A soldadura de cobre com tecnologia laser revolucionou o fabrico, respondendo a desafios como a baixa absorção do laser e a elevada condutividade térmica do cobre. Este artigo explora a forma como os lasers de fibra de alta potência produzem juntas estáveis e sem defeitos, cruciais para indústrias como a eletrónica de consumo e a automóvel. Ao dominar estas técnicas, os fabricantes podem obter soldaduras eficientes e de alta qualidade. Descubra as especificidades dos tipos de laser, as taxas de absorção e as vantagens do controlo dinâmico do feixe na soldadura de cobre. Mergulhe nos avanços tecnológicos que estão a moldar o futuro da soldadura de cobre.
As indústrias de eletrónica de consumo e automóvel desempenham um papel crucial no aumento da utilização do cobre na transformação industrial e no fabrico de produtos.
À medida que se desenvolve uma nova tecnologia de baterias com maior capacidade, aumenta também a necessidade de uma tecnologia de ligação compatível.
Apesar de a soldadura suave continuar a ser a principal tecnologia para aplicações de eletrónica de consumo de baixa potência, tem de ser utilizada em situações em que estão presentes correntes de transmissão elevadas ou cargas elevadas e tensões dinâmicas nas juntas.
Esta tendência é particularmente influenciada pela indústria de veículos eléctricos e pelos seus fornecedores, que procuram processos robustos e eficientes para operações de produção em massa, como o armazenamento de energia e a transmissão de linhas.
No passado, as propriedades físicas do cobre e das ligas de cobre limitavam a utilização da tecnologia laser na soldadura.
No entanto, o advento dos lasers de fibra de alta potência e alto brilho veio ultrapassar estas limitações.
Com o desenvolvimento de novas e adequadas tecnologias de processamento, é possível produzir juntas estáveis e sem defeitos através de uma eficiente processo de soldadura.
As dificuldades em soldadura a laser O cobre tem origem em duas das suas propriedades físicas: baixa absorção da maioria dos lasers industriais de alta potência e elevada condutividade térmica durante o processo.
A absorção do cobre aumenta à medida que o comprimento de onda diminui, tornando os lasers da banda visível, como os lasers verdes com um comprimento de onda de 532 nm, adequados para soldadura de cobre. No entanto, estes lasers ou não estão disponíveis ou não foram exaustivamente testados para a gama de potência necessária para a maioria dos aplicações de soldadura.
Fig. 1: Soldadura de cobre sem defeitos através do processo de oscilação do feixe de alta velocidade
Os lasers de infravermelhos enfrentam problemas de absorção quando trabalham com materiais sólidos.
Durante o período de soldadura por penetraçãoSe o material derreter ou evaporar, a sua taxa de absorção aumenta consideravelmente.
A taxa de absorção do cobre sólido é inferior a 4%, mas a taxa de absorção do vapor de cobre (gerado durante a soldadura por penetração profunda no buraco da fechadura) é superior a 60% (consulte a tabela abaixo).
Este problema de absorção pode ser resolvido através da utilização de uma densidade de potência muito elevada, que acelera a fusão e a evaporação do cobre e, por conseguinte, aumenta a sua absorção.
Tabela: absorvência do cobre no infravermelho próximo radiação laser em diferentes estados.
| Estado | Taxa de absorção (%) |
| Sólido | 40 |
| Líquido | 10 |
| Penetração do buraco da fechadura | >60 |
A análise de vídeo a alta velocidade demonstra que um processo estável pode ser estabelecido em menos de 1 milissegundo.
Para a soldadura por onda contínua (CW), este desafio deve ser ultrapassado no início do processo de soldadura. Uma vez estabelecido o processo de soldadura por furo de fechadura, este proporciona uma taxa de absorção elevada e consistente. No funcionamento por impulsos, este obstáculo tem de ser ultrapassado no início de cada impulso.
A elevada densidade de potência necessária para a soldadura pode ser obtida utilizando um laser de fibra de modo único. Este tipo de laser tem uma qualidade de feixe e um desempenho de focagem superiores aos de outros lasers de estado sólido.
A IPG oferece lasers monomodo de alta potência até 10 kW e lasers multimodo de alto brilho superiores a 10 kW, com projectos sólidos e testados industrialmente.
Utilizando estes lasers de fibra de modo único e lasers de alto brilho de modo de baixa ordem, podem ser alcançadas intensidades superiores a 108W/cm². O acoplamento fiável pode ser alcançado mesmo com níveis de potência de centenas de watts.
Em comparação com os lasers multimodo normais com a mesma potência, a intensidade destes lasers é até 50 vezes superior.
