Imagine um processo de soldadura que minimiza a distorção, aumenta a precisão e melhora a eficiência. A tecnologia de soldadura a laser para chapas metálicas faz exatamente isso, revolucionando as indústrias, desde a automóvel à eletrónica de alta tecnologia. Este artigo explora as vantagens da soldadura a laser em relação aos métodos tradicionais, detalhando o seu controlo superior do calor, velocidade e flexibilidade. Os leitores ficarão a saber como funciona a soldadura a laser, as suas aplicações e dicas práticas para obter resultados óptimos. Mergulhe para descobrir como esta tecnologia avançada pode transformar os seus processos de fabrico.
A soldadura é um processo primário em fabrico de chapas metálicasO trabalho é caracterizado por uma elevada intensidade de trabalho e condições de trabalho difíceis. Como tal, é essencial uma elevada proficiência.
A automatização da soldadura e o desenvolvimento de métodos de união inovadores têm sido pontos de referência constantes para os profissionais de tecnologia de soldadura.
Um aspeto fundamental da automatização da soldadura é o controlo de qualidade da soldadura e eficiência. Durante o processo, desafios como o alinhamento do arco e do cordão de soldadura, a uniformidade dos espaços entre os componentes, a penetração da soldadura e o controlo da distorção da soldadura devem ser abordados.
Com os rápidos avanços na tecnologia de soldadura por laserEm 2007, a tecnologia de ponta da indústria automóvel, que se tornou uma das mais avançadas do mundo, deu um salto significativo e amadureceu na sua aplicação em vários sectores, incluindo electrodomésticos, eletrónica de alta tecnologia, fabrico automóvel, produção de comboios de alta velocidade e maquinagem de precisão.
As vantagens da soldadura a laser podem ser compreendidas comparando-a com a soldadura por arco tradicional. Este post irá aprofundar os processo de laser soldadura e explorar a forma de obter melhores resultados.
Para avaliar a qualidade de uma soldadura a laser, a relação profundidade/largura e a morfologia da superfície são tidas em consideração. Esta publicação examinará os parâmetros do processo que afectam estes índices.
Experiências de soldadura a laser foram realizados em chapas de aço inoxidável, alumínio e aço carbono. Os resultados fornecem informações práticas que podem ser utilizadas na produção de soldadura.
A soldadura a laser é uma técnica de produção de ponta que utiliza um laser com elevada densidade de energia como fonte de calor para a soldadura. É amplamente utilizada na fabrico de chapas metálicas devido às suas vantagens, incluindo alta densidade de energia, velocidade de soldadura rápida, respeito pelo ambiente, deformação mínima da placa, etc.
A soldadura a laser, com base nas características da formação do cordão de soldadura, pode ser dividida em soldadura por condução e soldadura de penetração profunda. A soldadura por condução utiliza uma potência laser baixa, o que resulta em tempos de formação de poças de fusão mais longos e profundidades de fusão pouco profundas.
É utilizado principalmente para soldar pequenos componentes.
Em contraste, a soldadura de penetração profunda tem uma elevada densidade de potência, em que o metal na área de irradiação do laser derrete rapidamente.
Esta fusão é acompanhada por uma vaporização intensa, obtendo-se cordões de soldadura com uma profundidade significativa e uma relação largura/profundidade de até 10:1.
Os componentes de chapa fina podem ser unidos utilizando vários métodos de soldadura, incluindo a soldadura por laser, a brasagem, a soldadura por hidrogénio atómico e a soldadura por resistência, soldadura por arco de plasmae soldadura por feixe de electrões.
Ao comparar a soldadura a laser com outras técnicas de soldaduraA soldadura de topo oferece vantagens significativas em termos da zona afetada pelo calor, da deformação térmica, da qualidade do cordão de soldadura, da necessidade de material de enchimento e do ambiente de soldadura.
A comparação entre a soldadura a laser e outros métodos de soldadura pode ser encontrada na Tabela 1.
