Imagine um método de soldadura tão preciso e potente que consegue unir materiais com uma distorção mínima e uma resistência sem paralelo. Esta é a promessa da soldadura por penetração profunda a laser. Neste artigo, irá explorar o funcionamento desta técnica avançada, os princípios que lhe estão subjacentes e as suas aplicações em vários sectores. Desde o aumento da eficiência de fabrico até à garantia de soldaduras de alta qualidade, irá descobrir o potencial transformador desta tecnologia de ponta. Mergulhe para compreender os parâmetros do processo, as vantagens e o futuro da soldadura com laser.
O processo de soldadura por laser, principalmente para a soldadura de chapas metálicas, pode ser dividido em duas categorias: soldadura por laser contínuo de fibra e soldadura por laser de impulsos YAG.
Com base no princípio da soldadura a laser, pode ser dividida em soldadura por condução de calor e soldadura por penetração profunda a laser. Quando a densidade de potência é inferior a 104 a 105 W/cm², é considerada soldadura por condução de calor. Isto resulta numa penetração pouco profunda e numa velocidade de soldadura mais lenta.
Por outro lado, quando a densidade de potência é superior a 105 a 107 W/cm², a superfície metálica formará "buracos" devido ao aquecimento e resultará em soldadura por penetração profunda a laser. Este método é caracterizado pela sua rápida velocidade de soldadura e grande relação profundidade/largura.
O princípio da condução de calor soldadura a laser envolve o aquecimento da superfície a ser processada através de radiação laser, a orientação do calor da superfície através de transferência e difusão interna e a fusão da peça de trabalho para formar uma poça de fusão específica, controlando os parâmetros do laser, como a largura do impulso, a energia, a potência de pico e a frequência de repetição. Este método é adequado para soldadura de placas.
A soldadura por penetração profunda a laser é utilizada principalmente para a soldadura de engrenagens e para a soldadura metalúrgica soldadura de chapasO foco deste artigo é o princípio da soldadura por penetração profunda a laser.
Soldadura da tampa superior da bateria de lítio em concha de alumínio - laser contínuo de fibra (célula de veículo de energia nova, principalmente 3-Série alumínio)
A soldadura por penetração profunda a laser utiliza normalmente um feixe de laser contínuo de fibra ótica para unir materiais. O processo metalúrgico deste método é semelhante ao da soldadura por feixe de electrões e é realizado através de uma estrutura de "buraco de fechadura".
Quando o material é exposto a um laser de alta densidade de potência, evapora-se e cria pequenos orifícios. Os pequenos orifícios, cheios de vapor, comportam-se como corpos negros e absorvem quase toda a energia do feixe incidente.
A temperatura no interior dos orifícios atinge aproximadamente 2500 ℃ e o calor é transferido das paredes exteriores dos orifícios a alta temperatura para fundir o metal circundante.
Os pequenos orifícios são preenchidos com vapor de alta temperatura que é gerado pela evaporação contínua do material da parede sob a irradiação do laser. As quatro paredes dos orifícios são rodeadas por metal fundido e o metal líquido é rodeado por materiais sólidos.
Na maioria dos processos de soldadura convencionais e na soldadura por condução laser, a energia é primeiro depositada na superfície da peça de trabalho e depois transmitida para o interior por condução.
O fluxo de líquido e a tensão superficial da parede fora das paredes do orifício estão em equilíbrio dinâmico com a pressão de vapor contínua dentro da cavidade do orifício. O raio laser entra continuamente nos pequenos orifícios e o material fora dos orifícios está a fluir continuamente.
O movimento do feixe de laser mantém os pequenos orifícios e o metal fundido em torno dos orifícios num estado de fluxo estável.
Isto significa que os pequenos orifícios e o metal fundido avançam com a velocidade do feixe principal, preenchendo o espaço deixado para trás e solidificando-se para formar a soldadura.
Todos estes processos ocorrem tão rapidamente que a velocidade de soldadura pode facilmente atingir vários metros por minuto.
