Tecnología de recubrimiento moderna para cojinetes deslizantes en aerogeneradores
El láser cladding es un proceso innovador para aplicar capas resistentes al desgaste sobre superficies metálicas. En los aerogeneradores, por ejemplo, se utilizan cada vez más cojinetes deslizantes en lugar de cojinetes de rodillos, por ejemplo, en ejes principales de gran tamaño (ejes del rotor principal) y engranes planetarios en las transmisiones. Este cambio tiene como objetivo aumentar la eficiencia energética y reducir los costos de mantenimiento. Dado que los cojinetes deslizantes requieren recubrimientos blandos, el recubrimiento láser cobra protagonismo: permite aplicar capas deslizantes de alta calidad directamente sobre componentes de acero, un factor clave para lograr componentes de energía eólica duraderos y eficientes.
Pero, ¿qué significa «laser cladding»? El término se refiere a la aplicación de un recubrimiento metálico mediante láser. Técnicamente, se trata de la soldadura por láser de recubrimiento, un proceso consolidado para la fabricación o reparación de recubrimientos de muy alta calidad.
Casos de aplicación típicos: ejes principales y pernos planetarios en aerogeneradores
En los aerogeneradores se presentan cargas extremas y solicitaciones continuas. En particular, los ejes principales, que transmiten la fuerza de las palas del rotor hacia la transmisión, y los pernos planetarios — los pivotes sobre los que giran los engranajes planetarios en la transmisión — deben soportar fuerzas elevadas. Hasta ahora, estos componentes se equipan frecuentemente con rodamientos de elementos rodantes (p. ej. rodamientos de rodillos o de bolas). Sin embargo, los aerogeneradores modernos apuestan cada vez más por soluciones de cojinetes deslizantes para reducir las pérdidas por fricción y prolongar así la vida útil.
Para la conversión a cojinetes deslizantes, las superficies de estos componentes deben recubrirse con un metal blando adecuado. Precisamente aquí entra en juego el laser cladding. Un ejemplo típico son los pernos planetarios con recubrimiento láser en los aerogeneradores más recientes. Mediante un recubrimiento láser es posible aplicar sobre la superficie de acero de los pernos o muñones de eje una capa delgada de material para cojinete deslizante (como bronce cobre-estaño o metal blanco). Esta capa funciona como superficie de rodamiento deslizante que, en combinación con un contrarrodamiento adecuado (p. ej. un segmento de cojinete de concha), forma un cojinete deslizante de baja fricción.
El recubrimiento garantiza propiedades tribológicas importantes: por un lado, protege el acero contra el desgaste. Por otro lado, permite las denominadas propiedades de funcionamiento en emergencia — es decir, la capacidad del cojinete de no fallar de inmediato ante una interrupción momentánea del aceite lubricante. Sin una capa deslizante blanda de este tipo, los pares acero sobre acero sufrirían daños por gripado en poco tiempo al producirse la rotura del film lubricante. Las aleaciones cobre-estaño (bronces) o los metales blancos ofrecen excelentes propiedades deslizantes y, gracias a su superficie blanda, previenen el gripado en operación de emergencia. El laser cladding de estos materiales sobre grandes ejes y pernos es, por tanto, la clave para poder utilizar de manera confiable cojinetes deslizantes en aerogeneradores.
Ventajas del láser cladding frente al colado y la proyección térmica
El láser cladding (soldadura de recargue láser) ofrece numerosas ventajas técnicas y económicas frente a los métodos de recubrimiento tradicionales como el colado de cojinetes de concha o la proyección térmica.
- Mayor resistencia de unión: las capas aplicadas por láser están soldadas por adherencia material con el material base y alcanzan una resistencia de adherencia significativamente mayor que los recubrimientos por colado o proyección. En particular en comparación con la proyección térmica — que genera únicamente una adherencia mecánica de las partículas sobre la superficie — la unión metalúrgica del láser cladding produce capas considerablemente más duraderas y de mayor capacidad de carga.
- Integración de los procesos y alta precisión: las instalaciones de laser cladding pueden integrarse en una línea de fabricación, ya que son relativamente compactas y no requieren un área de fundición separada. Los componentes pueden seguir procesándose directamente antes o después del recubrimiento en la misma instalación, lo que minimiza los esfuerzos logísticos. El láser aporta la energía de forma muy precisa y localizada en la pieza de trabajo, con lo que las zonas circundantes apenas se ven afectadas. Así se minimizan los distorsionados y se logra la mejor estabilidad dimensional posible del componente. Los parámetros láser son además controlables con exactitud, lo que garantiza espesores de capa uniformes y resultados reproducibles. Incluso geometrías complejas o zonas de difícil acceso pueden recubrirse de manera uniforme mediante guiado de óptica multieje — muy por encima de lo que sería posible con procesos convencionales.