Tabela 1 Comparação entre a soldadura a laser e outros métodos de soldadura
| Soldadura a laser | menos | menos | de preferência | não | Sem requisitos especiais |
| Brasagem | normalmente | normalmente | normalmente | sim | Aquecimento global |
| Soldadura por arco de árgon | mais | mais | normalmente | sim | Elétrodo necessário |
| Soldadura por resistência | mais | mais | normalmente | não | Elétrodo necessário |
| Arco de plasma soldadura | normalmente | normalmente | normalmente | sim | Elétrodo necessário |
| Soldadura por feixe de electrões | menos | menos | de preferência | não | vácuo |
A soldadura a laser utiliza um laser que canaliza um feixe de laser de alta energia para uma fibra ótica. Após a transmissão, é colimado em luz paralela utilizando uma lente de colimação e depois focado na peça de trabalho.
Isto resulta numa fonte de calor de energia extremamente elevada que funde o material na junta. O metal fundido arrefece rapidamente para formar uma soldadura de alta qualidade. A aparência de uma peça de chapa metálica soldada a laser é mostrada na figura abaixo.
Operação fácil:
Máquinas de soldadura a laser são fáceis de utilizar. A operação é simples, fácil de aprender e fácil de utilizar. O nível de especialização exigido aos operadores é relativamente baixo, o que se traduz em poupanças nos custos de mão de obra.
Elevada flexibilidade:
Os soldadores a laser podem soldar a partir de qualquer ângulo e são hábeis a aceder a áreas de difícil acesso. Podem lidar com componentes de soldadura complexos e peças de grandes dimensões com formas irregulares, oferecendo uma flexibilidade sem paralelo na soldadura a partir de qualquer orientação.
Segurança reforçada:
O bocal de soldadura de alta segurança ativa-se apenas em contacto com o metal, apresentando um interrutor tátil com deteção da temperatura corporal. Devem ser respeitadas normas de segurança específicas durante a utilização do gerador laser especializado, incluindo a utilização de óculos de proteção para minimizar potenciais danos oculares.
Superior Qualidade do feixe laser:
Quando o laser é focado, atinge uma elevada densidade de potência. Com uma elevada potência e uma focagem de laser de baixo modo, o diâmetro do ponto resultante é minúsculo, promovendo significativamente a automatização em aplicações de pequena espessura. soldadura de chapas.
Velocidade de soldadura rápida com penetração profunda e distorção mínima:
Devido à elevada densidade de potência da soldadura a laser, formam-se pequenos poros no metal durante o processo. A energia do laser penetra profundamente no material através destes poros com uma dispersão lateral mínima. A profundidade de fusão do material é considerável e a velocidade de soldadura é rápida, cobrindo uma grande área num curto espaço de tempo.
Redução dos custos de mão de obra:
Devido à entrada mínima de calor durante a soldadura a laser, a distorção pós-soldadura é mínima. Isto resulta num acabamento de soldadura visualmente apelativo, levando a um processamento pós-soldadura reduzido, o que, por sua vez, reduz significativamente ou até elimina os custos de mão de obra associados ao alisamento e nivelamento.
Capacidade de soldar materiais difíceis:
A soldadura a laser não é apenas adequada para unir uma variedade de metais diferentes, mas também para metais de soldadura e ligas como o titânio, o níquel, o zinco, o cobre, o alumínio, o crómio, o ouro, a prata, o aço e as ligas de corte. Responde bem às necessidades de desenvolvimento de novos materiais em aparelhos domésticos.
Particularmente adequado para soldar chapas finas e componentes estéticos não revestidos:
Dado o seu elevado rácio de aspeto na soldadura, baixa entrada de calor, zona afetada pelo calor mínima e distorção reduzida, a soldadura a laser é especialmente adequada para soldar chapas finas, componentes estéticos não revestidos, peças de precisão e componentes termicamente sensíveis. Isto pode minimizar ainda mais as correcções pós-soldadura e o processamento secundário.
Tradicional soldadura por arco podem ser classificadas em vários tipos, incluindo a soldadura por arco com elétrodo, a soldadura com gás inerte de tungsténio (TIG), a soldadura com gás inerte de metal (MIG) e a soldadura por arco submerso.
A soldadura por arco com elétrodo envolve a realização de um arco entre o elétrodo e a peça de trabalho, gerando calor que funde o metal no ponto de contacto entre o elétrodo e a peça de trabalho. Isto cria uma poça de metal fundido. O elétrodo é então movido numa direção específica, criando novas poças de metal fundido e solidificando as poças anteriores, resultando na formação de uma soldadura.
Um diagrama do processo de soldadura está representado na Figura 1.
