Os fabricantes usam diversas tecnologias de fabricação, como soldagem a laser, para unir materiais em diversas aplicações. As técnicas de soldagem por feixe de laser oferecem alta velocidade de soldagem, baixo estresse térmico e controle preciso em comparação com as técnicas de soldagem tradicionais.
Este artigo explica o processo de soldagem a laser, seus tipos, princípios de funcionamento e materiais compatíveis. Mergulhe!
O que é soldagem a laser?
A soldagem a laser é uma técnica de fabricação versátil que utiliza um feixe de laser para soldar ou unir vários metais e materiais compósitos. A soldagem por feixe de laser é um processo avançado de soldagem de chapa metálica usado em todos os setores.
O feixe de laser geralmente é focado na peça de trabalho e a aquece até o ponto de fusão. O material soldado se funde com o material adjacente e forma uma conexão forte. A energia luminosa concentrada deste processo é concentrada em pontos ou áreas muito pequenas, permitindo um controle preciso da energia térmica e do processo de soldagem.
Como funciona a soldagem a laser?
Primeiro, o soldador a laser concentra um feixe de luz altamente concentrado na cavidade entre dois ou mais materiais para criar uma conexão forte. Essa concentração de luz ocorre em um ponto pequeno e varia de alguns décimos de milímetro a alguns milímetros de diâmetro.
Esta concentração de um feixe de laser de alta potência possui uma alta densidade de potência. Isto liberta enormes níveis de energia que derretem os materiais nos seus fixadores ou costuras, criando uma ligação.
O material da peça absorve gradualmente a energia do feixe de laser focalizado e aquece a peça até seu ponto de fusão. A área derretida então se funde e forma uma conexão sólida entre as peças soldadas.
Porém, dependendo da qualidade de soldagem desejada e do material a ser soldado, é possível realizar a soldagem a laser em modo contínuo ou pulsado. A soldagem a laser em modo contínuo é ideal para soldar materiais mais espessos, enquanto o modo pulsado é adequado para materiais mais finos.
Tipos de processos de soldagem a laser
Embora a soldagem MIG e TIG sejam métodos populares, existem várias técnicas de soldagem a laser que são úteis para diferentes aplicações. Isso inclui o seguinte:
1. Soldagem tipo buraco de fechadura
A soldagem Keyhole usa um feixe de laser que aquece a superfície da peça até o ponto de vaporização e penetra profundamente no material. Este processo de soldagem cria um buraco de fechadura com propriedades semelhantes às do plasma. Esta técnica de soldagem é adequada para lasers de alta potência com mais de 105 W/mm2 e a temperatura frequentemente sobe acima de 10.000 K.
2. Soldagem a laser
Na tecnologia de soldagem a laser, uma peça de trabalho é aquecida simultaneamente com um feixe de laser e o material de enchimento é aquecido ao mesmo tempo. Este processo utiliza materiais de enchimento como cobre ou prata para criar uma forte ligação entre os materiais. É adequado para unir dois metais diferentes.
Além disso, a brasagem a baixa temperatura torna o material soldado menos suscetível à deformação. Indústrias como a automotiva usam brasagem a laser para unir o aço ao alumínio.
3. Soldagem híbrida
Esta técnica de soldagem combina a soldagem por feixe de laser com outros métodos, como GTAW (soldagem com gás inerte) e GMAW (soldagem com gás inerte). Em última análise, isto melhora a qualidade e a eficiência da soldagem da técnica, combinando as vantagens de ambos os métodos.
4. Soldagem por condução de calor
Este processo utiliza um feixe de laser que aquece a superfície do material além do ponto de fusão do material. É uma técnica de soldagem ideal para aplicações onde a alta resistência da solda não é um requisito primário. O processo de soldagem por condução utiliza um laser de baixa potência de pouco menos de 500W. É criada uma costura de solda regular e esteticamente agradável.
5. Soldagem por percussão
Na soldagem por percussão, o feixe de laser é pulsado em alta frequência para derreter e fundir rapidamente os materiais que estão sendo soldados. Este processo de soldagem é adequado para materiais com diferentes pontos de fusão e propriedades térmicas. Além disso, é perfeito para conectar diversos materiais como alumínio e aço.
Quais materiais podem ser unidos por soldagem a laser?
As técnicas de soldagem por feixe de laser são versáteis e compatíveis com vários materiais. Aqui estão alguns dos materiais típicos que são unidos por soldagem a laser:
metais
- Diversos tipos de ligas de alumínio;
- ligas de cobre tais como bronze e latão;
- Variantes de aço como ligas de alta resistência, aço carbono e aço inoxidável;
- As ligas de titânio são frequentemente usadas na medicina e na indústria aeroespacial.
- O níquel e suas ligas são usados, entre outras coisas, na produção de energia e na indústria aeroespacial.
Plásticos
A soldagem a laser é adequada para certos tipos de plásticos, como os termoplásticos, que podem derreter e solidificar repetidamente.