A IPG oferece a série YLR de lasers de fibra de modo único com uma gama de potências de 100W a 1000W, alojados numa estrutura compacta de 19″. A empresa também fornece a série YLS de lasers de fibra com potência até 10 kW (Figura 2).
A eficiência global de ambas as séries é de 40%.
Fig. 2: Laser de fibra monomodo de alta potência: tipo de rack refrigerado a ar YLR-1000-SM (esquerda) e sistema de 3KW tipo YLS-3000-SM (direita).
Outro problema com o processo de soldadura de cobre é a instabilidade que ocorre a baixas velocidades de soldadura.
Normalmente, as velocidades de soldadura inferiores a 5 metros por minuto enfrentam problemas de instabilidade, tais como salpicos, porosidade e superfícies de soldadura irregulares.
No entanto, à medida que a velocidade de soldadura aumenta, estas instabilidades desaparecem gradualmente.
A velocidades de soldadura entre 5 e 15 metros por minuto, a qualidade atinge um nível aceitável.
Se a velocidade de soldadura for superior a 15 metros por minuto, a soldadura resultante está praticamente isenta de defeitos (Figura 3).
Isto sugere que os parâmetros óptimos de soldadura estão dentro das capacidades dos sistemas de movimento tradicionais, como os robôs.
Fig. 3: Efeito da velocidade de processamento na qualidade da soldadura e profundidade de soldadura.
Uma nova investigação demonstrou que a estabilidade do processo pode ser alcançada não só aumentando a velocidade de soldadura, mas também alterando dinamicamente a posição da lente de orientação do feixe.
Esta tecnologia de oscilação permite a formação de juntas de soldadura estáveis a velocidades de soldadura relativamente baixas e reduz significativamente a profundidade de soldadura.
Através desta tecnologia, é possível obter uma soldadura de cobre de alta qualidade com uma profundidade de até 1,5 mm utilizando apenas um laser de fibra monomodo com uma potência de 1 kW.
A mesma tecnologia pode ser aplicada a lasers multimodo de alto brilho.
Um laser de fibra de 6kW com uma qualidade de feixe de 2 mm mrad foi utilizado nos ensaios, tendo-se verificado que os valores elevados desoldadura de qualidade com uma profundidade de soldadura de 5 mm.
Fig. 4: Balanço das séries FLW-D30 e FLW-D50 juntas soldadas lançado pela IPG
O controlo dinâmico do feixe pode ser obtido através da utilização de um galvanómetro de varrimento tradicional ou de uma nova cabeça oscilante, que combina as vantagens de uma junta soldada comprovada e de um galvanómetro de varrimento.
Estes galvanómetros podem facilmente incorporar formas pré-programadas, tais como círculos, linhas ou uma "forma de 8", bem como formas livremente programáveis dentro de um determinado tamanho.
Uma das suas principais vantagens é o facto de poder utilizar uma lente de focagem padrão em vez de um espelho de campo f-theta, e de poder suportar uma maior densidade de potência com um nível de desvio de focagem inferior.
Além disso, a utilização de uma cortina de ar transversal convencional e de uma janela de proteção reduz o custo dos consumíveis.
As séries FLW-D50 e FLW-D30 de baloiços juntas de soldadura lançadas pela IPG podem funcionar a frequências de oscilação até 1 kHz e podem ser perfeitamente integradas em vários sistemas de processamento (Figura 4). Estas juntas soldadas podem suportar potência do laser até 12 kW.
Ao soldar um percurso complexo com direcções de soldadura variáveis, o movimento de oscilação circular produz os melhores resultados.
A velocidade final do feixe pode ser controlada com precisão através da frequência de oscilação e do diâmetro de oscilação (VC = πD f).
Na maioria dos casos, o impacto do vetor de velocidade de soldadura (VW) no posicionamento dinâmico da velocidade do feixe circular (VC) é mínimo, uma vez que a velocidade do feixe é muito mais rápida do que a velocidade de soldadura (VW).
Fig. 5: Efeito da amplitude de oscilação na largura e qualidade da soldadura
O ajuste ideal da frequência depende do tamanho do ponto, do diâmetro de oscilação (e da velocidade do feixe circular resultante, VC) e da velocidade de soldadura linear.
A Figura 5 ilustra a superfície de soldadura sob potência laser, frequência e velocidade de soldadura constantes, mas com diâmetros de oscilação variáveis.
O tamanho do ponto é de aproximadamente 30 μm a uma distância focal de 300mm. A potência do laser é mantida constante a 1kW e a velocidade de soldadura linear é definida para 1 metro por minuto.
Sem o movimento de oscilação, estes parâmetros resultariam num processo instável, como poças de fusão e poros sobreaquecidos.