Fig. 1 Diagrama esquemático da soldadura por arco com elétrodo
A soldadura com gás inerte de tungsténio (TIG) utiliza um elétrodo de tungsténio como elétrodo de descarga, que não é consumido durante o processo. A área de soldadura é protegida por um gás inerte, normalmente árgon, e o calor gerado pelo arco é utilizado para fundir tanto o metal de base como o material de soldadura. O resultado é um superfície de soldadura com poucos ou nenhuns salpicos.
Gás Arco metálico A soldadura (GMAW) é um processo em que é gerado um arco entre o fio de soldadura e o metal de base, provocando a fusão do fio e do metal de base. O material fundido solidifica, formando uma soldadura.
Embora a soldadura por arco ainda detenha uma posição dominante na indústria da soldadura, as exigências crescentes de uma soldadura de alta qualidade e eficiente levaram a limitações na sua aplicação em alguns sectores de ponta chapa metálica nos sectores da indústria transformadora. Algumas das desvantagens da soldadura por arco tradicional incluem:
As principais técnicas de soldadura a laser incluem a soldadura por auto-fusão, a soldadura por oscilação, a soldadura por enchimento de fio, a soldadura por galvanómetro e a soldadura composta que combina vários métodos de soldadura.
O quadro 1 destaca os vantagens da soldadura a laser em comparação com a soldadura por arco tradicional.
Para as indústrias de fabrico de chapas metálicas de topo de gama que exigem produtos de elevado valor acrescentado com qualidade consistente, pequenos intervalos de soldadura e elevada eficiência, a soldadura a laser é a melhor escolha.
Quadro 1 Comparação das características entre a soldadura a laser e a soldadura por arco
| Soldadura por arco | Soldadura a laser |
| É necessária uma corrente de alta densidade e o efeito térmico é grande | Baixa calor de soldadurapequena deformação e efeito térmico |
| Penetração superficial e soldadura deficiente força | Penetração profunda e elevada resistência de soldadura |
| Tipo de contacto, limitado pelo espaço | Tipo sem contacto, menos limitado pelo espaço |
| Grande corrente de arranque do arco e grande alcance de soldadura | Ponto de soldadura pequeno, capaz de soldar peças de precisão |
| Os operadores têm requisitos elevados e necessitam de certificados de exploração especiais. | Baixos requisitos para os operadores |
| Baixa eficiência de soldadura e baixa velocidade de soldadura | Elevada eficiência de soldadura e velocidade de soldadura rápida |
| Poluição e perda de eléctrodos | Sem perda de eléctrodos |
| A superfície é rugosa e requer uma retificação posterior. | A morfologia da superfície é estável e, basicamente, não há necessidade de moagem subsequente. |
Os requisitos para o efeito de soldadura de peças de chapa metálica variam em função das necessidades do cliente. Estes requisitos reflectem-se principalmente nos seguintes indicadores:
A morfologia da superfície da soldadura pode ser alterada através do ajuste de factores como a potência de soldadura, desfocageme modo de emenda. A relação entre a profundidade e a largura do banho de soldadura é um fator importante para determinar a resistência da soldadura.
Para os clientes que têm requisitos de resistência para os seus produtos de soldadura, é necessário seguir uma série de passos, incluindo o corte do fio, a incrustação, o esmerilamento e o polimento, o teste de corrosão e a análise metalográfica microscópica. Este processo reflecte a dureza da soldadura, que está intimamente relacionada com a relação profundidade/largura. O índice de resistência à tração da soldadura também pode ser determinado através de um ensaio de resistência à tração. A Figura 2 mostra a análise metalográfica da relação de penetração.
Fig. 2 análise metalográfica do rácio de penetração
Em certos ambientes de trabalho, as soldaduras podem apresentar defeitos, tais como poros, fissuras, impurezas e cortes inferiores, que podem representar sérios riscos de segurança. Por exemplo, alguns produtos exigem normas rigorosas de estanquidade ao ar e à água.
A Figura 3 mostra uma comparação entre as soldaduras normais e as soldaduras com defeitos.
Fig. 3 cordão de soldadura diagrama
Vários factores influenciam diretamente a soldadura a laser, incluindo temperatura de soldaduraO ponto de fusão dos materiais de soldadura, a taxa de absorção do laser dos materiais de soldadura e a influência térmica.
