperación de engranajes de gran módulo dañados, posteriormente rectificados a su calidad original.
• Moldes y estampación en caliente: recargue de aristas y radios desgastados con aceros de herramienta, y temple láser selectivo de zonas de trabajo.
• Oil & gas y válvulas: Stellite e Inconel 625 sobre asientos, vástagos y cuerpos para desgaste, corrosión y servicio amargo (NACE).
• Energía: reparación de álabes y ejes de turbina, componentes hidroeléctricos frente a cavitación, ejes de aerogenerador.
• Naval y minería: ejes de cola, camisas, componentes de trituración con recargues de carburo.
• Automoción: bloques de motor (asientos de válvula aportados en serie) y utillaje de prensa.

El ciclo típico de reparación es: inspección y metrología inicial, mecanizado de saneado, recargue láser con creces, tratamiento térmico si procede, mecanizado y rectificado a cota, y verificación final con informe dimensional y de dureza. Frente a fabricar pieza nueva, los plazos se reducen de meses a semanas y el coste suele bajar al 30-60 %, con la ventaja añadida de que la superficie recargada puede ser de un material superior al original (ingeniería de superficies).

Ventajas

• Unión metalúrgica y baja dilución (2-10 %): el recubrimiento no se desconcha y conserva la química del material de aporte casi pura desde la primera capa.
• Mínimo aporte térmico: zona afectada estrecha y distorsión muy baja, apta para piezas acabadas, esbeltas o ya templadas.
• Libertad de materiales: inoxidables, Stellite, Inconel, aceros de herramienta y compuestos con carburos, incluso combinados (bi-material o gradiente) en la misma pieza.
• Alternativa al cromo duro: sin Cr(VI) ni las limitaciones REACH, con mejor adherencia y espesores mayores.
• Reparación de alto valor: devuelve a servicio piezas cuya sustitución costaría meses y múltiplos del precio de la reparación; reduce huella de carbono frente a fabricar de nuevo.
• Automatizable y trazable: parámetros registrados en continuo, repetibilidad de serie.

Limitaciones

• Tasa de aporte moderada: 0,5-15 kg/h según configuración; en recargues masivos de baja exigencia, el arco sumergido o el PTA siguen siendo más baratos por kilo.
• Coste de equipo y polvo: la celda láser y los polvos atomizados (5-100 €/kg según aleación) exigen piezas de valor para amortizarse.
• Línea de visión: el haz y la boquilla deben acceder a la zona; interiores profundos de pequeño diámetro requieren ópticas especiales o quedan fuera de alcance.
• Materiales sensibles al agrietamiento: aceros de alto carbono y aleaciones frágiles exigen precalentamiento y control estricto para evitar grietas en frío.
• Acabado posterior necesario: la superficie recargada (ondulación de cordones) casi siempre debe tornearse o rectificarse a cota.
• Cualificación: en sectores regulados, la homologación de procedimientos y la caracterización de cada combinación sustrato-aporte llevan tiempo y ensayos.

Preguntas frecuentes

¿Qué diferencia hay entre laser cladding y soldadura de recargue convencional?

Ambos depositan material fundido, pero el láser concentra la energía en una zona milimétrica: la dilución baja al 2-10 % (frente al 20-40 % del arco), la zona afectada térmicamente es estrecha y la pieza apenas se distorsiona. Esto permite recargar piezas acabadas, esbeltas o templadas, y obtener la química del material de aporte desde la primera capa, a cambio de una tasa de aporte menor.

¿El laser cladding sustituye al cromo duro?

En muchas aplicaciones, sí. El cromado duro electrolítico usa baños de Cr(VI), restringidos en la UE por REACH, y su unión es mecánica, propensa a desconcharse. El recargue láser deposita inoxidables, base níquel o carburos con unión metalúrgica, espesores de milímetros y mejor resistencia a impacto. Para espesores muy finos y geometrías interiores complejas, la proyección HVOF es la otra alternativa habitual.

¿Qué materiales se pueden aportar por láser?

Los más usados son aceros inoxidables (316L, 431), aleaciones base níquel (Inconel 625 y 718, NiCrBSi), aleaciones base cobalto (Stellite 6 y 21), aceros de herramienta tipo H13 y compuestos níquel-carburo de wolframio para abrasión extrema. Las plantas especializadas trabajan con una decena o más de polvos caracterizados, e incluso combinan dos materiales en una misma pieza (recargue bi-material).

¿Merece la pena reparar un rodillo de laminación o un eje por laser cladding?

Generalmente sí cuando la pieza es de alto valor: la reparación cuesta típicamente entre el 30 % y el 60 % de una pieza nueva y el plazo se reduce de meses a semanas. Además, la zona recargada puede hacerse con un material más resistente que el original, de modo que el componente reparado supera en vida útil al de fábrica. Por eso siderurgia y energía son los mayores usuarios del proceso.

¿Qué es el laser hardening y en qué se diferencia del cladding?

El laser hardening o temple láser endurece la superficie de aceros templables calentándola con el haz por encima de la temperatura de austenización; el propio material actúa de medio de temple (autotemple) y no se aporta nada. Alcanza 55-64 HRC con profundidades efectivas de hasta 5 mm y mínima distorsión, y permite endurecer zonas selectivas (caminos de rodadura, flancos, aristas) definidas por software.