A soldagem a laser é uma técnica de soldagem altamente eficiente e precisa que utiliza um feixe de laser de alta densidade de energia como fonte de calor. Este método é um aspecto significativo da tecnologia de processamento de materiais a laser.
Inicialmente, na década de 1970, a soldagem a laser era utilizada principalmente para soldagem de materiais de paredes finas e para operações de soldagem de baixa velocidade. Este processo é um tipo de soldagem por condução de calor, ou seja, a radiação laser aquece a superfície da peça e o calor é transferido internamente por condução.
Ao controlar cuidadosamente parâmetros como largura de pulso do laser, energia, potência de pico e frequência de repetição, a peça de trabalho é derretida e uma poça fundida específica é formada.
Devido às suas vantagens únicas, a soldagem a laser tem sido aplicada com sucesso na soldagem de precisão de peças micro e pequenas.
1. Princípio técnico
A soldagem a laser pode ser realizada usando um feixe de laser contínuo ou pulsado. O princípio da soldagem a laser pode ser dividido em duas categorias: soldagem por condução de calor e soldagem por penetração profunda a laser.
Quando a densidade de potência é inferior a 104 a 105 W/cm2, é considerada soldagem por condução de calor. Nesta densidade de potência, a penetração é superficial e a velocidade de soldagem é mais lenta.
Por outro lado, quando a densidade de potência excede 105 a 107 W/cm2, a superfície metálica ficará côncava e formará “buracos” devido ao efeito de aquecimento, resultando em soldagem de penetração profunda. Este tipo de soldagem é caracterizado por sua rápida velocidade de soldagem e grande relação profundidade/largura.
O princípio da soldagem a laser por condução de calor é:
A superfície a ser processada é aquecida por radiação laser, sendo o calor difundido internamente através da transferência de calor. A peça de trabalho é então derretida para formar uma poça fundida específica, controlando os parâmetros do laser, como largura do pulso do laser, energia, potência de pico e frequência de repetição.
A máquina de solda a laser usada principalmente para soldagem de engrenagens e soldagem de chapas metalúrgicas refere-se à soldagem de penetração profunda a laser, que normalmente emprega um feixe de laser contínuo para conectar materiais.
O processo físico metalúrgico da soldagem por penetração profunda a laser é semelhante ao da soldagem por feixe de elétrons, onde a conversão de energia ocorre através da formação de uma estrutura de “buraco de fechadura”.
Sob a irradiação do laser de alta densidade de potência, o material evapora e forma pequenos orifícios cheios de vapor. Esses buracos agem como corpos negros, absorvendo quase toda a energia do feixe incidente e atingindo uma temperatura de equilíbrio de cerca de 2.500 graus.
O calor é então transmitido da parede externa da cavidade do furo de alta temperatura para derreter o metal circundante, enquanto o pequeno furo é preenchido com vapor de alta temperatura gerado pela evaporação contínua do material da parede sob irradiação do feixe de luz.
Na maioria dos processos de soldagem convencionais e na soldagem por condução a laser, a energia é depositada na superfície da peça e depois transmitida para o interior. No entanto, na soldagem de penetração profunda a laser, as quatro paredes do pequeno orifício são circundadas por metal fundido, que é circundado por materiais sólidos.
O fluxo de líquido e a tensão superficial da parede fora da parede do furo estão em equilíbrio dinâmico com a pressão contínua do vapor dentro da cavidade do furo. O feixe de luz entra continuamente no pequeno orifício enquanto o material externo flui continuamente. Com o movimento do feixe de luz, o pequeno orifício está em um estado de fluxo estável e avança na velocidade do feixe principal. O metal fundido preenche a lacuna deixada pelo pequeno orifício e se condensa para formar a solda.
Todos esses processos acontecem em um ritmo tão rápido que a velocidade de soldagem pode facilmente atingir vários metros por minuto.
2. Princípio da soldagem por condução de calor
Superfície do material de aquecimento
A potência térmica superficial necessária é maior que a soma da reflexão e da divergência de calor.
O calor é conduzido tanto na superfície quanto profundamente.
A temperatura da superfície atinge o ponto de fusão (TM, para o aço é 1490°C).
A absortividade varia com a temperatura: para um laser semicondutor ela varia de 38% a 20°C a 36% a 1500°C. Para um CO2 laser ele muda de 5% a 20°C para 12% a 1500°C, ponto em que uma poça de fusão começa a se formar.
Costura de solda
O movimento de alimentação molda a solda.
A profundidade e a largura da fenda estão ligadas à potência e à velocidade.
Taxa de soldagem típica: 1-3 metros por minuto.
A solda tem superfície lisa e isenta de impurezas.
A proporção entre profundidade e largura é menor que 1.