Em termos do processo de soldadura, factores como as propriedades do material, potência do laserA velocidade de soldadura, a posição do foco, o gás de proteção e o espaço de soldadura devem ser tidos em consideração.
A absorvência do laser dos materiais de soldadura afecta a qualidade da soldadura. Materiais como o alumínio e o cobre têm uma maior capacidade de absorção do laser, enquanto o aço carbono e o aço inoxidável têm uma menor capacidade de absorção do laser. Os materiais de soldadura com elevada absorvência requerem normalmente mais energia para fundir e formar um banho de soldadura estável.
A potência laser é a fonte de energia para a soldadura a laser e desempenha um papel fundamental na determinação do efeito de soldadura. Quanto maior for a potência do laser, melhor será o efeito de soldadura. No entanto, uma potência laser demasiado elevada pode levar à instabilidade do banho de fusão e à redução da profundidade. Por conseguinte, é crucial escolher o valor adequado da potência laser.
Existe uma relação inversa entre a velocidade de soldadura e a penetração. Velocidades de soldadura mais rápidas resultam num menor consumo de energia, enquanto velocidades mais lentas podem causar sobreaquecimento, particularmente em materiais sensíveis ao calor, como o alumínio.
A posição do foco afecta diretamente a penetração e a largura da soldadura. Quando o foco está localizado na superfície do material de soldadura, é designado por foco zero. Quando o foco se encontra acima ou abaixo do material de soldadura, é designado por foco excêntrico. O ponto de foco zero é o mais pequeno e tem a maior densidade de energia, enquanto a soldadura fora de foco tem uma densidade de energia mais baixa, mas um ponto de luz maior, o que a torna adequada para soldar peças de trabalho com um alcance maior.
O tipo e o método do gás de proteção também afectam o processo de soldadura. A função do gás de proteção não é apenas evitar a oxidação durante a soldadura, mas também suprimir a nuvem de plasma gerada durante a soldadura a laser. A escolha do gás de proteção pode afetar o aspeto e a cor da superfície de soldadura.
O espaço de soldadura da peça a soldar está relacionado com a penetração, a largura e a morfologia da soldadura. Um espaço de soldadura demasiado grande pode resultar em dificuldades de fusão e combinação, bem como expor o laser e danificar potencialmente a ferramenta ou a peça de trabalho. Aumentar o ponto de luz ou a oscilação pode melhorar a soldadura, mas a melhoria é limitada.
O ensaio de soldadura foi efectuado com um robô Yaskawa GP25, um laser Prima, um ospri junta de soldadura (diâmetro do núcleo 100μm, distância focal 300mm), e alimentador de fio WSX. O efeito de soldadura foi testado em chapa de aço carbono Q235 de 1,5 mm, aço inoxidável SS304 e alumínio da série 3 placa de liga metálica.
Com base na experiência, pode ser fornecida a seguinte referência para o processo de ensaio:
Para o ensaio de soldadura de uma placa de 1 mm de espessura, pode ser utilizada uma potência de arranque de 1 kW e uma velocidade de soldadura de 30 mm/s. A potência de referência pode ser calculada como P=A-X, onde A é um coeficiente constante (A≥0) e X é a espessura da placa. À medida que a espessura da placa aumenta, o coeficiente constante A diminui gradualmente e é também influenciado pelo método de soldadura.
Ver no quadro 2 os parâmetros do processo de soldadura por oscilação de Q235 chapa de aço-carbono com espessura de 1,5 mm.
Tabela 2 parâmetros do processo de soldadura por oscilação do carbono Q235 chapa de aço
Os dados do teste mostram que quando o swing soldadura de aço-carbono placas, a potência do laser deve ser aumentada com o aumento da velocidade de soldadura, assegurando simultaneamente que o intervalo de oscilação se mantém inalterado. Se a velocidade de oscilação for demasiado lenta, a soldadura será irregular.
Em geral, é necessária menos energia para a soldadura por autofusão de aço-carbono em comparação com a soldadura por oscilação de aço-carbono, e é necessária menos energia para a soldadura por oscilação de aço-carbono em comparação com a soldadura por fio de enchimento de aço-carbono. A energia necessária é principalmente controlada pela potência e pela velocidade, sendo que uma potência mais elevada e uma velocidade mais rápida requerem mais energia.