Soldadura a laser CW de fibra de alumínio da série 6 (este é o piso ferroviário de alta velocidade)
Existe um limiar para a densidade de energia laser na soldadura a laser. Se a densidade de energia do laser for inferior a este valor, a penetração é reduzida. No entanto, se atingir ou exceder este valor, a penetração é muito melhorada.
A geração de plasma, que significa o progresso da soldadura por penetração profunda estável, ocorre apenas quando o densidade de potência laser na peça de trabalho excede o limiar, que depende do material.
Quando a densidade de potência do laser é inferior ao limiar, apenas ocorre a fusão superficial da peça de trabalho, resultando numa soldadura por condução de calor estável.
Se a densidade de potência do laser estiver próxima da condição crítica para a formação do buraco da fechadura, a processo de soldadura torna-se instável, com alternância entre soldadura de penetração profunda e soldadura por condução, resultando em flutuações significativas na profundidade de penetração.
Durante a soldadura por penetração profunda a laser, a potência do laser controla simultaneamente a profundidade de penetração e a velocidade de soldadura. A profundidade de penetração está diretamente relacionada com a densidade de potência do feixe e é uma função da potência do feixe incidente e do ponto focal do feixe.
Em geral, para um feixe laser com um determinado diâmetro, a penetração aumenta à medida que a potência do feixe aumenta.
Soldadura por laser de impulsos YAG (pode fazer diretamente a aparência da superfície)
O tamanho do ponto do feixe é uma variável crítica na soldadura a laser, uma vez que determina a densidade de potência. No entanto, a medição do tamanho do ponto para lasers de alta potência é uma tarefa difícil, apesar da disponibilidade de várias tecnologias de medição indireta.
O limite do tamanho do ponto de difração do foco do feixe pode ser calculado utilizando a teoria da difração da luz, mas o tamanho real do ponto é maior devido à presença de aberrações na lente de focagem.
O método mais simples de medição é o método do perfil de temperatura igual, que envolve a medição do ponto focal e do diâmetro da perfuração após a queima de papel espesso e a penetração numa placa de polipropileno.
Este método requer o domínio da potência do laser e do tempo de ação do feixe, o que pode ser conseguido através da prática e da medição.
A absorção laser dos materiais depende de várias propriedades importantes do material, tais como a absorvência, a refletividade, a condutividade térmica, a temperatura de fusão, a temperatura de evaporação, etc.
Existem dois factores que afectam a capacidade de absorção dos materiais pelo feixe laser:
Em primeiro lugar, o coeficiente de resistência do material. Depois de medir a absorvência da superfície polida do material, verificou-se que a absorvência do material é diretamente proporcional à raiz quadrada do coeficiente de resistência, que muda com a temperatura.
Em segundo lugar, o estado da superfície ou o acabamento do material, que tem um impacto significativo na absorvência do feixe e, por conseguinte, no efeito de soldadura.
Os materiais com elevada pureza e condutividade geral, como o aço inoxidável e o níquel, são os melhores para soldar.
Por outro lado, materiais de alta condutividade como cobre e alumínio são difíceis de soldar. A soldadura de alumínio da série 6 e superior é propensa a fissuras e poros.
O soldadura de cobre depende geralmente dos requisitos da aplicação, e pode ser efectuada com laser de impulsos YAG e laser contínuo de fibra.
Na indústria da joalharia, o ouro e a prata são geralmente soldados por pontos. No entanto, existem poucas aplicações industriais para a soldadura destes materiais. O foco aqui é em aplicações industriais.
O comprimento de onda de saída do CO2 é tipicamente de 10,6 μm. À temperatura ambiente, a taxa de absorção dos lasers nãomateriais metálicosA taxa de absorção de materiais metálicos, como a cerâmica, o vidro, a borracha e os plásticos, é muito elevada, ao passo que a taxa de absorção de materiais metálicos é fraca.
No entanto, quando o material é derretido ou mesmo vaporizado, a sua absorção aumenta drasticamente.