- Mejores propiedades de funcionamiento en emergencia mediante materiales con estaño y cobre: dado que con el láser cladding pueden aplicarse prácticamente cualquier tipo de aleaciones, es posible utilizar bronces para cojinetes deslizantes o metales blancos desarrollados específicamente. Estos recubrimientos blandos con cobre y estaño otorgan al cojinete excelentes propiedades de funcionamiento en emergencia — es decir, el cojinete puede seguir operando durante cierto tiempo sin daños graves incluso ante lubricación deficiente o falla momentánea del aceite.
- Menor consumo de material y energía: el láser cladding es sumamente eficiente en el uso de recursos. En comparación con el colado centrífugo tradicional o el colado en horno de cojinetes, es posible ahorrar más del 70 % de metales no ferrosos, ya que se aplica únicamente el espesor de capa requerido en lugar de colar un revestimiento grueso de bronce. Al mismo tiempo, el consumo de energía se reduce aproximadamente un 90 % frente al proceso de colado, dado que el proceso láser solo funde material de forma local y no es necesario mantener grandes volúmenes de material fundido a temperatura durante períodos prolongados. En conjunto, el láser cladding es considerablemente más respetuoso con el medio ambiente y más económico en operación.
Tecnología: laser cladding en operación
En el láser cladding (soldadura de recargue láser), un material metálico en polvo o un hilo se aplica como capa sólida sobre un componente mediante un haz láser de alta intensidad. Un haz láser enfocado genera un baño de fusión local en la superficie de la pieza de trabajo. En este baño de fusión, el material de aporte suministrado se une con el material base. El metal líquido solidifica en cuestión de milisegundos y forma un cordón de soldadura denso, fusionado firmemente con el sustrato. Mediante la deposición de cordones ligeramente desplazados entre sí y, en su caso, la aplicación en múltiples capas, se obtiene una capa homogénea con el diámetro deseado.
Como fuente de energía se utilizan normalmente láseres de diodo de alta potencia.
EMAG ELC 1500 LMD: Instalación de alto rendimiento para laser cladding
La ELC 1500 LMD ha sido diseñada específicamente para recubrir de forma eficiente con láser piezas de trabajo de hasta 2 toneladas de peso y una longitud de hasta 1,5 metros. Por ello, la ELC 1500 LMD es ideal para componentes como los ejes principales de aerogeneradores, que son muy grandes y macizos. Gracias a una base reforzada y a un contrapunto estable, incluso para piezas de gran peso pueden sujetarse con precisión y moverse de forma segura durante el recubrimiento.
La ELC 1500 LMD opera con tecnología láser y de accionamiento de última generación. El elemento central es una óptica de proceso que — accionada mediante hasta cuatro ejes NC — posiciona el haz láser con alta precisión. Concretamente, esto significa que la óptica puede desplazarse en dirección X, Y y Z y adicionalmente ajustarse en ángulo para seguir de manera óptima cada punto del componente. Este movimiento multieje incrementa enormemente la flexibilidad: incluso contornos complejos o zonas de difícil acceso (p. ej. superficies interiores de grandes cojinetes de concha) pueden recubrirse de manera confiable, ya que el haz puede incidir siempre en el ángulo correcto. La repetibilidad del posicionamiento es sumamente alta — las desviaciones de capa a capa son mínimas, lo que garantiza resultados consistentes.
La ergonomía y la integración también fueron consideradas en la ELC 1500 LMD. La máquina cuenta con un amplio espacio de trabajo accesible desde el frente. Los componentes de gran tamaño pueden cargarse y descargarse fácilmente con grúa o dispositivos de elevación (manipulador). Las labores de mantenimiento del láser o de la óptica se facilitan gracias a la construcción abierta. Todos los componentes necesarios — desde la fuente del haz hasta la extracción de humo y partículas — están integrados en el concepto de la instalación y pueden disponerse de manera flexible. Esto significa que la solución completa de laser cladding proviene de un solo proveedor y requiere únicamente un espacio adecuado en la planta de fabricación. Los sistemas de enfriamiento para el láser, así como las carcasas de protección forman parte del sistema, garantizando así la seguridad y la confiabilidad.
En resumen, el láser cladding alcanza una mayor calidad de unión, permite el uso de materiales de cojinete de alto rendimiento, ahorra material y energía, ofrece condiciones de proceso controlables con precisión sin grandes efectos térmicos secundarios y prescinde de medios de enfriamiento adicionales. Estas ventajas lo convierten en una tecnología sumamente atractiva para el recubrimiento de cojinetes deslizantes en aplicaciones de energía eólica.