Idealmente, para equilibrar qualidade e eficiência, a velocidade de soldadura deve ser aumentada tanto quanto possível. No entanto, uma soldadura demasiado rápida pode causar instabilidade e ser limitada pela potência do laser e propriedades dos materiais. Por conseguinte, procura-se normalmente um equilíbrio entre potência e velocidade.
No teste, o diâmetro do núcleo da fibra ótica selecionada foi de 100μm. Para soldar materiais altamente reflectores e absorventes de calor, como o alumínio e o cobre, é necessária uma maior densidade de potência para a fusão. Neste caso, é necessária a soldadura de foco zero.
A soldadura de foco zero permite uma densidade de potência máxima com potência mínima, tornando-a ideal para soldar peças pequenas e fundir o metal para formar uma poça de fusão. A Tabela 3 fornece os parâmetros do processo de soldadura para diferentes materiais.
Tabela 3 Comparação dos parâmetros do processo de soldadura de diferentes materiais
| NÃO. | Potência laser (kW) | Velocidade de soldadura (mm/s) | Espessura da placa | Gama de oscilações (mm) | Velocidade de oscilação (mm/s) | Efeito branqueador | Material |
| 1 | 1.5 | 2.1 | 1.5 | 1 | 300 | Bom | Aço-carbono Q235 |
| 2 | 1.5 | 1.8 | 1.5 | 1 | 300 | Bom | 3 série alumínio liga |
| 3 | 2 | 2.0 | 2 | 1 | 300 | Bom | Aço-carbono Q235 |
| 4 | 2 | 1.7 | 2 | 1 | 300 | Bom | Liga de alumínio da série 3 |
Os dados do ensaio indicam que, com outros parâmetros constantes, o efeito de soldadura ideal para a liga de alumínio da série 3 requer uma velocidade de soldadura mais lenta em comparação com o aço-carbono Q235, uma vez que é necessário mais calor.
A Tabela 4 mostra a comparação dos parâmetros do processo de branqueamento para soldadura de aço inoxidável costuras com uma espessura de 1,5 mm. A comparação do efeito da soldadura pode ser vista na Figura 4.
Os parâmetros de soldadura das três soldaduras na Figura 4 (da esquerda para a direita) correspondem aos números de série 1, 2 e 3 na Tabela 4, respetivamente.
Fig. 4 Comparação do efeito de soldadura
Tabela 4 Comparação dos parâmetros do processo de branqueamento de cordões de soldadura de aço inoxidável
| NÃO. | Potência laser (kW) | Velocidade de soldadura (mm/s) | Espessura da placa | Gama de oscilações (mm) | Velocidade de oscilação (mm/s) | Efeito branqueador |
| 1 | 1.2 | 1.7 | 1.5 | 1 | 300 | pobre |
| 2 | 1.5 | 1.8 | 1.5 | 1 | 300 | bom |
| 3 | 1.6 | 1.8 | 1.5 | 1 | 300 | pobre |
Para obter uma superfície branqueada em aço inoxidável, é necessário arrefecer e cristalizar rapidamente o metal numa atmosfera de gás de proteção após a fusão a laser. Se a potência for demasiado elevada, muito calor será retido na placa de metal, provocando um arrefecimento lento e um risco acrescido de oxidação e descoloração. Se a potência for demasiado baixa, o metal pode não derreter totalmente.
Se a velocidade for demasiado rápida, as ferramentas de sopro podem não ser suficientes, afectando o efeito de sopro. Se a velocidade for demasiado lenta, haverá uma acumulação excessiva de calor. Para obter uma superfície branqueada, é importante encontrar um equilíbrio entre a potência, a velocidade e o sopro.
Se não for possível obter uma superfície branqueada numa única tentativa, pode ser possível fazê-lo soldando uma camada com uma potência ligeiramente superior e reduzindo depois a potência para uma segunda camada.
Durante o processo de soldadura a laser, para garantir uma elevadasoldadura de qualidade é importante ter em conta uma série de factores, incluindo as propriedades do material, a potência do laser, a velocidade de soldadura, a posição do foco, o gás de proteção e a abertura da soldadura.
Para os materiais mais utilizados, como o aço-carbono, o aço inoxidável e as chapas de alumínio, os parâmetros de teste iniciais mencionados anteriormente podem ser utilizados como referência e, em seguida, ajustados de acordo com as características específicas do material e os requisitos do cliente para obter o efeito de soldadura pretendido.
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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