O método de revestimento de superfície ou de formação de uma película de óxido na superfície é altamente eficaz para melhorar a absorção de feixes de luz.
A velocidade de soldadura tem um impacto significativo na profundidade de penetração. Aumentar a velocidade resultará numa penetração mais superficial, mas uma velocidade demasiado baixa causará uma fusão excessiva do material e resultará numa penetração excessiva na peça de trabalho.
Por conseguinte, existe uma gama adequada de velocidades de soldadura para um material específico com uma determinada potência laser e espessura, e a penetração máxima pode ser alcançada com o valor de velocidade correspondente.
Soldadura de enchimento de fio laser de pulso YGA de aço inoxidável (pode superar o problema da junta de topo grande e aparência tratamento de superfície na fase posterior)
O gás inerte é frequentemente utilizado na soldadura a laser para proteger a poça de fusão. Em alguns casos, a proteção pode não ser necessária se o material puder ser soldado sem oxidação da superfície.
No entanto, a maioria das aplicações utiliza hélio, árgon, azoto ou outros gases para proteger a peça de trabalho da oxidação durante a soldadura.
O hélio é um gás de proteção eficaz devido à sua elevada energia de ionização, que permite que o feixe laser passe suavemente e atinja a superfície da peça de trabalho sem quaisquer impedimentos. No entanto, é relativamente caro.
O árgon é relativamente barato e tem uma densidade elevada, proporcionando uma boa proteção. No entanto, é propenso à ionização por plasma metálico de alta temperatura, o que reduz a potência laser efectiva e a velocidade de soldadura, bem como a penetração.
A superfície da soldadura protegida com árgon é mais lisa do que a superfície protegida com hélio.
O nitrogénio é o gás de proteção mais barato, mas não é adequado para alguns tipos de soldadura de aço inoxidável devido a problemas metalúrgicos, como a absorção, que pode, por vezes, dar origem a poros na zona do colo.
O segundo objetivo da utilização de gás de proteção é proteger a lente de focagem da poluição por vapor metálico e da pulverização de gotículas de líquido, o que é especialmente importante na soldadura a laser de alta potência, em que os ejectos se tornam mais poderosos.
A terceira função do gás de proteção é dispersar a proteção de plasma produzida pela soldadura a laser de alta potência. O vapor metálico absorve o raio laser, ionizando-o numa nuvem de plasma, e o gás de proteção em torno do vapor metálico também se ioniza devido ao aquecimento.
Se houver demasiado plasma, este consumirá o feixe laser até certo ponto. O plasma na superfície de trabalho actua como uma segunda fonte de energia, tornando a penetração mais superficial e a superfície do banho de soldadura mais larga.
A taxa de recombinação dos electrões pode ser aumentada aumentando a colisão dos electrões com iões e átomos neutros, reduzindo a densidade de electrões no plasma.
Quanto mais leve for o átomo neutro, maior será a frequência de colisão e maior será a taxa de recombinação.
Por outro lado, apenas o gás de proteção com elevada energia de ionização não aumentará a densidade de electrões devido à sua própria ionização.
Peso atómico (molecular) e energia de ionização de gases e metais comuns
| Material | Ele | Ar | N | Al | Mg | Fe |
| Peso atómico (molecular) | 4 | 40 | 28 | 27 | 24 | 56 |
| Energia de ionização (eV) | 24.46 | 15.68 | 14.5 | 5.96 | 7.61 | 7.83 |
Como se mostra na tabela, o tamanho da nuvem de plasma depende do tipo de gás de proteção utilizado. O hélio produz a nuvem de plasma mais pequena, o azoto produz a segunda mais pequena e o árgon produz a maior. Quanto maior for o tamanho do plasma, menor será a profundidade de penetração.
Esta diferença não se deve apenas aos diferentes níveis de ionização das moléculas de gás, mas também à diferença na difusão do vapor metálico causada pelas diferentes densidades do gás de proteção.
O hélio tem a menor ionização e densidade, e pode rapidamente limpar o vapor metálico ascendente da poça de metal fundido.