- Acrílico (PMMA): Os usos comuns incluem displays, sinalização e dispositivos médicos.
- Cloreto de polivinila (PVC): O PVC é frequentemente utilizado na área médica, como material de construção e para tubos.
- Policarbonato (PC): É amplamente utilizado em componentes automotivos, equipamentos de segurança e gabinetes elétricos.
Compósitos
Materiais compósitos feitos de diferentes componentes, como plásticos reforçados com fibra de vidro (GRP) ou plásticos reforçados com fibra de carbono (CFRP), são conectados.
Componentes de máquinas de solda a laser
Em geral, o equipamento padrão de soldagem a laser consiste nos seguintes componentes essenciais.
- Fonte de laser: Este é um componente crucial responsável pela geração do feixe de laser. Diferentes fontes de laser incluem lasers de fibra, CO2 e Nd:YAG.
- Sistema de entrega de feixe: Consiste em espelhos e lentes que direcionam e concentram o feixe de laser de soldagem no material. Um sistema típico de entrega de feixe é acoplado a um sistema CNC ou conectado a um braço robótico.
- Sistema de refrigeração: O sistema de resfriamento garante uma temperatura estável dentro da máquina de raio laser. Impede que a fonte do laser e outros componentes sejam danificados pela quantidade significativa de calor que o laser gera.
- Sistema de manipulação de peças: Este sistema mantém a peça estável e garante que a viga atenda às especificações exigidas. Ele fornece uma posição estável e precisa para a peça soldada.
- Dispositivos de segurança: Soldar materiais juntos pode ser perigoso se as precauções de segurança não forem tomadas. Os recursos de segurança de um sistema de soldagem a laser incluem luzes de advertência, intertravamentos e escudos que protegem os operadores e outras pessoas do feixe de laser.
- Sistemas de controle e monitoramento: consistem em software e hardware que gerenciam os componentes do sistema de feixe de laser. Esses sistemas controlam e monitoram vários parâmetros, como potência do laser e velocidade de soldagem durante o processo de soldagem.
Várias máquinas a laser para soldagem
1. Laser de CO2
O laser de gás ou CO2 produz um feixe de laser usando um laser de dióxido de carbono (CO2). Os fabricantes costumam usar lasers de CO2 porque são eficientes e produzem feixes de alta potência adequados para a produção de materiais mais espessos, como plásticos, cerâmicas e metais.
2. Máquina de solda a laser Nd:YAG
O laser granada de ítrio-alumínio dopado com neodímio (Nd:YAG) usa um feixe de estado sólido para soldar peças de trabalho. Produz um feixe de alta qualidade adequado para soldar materiais finos, como chapas metálicas e plásticos.
3. Máquina a laser de fibra
A tecnologia de laser de fibra usa um cabo de fibra óptica para guiar o feixe de laser até a peça de trabalho. Os lasers de fibra são eficientes e podem produzir um feixe de alta qualidade, perfeito para soldar metais e outros materiais.
4. Máquina de solda a laser portátil
Esta máquina de soldar é um dispositivo pequeno e compacto que permite soldar juntas em diferentes locais ou em diferentes ângulos. É ideal para aplicações que exigem mobilidade e acessibilidade a áreas de difícil acesso.
5. Soldagem a laser de onda contínua
Uma máquina de solda a laser de onda contínua usa um feixe de laser de emissão contínua para criar uma solda contínua ao longo da junta. É ideal para criar soldas fortes e de alta qualidade e para soldar materiais espessos.
6. Lasers pulsados
O soldador a laser pulsado usa um feixe de laser de alta frequência com pulsos curtos para produzir soldas pequenas e controladas. É ideal para unir geometrias complexas e soldar materiais com diferentes propriedades térmicas.
Vantagens da soldagem a laser
A soldagem a laser é uma técnica versátil com inúmeras vantagens para diversas aplicações. Aqui estão alguns dos benefícios da soldagem por feixe de laser.
1. Reduza o estresse térmico
Este processo de soldagem reduz o risco de deformação térmica em uma peça porque cria menos tensão térmica na solda. A soldagem a laser minimiza a liberação de calor para o material circundante, o que pode levar a efeitos negativos, como flexão ou tensão.
2. Versátil
A soldagem por feixe de laser é extremamente versátil e compatível com placas de diferentes espessuras, metais preciosos, contatos de cobre ou metais diferentes. É um método de processamento de chapa metálica comumente usado devido à sua alta compatibilidade com diversas aplicações.
3. Alta velocidade
As técnicas de soldagem a laser podem soldar até 5 vezes ou mais rápido que os métodos tradicionais. A alta velocidade de soldagem deste processo resulta em tempos de processamento mais curtos e maior produtividade dentro de um tempo limitado.
4. Confiabilidade
Os processos de soldagem a laser oferecem um alto nível de confiabilidade porque são isentos de força, contato e desgaste. O processo também oferece alta resistência devido à grande profundidade de soldagem.