À medida que o diâmetro de oscilação aumenta e a velocidade do feixe circular melhora, a qualidade da superfície torna-se cada vez mais estável.
Dependendo dos parâmetros de oscilação e do tamanho do ponto, o feixe e o buraco da fechadura podem mover-se no banho de metal ou em materiais sólidos e re-sólidos, e o processo pode ainda alcançar estabilidade em ambos os casos.
A secção transversal da soldadura mostra outra vantagem desta tecnologia: o diâmetro de oscilação pode ser utilizado para moldar a secção transversal da soldadura.
Um diâmetro de oscilação pequeno forma uma secção transversal típica em forma de V da soldadura a laser, enquanto um diâmetro maior pode transformar a soldadura de uma forma em V numa forma em U ou num retângulo regular (Figura 6).
Fig. 6: Efeito da amplitude de oscilação em secção transversal da soldadura
Quando a energia introduzida por unidade de comprimento da soldadura permanece constante (E = P vw), a secção transversal da soldadura mantém-se praticamente inalterada. Esta tecnologia permite-lhe satisfazer os requisitos específicos de secção transversal para várias aplicações.
No caso da soldadura por sobreposição para contactos eléctricos, a resistência pode ser diminuída aumentando a área de contacto e controlando adequadamente a profundidade de soldadura e a entrada de calor.
Quando soldadura de materiais dissimilaresSe a placa metálica inferior for fundida, como o cobre e o alumínio, o rácio de fusão dos materiais pode ser regulado através do controlo da profundidade de soldadura. Ao fundir superficialmente a placa metálica inferior, a quantidade de material fundido pode ser mantida a um nível mínimo e a formação de compostos intermetálicos pode ser reduzida através do controlo da razão de diluição.
Nos últimos anos, foram introduzidos no mercado lasers de fibra de impulsos longos com durações de impulsos de vários milissegundos, substituindo os tradicionais lasers Nd: YAG bombeados por lâmpadas de flash numa vasta gama de aplicações. Estes lasers incluem lasers monomodo com uma potência média de 250W e uma potência de pico de até 2,5kW.
Anteriormente, a questão da pulsação soldadura de cobre foi discutido. É crucial abordar o problema da fraca absorção no início do impulso e as dificuldades subsequentes no controlo da entrada de energia devido a alterações súbitas na absorvência e na condução de calor.
A utilização de um laser de modo único para reduzir o tamanho do ponto pode contornar o problema da absorção, mas, ao mesmo tempo, a entrada de energia concentrada pode resultar em juntas de soldadura pequenas e fracas e no sobreaquecimento da fusão.
A solução para este problema é simples e semelhante ao processo utilizado para os lasers contínuos. A mesma tecnologia de oscilação pode ser aplicada aos lasers quase contínuos (QCW).
O movimento do feixe de alta frequência faz com que o feixe de laser se desloque uma distância relativamente longa num tempo de impulso relativamente curto, realizando eficazmente a quase-soldadura contínua durante um impulso. Por exemplo, um impulso de 20ms com uma frequência de oscilação de 600Hz pode produzir juntas de soldadura circulares ou soldadura de fio curto composta por doze feixes rotativos.
Ao adicionar impulsos um a um às soldaduras lineares, é possível obter uma soldadura de cobre de alta qualidade com uma potência média baixa e um custo de investimento baixo correspondente. A solidificação e a refusão entre os impulsos não conduzem a defeitos de soldadura tais como poros, salpicos fortes ou profundidade de penetração irregular.
O diâmetro da oscilação determina o tamanho e a profundidade da soldadura, e a entrada de calor é muito menor, facilitando a soldadura de componentes eléctricos importantes com um laser de fibra pulsada.
As experiências demonstraram que os lasers de fibra de alto brilho podem resolver eficazmente todos os problemas conhecidos nas aplicações de soldadura de cobre. A elevada densidade de potência destes lasers permite a formação instantânea de buracos de fechadura e assegura a estabilidade e a elevada capacidade de absorção, mesmo no comprimento de onda de 1070nm.
Através da oscilação dinâmica do feixe, o processo de soldadura é altamente estável, reduzindo ou eliminando a porosidade e os salpicos para produzir soldaduras de alta qualidade. Os parâmetros de oscilação do feixe também podem ser ajustados para controlar a geometria da soldadura, resultando em soldaduras pouco profundas em processos de soldadura de penetração profunda.
Utilizando um laser de fibra quase contínuo de impulso longo, soldadura por pontos pode ser realizada num único impulso através do movimento dinâmico de alta velocidade do feixe. Ao aumentar gradualmente o número de impulsos, é possível obter soldaduras de alta qualidade com uma potência média baixa.
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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