Como resultado, a utilização de hélio como gás de proteção pode inibir eficazmente o plasma e aumentar a penetração e a velocidade de soldadura. Para além disso, é leve e é pouco provável que cause poros.
No entanto, na soldadura real, a utilização de árgon como escudo proporciona bons resultados. O efeito da nuvem de plasma na penetração é mais notório a baixas velocidades de soldadura e, à medida que a velocidade de soldadura aumenta, o seu impacto diminui.
O gás de proteção é libertado sobre a superfície da peça de trabalho através de um bocal a uma determinada pressão. A forma do bocal e o diâmetro de saída são críticos, uma vez que o bocal deve ser suficientemente grande para cobrir a superfície de soldadura A lente deve ser protegida com o gás de proteção, mas também deve ser limitada em tamanho para proteger eficazmente a lente e evitar que a poluição por vapor metálico ou os salpicos de metal danifiquem a lente.
O caudal também deve ser controlado, caso contrário, o fluxo laminar do gás de proteção tornar-se-á turbulento e o ar será arrastado para a poça de fusão, formando poros.
Para melhorar o efeito de proteção, pode também ser utilizado o sopro lateral, em que o gás de proteção é injetado no pequeno orifício da soldadura de penetração profunda a um determinado ângulo através de um bocal de pequeno diâmetro.
Isto não só reduz a nuvem de plasma na superfície da peça de trabalho, como também afecta o plasma no orifício e a formação de pequenos orifícios, resultando numa maior profundidade de penetração e numa soldadura ideal com uma elevada relação profundidade-largura.
No entanto, este método requer um controlo preciso do tamanho e da direção do fluxo de gás, uma vez que a turbulência e os danos na poça de fusão podem ocorrer facilmente, dificultando a estabilização do processo de soldadura.
O feixe laser é normalmente focado durante a soldadura, sendo normalmente selecionada uma lente com uma distância focal de 63 mm a 254 mm (2,5″ a 10″). O tamanho do ponto de focagem é diretamente proporcional à distância focal; uma distância focal mais curta resulta num ponto mais pequeno.
No entanto, a distância focal também afecta a profundidade focal, que aumenta com a distância focal. Isto significa que uma distância focal curta melhora a densidade de potência, mas requer uma manutenção exacta da distância entre a lente e a peça de trabalho para uma penetração adequada.
Na soldadura real, a profundidade focal mais curta utilizada é normalmente 126 mm (5″). Quando é necessária uma junta maior ou um aumento da soldadura, pode ser selecionada uma lente com uma distância focal de 254 mm (10″), mas isto requer uma potência de saída do laser mais elevada para obter o efeito de buraco de fechadura de penetração profunda desejado.
Para potências laser superiores a 2kW, especialmente para lasers de CO2 de 10,6μm, é frequentemente utilizado o método de focagem por reflexão, com espelhos de cobre polido como espelhos, para evitar o risco de danos ópticos na lente de focagem.
Os espelhos de cobre são frequentemente recomendados para focagem do feixe laser devido a um arrefecimento eficaz.
Na soldadura a laser, a posição do foco é crucial para garantir uma densidade de potência adequada. A variação da posição relativa entre o foco e a superfície da peça de trabalho tem um impacto significativo na profundidade e largura da soldadura.
Na maioria dos aplicações de soldadura a laserPara a medição da profundidade de corte, o foco é normalmente colocado cerca de um quarto da penetração necessária abaixo da superfície da peça de trabalho.
A qualidade final da soldadura na soldadura a laser de diferentes materiais é largamente controlada pela posição do feixe de laser, sendo as juntas de topo mais sensíveis do que as juntas sobrepostas.
Por exemplo, ao soldar um material temperado engrenagem de aço a um tambor de aço com baixo teor de carbono, o controlo adequado da posição do feixe de laser resultará numa soldadura composta principalmente por componentes com baixo teor de carbono, que possuem uma excelente resistência à fissuração.