Limitações da soldagem a laser
1. Altos custos de aquisição
A maioria dos soldadores a laser são caros, tornando o processo mais caro do que outras técnicas de soldagem. O equipamento a laser custa o dobro ou mais que os sistemas de soldagem tradicionais. Portanto, são caros para aplicações de baixo volume e produções menores.
2. Não compatível com peças irregulares
A soldagem a laser requer uma linha de contato direto entre o feixe de laser e a junta a ser soldada. Portanto, é difícil soldar juntas em peças de formato irregular.
3. Requisitos para habilidades especiais e altos custos trabalhistas
As técnicas de soldagem a laser requerem treinamento e experiência especializados para alcançar excelentes resultados. Isso dificulta o uso por fabricantes menores devido aos custos trabalhistas mais elevados.
Fatores que afetam o processo de soldagem a laser
Aqui estão vários fatores que podem afetar o resultado de suas operações de soldagem a laser.
Potência do laser e densidade de energia
A potência do laser afeta diretamente o calor concentrado na peça e determina a largura e a penetração da solda. Em geral, níveis de potência mais baixos resultam em fusão insuficiente, enquanto níveis de potência mais elevados permitem uma penetração mais profunda. A potência dividida pelo tamanho do ponto do feixe fornece a densidade de energia, que determina a densidade do feixe de laser.
Foco do feixe e tamanho do ponto
O foco do feixe de laser determina o tamanho do ponto da peça de trabalho. Além disso, profundidades de penetração mais profundas e cordões de solda mais estreitos ocorrem devido à alta densidade de energia criada por pontos menores. O comprimento principal e o tamanho do ponto influenciam o formato da solda e a distribuição de energia.
Construção conjunta
O acesso à área de solda, a geometria e a personalização do desenho de junta preferido afetam o processo. Portanto, a preparação adequada da junta ajuda a melhorar a penetração, a qualidade e a resistência da solda.
Propriedades dos materiais
Seria útil saber que o coeficiente de expansão térmica, a condutividade térmica e o ponto de fusão de um material podem ter um impacto na soldagem, influenciando parâmetros como qualidade da solda, velocidade e requisitos de energia. Além disso, as propriedades de reflexão e absorção dos materiais mudam quando expostos à radiação laser.
Aplicações da soldagem a laser no processamento de metais
Indústria automobilística
O setor automotivo aposta no processo de soldagem a laser devido ao seu custo-benefício, qualidade e eficiência. Funciona sem ferramentas e geralmente não requer troca de cabeçote. Vários componentes automotivos, como peças de motores, solenóides, injetores de combustível e condicionadores de ar, são bons exemplos de usinagem de peças por meio de soldagem a laser.
Aeroespacial
O processo de soldagem a laser fornece a precisão que a indústria aeroespacial exige para diversas aplicações, como fuselagens e detectores de metais de segurança. As técnicas de soldagem a laser combinam estruturas leves e complexas feitas de alumínio, titânio e outras ligas. A soldagem aeroespacial ajuda a reduzir o peso das aeronaves usando menos rebites.
Indústria de eletrônicos
Os fabricantes de produtos eletrônicos contam com processos de corte de chapas metálicas e soldagem a laser para produzir vários dispositivos eletrônicos sofisticados. Os projetistas de produtos aplicam processos de soldagem a laser e usam máquinas de soldagem de onda contínua, Dd:YAG, fibra e laser pulsado. Os soldadores produzem soldas de precisão para componentes elétricos minúsculos e sofisticados, como sensores, componentes microeletrônicos, placas de circuito, transistores especializados e unidades de controle.
Joias e relógios
A indústria joalheira utiliza soldagem a laser para criar e reparar produtos com designs complexos e frágeis. Combina metais preciosos como ouro e platina e minimiza a descoloração e a deformação. Esta indústria utiliza um conceito de soldagem de “movimento livre”, tornando o processo relativamente simples e seguro. O feixe de laser mantém uma posição fixa enquanto o operador gira a joia, anel ou pulseira com segurança na frente do feixe.
Concluindo
A tecnologia de soldagem a laser é confiável e compatível com diversos materiais e aplicações. Mais importante ainda, proporciona melhores resultados do que métodos de soldagem alternativos. No entanto, para determinar a técnica correta de soldagem a laser para seus produtos, é aconselhável considerar o material da peça e os resultados desejados.
Perguntas frequentes
Posso cortar com um soldador a laser?
Com um soldador a laser, você pode cortar e soldar facilmente vários materiais de chapa, como alumínio, fio de ferro, aço inoxidável e aço carbono.
Quais gases são comumente usados em processos de soldagem a laser?
Nitrogênio, hélio e argônio são os gases de proteção comuns usados na soldagem por feixe de laser.
A operação do processo de soldagem a laser é cara?
Embora os soldadores a laser sejam mais caros do que as ferramentas e máquinas de soldagem tradicionais, eles são mais eficientes e fáceis de usar do que as máquinas tradicionais.