Em determinadas situações, a geometria da peça a soldar exige um ângulo de deflexão do feixe laser. Quando o ângulo de deflexão entre o eixo do feixe e o plano da junta é inferior a 100 graus, o absorção do laser A energia da peça de trabalho não é afetada.
Na soldadura de penetração profunda a laser, estão presentes pequenos orifícios, independentemente da profundidade da soldadura. Quando o processo de soldadura estiver concluído e o interrutor de alimentação for desligado, aparecerão buracos no final da soldadura.
Além disso, se a nova camada de soldadura a laser cobrir a soldadura anterior, pode ocorrer uma absorção excessiva do feixe de laser, conduzindo a um sobreaquecimento ou a porosidade na soldadura.
Para evitar estes problemas, os pontos de início e fim da potência podem ser programados para permitir tempos de início e fim ajustáveis. Isto é conseguido aumentando eletronicamente a potência de arranque de zero para o valor de potência definido rapidamente e ajustando o tempo de soldadura.
Finalmente, a potência é gradualmente reduzida do valor definido para zero no final da soldadura.
Soldadura a laser contínua de fibra ótica em aço inoxidável (adequado para soldadura topo a topo de pequenas placas com uma espessura de 0,2-3 mm)
O processo de soldadura de elevado rácio de aspeto é caracterizado por soldaduras profundas e estreitas, que são formadas pela direção de uma cavidade cilíndrica de vapor a alta temperatura em torno da peça de trabalho. Isto faz com que o metal fundido se forme à volta da cavidade e se estenda até à peça de trabalho.
O processo de soldadura requer uma entrada mínima de calor devido à elevada temperatura no interior do pequeno orifício. Isto resulta num processo de fusão rápido e numa baixa entrada de calor na peça de trabalho, levando a uma deformação térmica mínima e a uma pequena zona afetada pelo calor.
O vapor a alta temperatura no interior do pequeno orifício promove a agitação do banho de soldadura e a fuga de gás, resultando numa soldadura densa e de penetração sem poros. A rápida taxa de arrefecimento após a soldadura ajuda a refinar a estrutura da soldadura.
O processo de soldadura não requer eléctrodos ou fios de enchimento e a fonte de calor é quente, o que leva a uma redução do teor de impurezas e a uma alteração do tamanho e da distribuição das inclusões na poça de fusão. Isto resulta numa soldadura forte e resistente que é pelo menos igual ou mesmo mais forte do que o metal de base.
O pequeno ponto de foco do laser permite uma elevada precisão no posicionamento da soldadura. A saída de laser não tem "inércia" e pode ser parada e reiniciada rapidamente, tornando-a ideal para soldar peças complexas com tecnologia de movimento de feixe NC.
O processo de soldadura sem contacto com a atmosfera envolve um feixe de fotões que fornece energia à peça de trabalho sem qualquer contacto físico. Isto significa que não são aplicadas forças externas à peça de trabalho e que o laser não é afetado pelo magnetismo ou pelo ar.
O laser focalizado utilizado na soldadura a laser tem uma densidade de potência muito mais elevada em comparação com os métodos convencionais, permitindo velocidades de soldadura rápidas e zonas afectadas pelo calor e deformação mínimas. Isto torna possível soldar até materiais difíceis como titânio.
O feixe é fácil de transmitir e controlar, levando a uma substituição menos frequente da pistola de soldadura e do bocal, e não é necessário bombear vácuo para soldadura por feixe de electrões. Isto reduz significativamente o tempo de paragem auxiliar e aumenta o fator de carga e a eficiência da produção.
A purificação e a elevada taxa de arrefecimento durante a soldadura a laser resultam numa elevada resistência, tenacidade e propriedades abrangentes da soldadura.
O baixo consumo médio de calor e a elevada precisão de maquinagem da soldadura a laser ajudam a reduzir o custo do reprocessamento. Além disso, o baixo custo operacional da soldadura a laser também ajuda a reduzir o custo global de processamento da peça de trabalho.
A soldadura a laser permite um controlo eficaz da intensidade do feixe e do posicionamento fino, facilitando a automatização do processo de soldadura.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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