Fundamentos da soldagem a laser: 8 conceitos essenciais

30 april 2024 Roberto Magalhães

1. Características da soldagem a laser

Vantagem

(1) Uma pequena faixa de processamento pode oferecer melhor controle sobre a entrada de energia, levando à redução do estresse térmico, a uma menor zona afetada pelo calor e a uma menor deformação térmica.

(2) Soldas estreitas e lisas requerem menos processos de tratamento pós-solda, ou nenhum.

(3) A rápida velocidade de resfriamento e a estrutura fina da solda resultam em excelente desempenho da junta soldada.

(4) O processo possui alta velocidade de processamento e ciclo de trabalho curto.

(5) A microssoldagem e a transmissão de longa distância podem ser realizadas sem o uso de um dispositivo de vácuo, tornando-a ideal para produção automática em massa.

(6) A soldagem a laser é fácil de integrar com outros métodos de processamento, como dobra, puncionamento e montagem, e é adequada para produção automática.

(7) O processo de produção é facilmente controlado, pois o sistema de sensores monitora o processo em tempo real para garantir a qualidade da soldagem.

(8) A soldagem a laser não requer contato com a peça, evitando assim qualquer tensão de contato.

Desvantagem

Embora a soldagem a laser tenha muitas vantagens e seja um método de soldagem promissor, ela também apresenta certas limitações.

(1) A espessura da soldagem é limitada e é adequada principalmente para materiais finos.

(2) A peça de trabalho deve ser fixada com alta precisão e a folga deve ser mantida ao mínimo. Isso geralmente requer acessórios de soldagem de precisão, que podem ser relativamente caros.

(3) O posicionamento preciso é crítico e os requisitos de programação são relativamente elevados.

(4) Materiais de soldagem com alta refletividade e alta condutividade térmica, como ligas de alumínio e cobre, podem ser desafiadores.

(5) A rápida solidificação da solda pode levar à retenção de gás e resultar em porosidade e fragilidade.

(6) O equipamento é caro e, para produção em pequenos lotes ou produção com posicionamento e processos complexos, a relação custo-benefício pode não ser a ideal.

2. Classificação da soldagem a laser

eupenetração de aser

A soldagem de penetração profunda a laser exige que o feixe de laser tenha uma alta densidade de energia, normalmente superior a 10 kW/mm². Isto resulta não apenas na fusão do metal, mas também na formação de vapor metálico.

A pressão criada pelo vapor metálico gerado na poça de fusão faz com que ele desloque o metal líquido. À medida que o metal continua a derreter e o vapor metálico diminui, um orifício estreito e fino de vapor metálico é formado.

O buraco é cercado pelo metal fundido líquido e, à medida que o feixe de laser avança, o buraco se move com ele. O metal líquido atrás do furo continua a solidificar, formando a solda.

1. Buraco da fechadura
2. Metal fundido
3. Soldas
4. Raio laser
5. Direção de soldagem
6. Vapor metálico
7. Peça de trabalho

A solda a laser é caracterizada por seu formato estreito e fino, e sua relação profundidade/largura pode chegar até 10:1.

3. Soldagem por condução de calor a laser (soldagem de bordas)

O feixe de laser é direcionado ao longo da borda do material, fazendo com que o material fundido se funda e solidifique, formando uma solda. A profundidade da solda pode variar de próximo de zero a um milímetro, e a espessura do material normalmente não excede 3mm, sendo geralmente inferior a 2mm.

1. Material fundido
2. Soldar
3. Raio laser
4. Direção de soldagem
5. Peça de trabalho

A soldagem por condução de calor a laser de estado sólido é usada principalmente para soldar os cantos de placas finas, como invólucros de baterias, invólucros de marca-passos e algumas tampas de máquinas-ferramentas. Este método de soldagem resulta em uma solda de ângulo suave e limpa que não requer nenhum processamento adicional.

4. Forma da cabeça de soldagem

Soldagem de topo

Colo

Soldagem de sobreposição

Soldagem de filete

Soldagem por crimpagem

5. Especificações de soldagem a laser

Potência laser
Diâmetro do núcleo da fibra
Colimação e distância focal da junta soldada
velocidade de soldagem
Profundidade focal
Gás de proteção
Valor de absorção do material (refletividade do material)

6. Materiais adequados para soldagem a laser

(1). Aço carbono e aço liga comum

Em geral, o aço carbono é adequado para soldagem a laser e a qualidade da solda depende do nível de impurezas presentes. Altos níveis de enxofre e fósforo podem causar rachaduras na soldagem, tornando a soldagem a laser inadequada para materiais com altos níveis desses elementos.

Tanto os aços de médio e alto carbono quanto os aços-liga comuns podem ser efetivamente soldados a laser; no entanto, o pré-aquecimento e o tratamento pós-soldagem são necessários para aliviar o estresse e prevenir a formação de trincas.

(2). Soldagem a laser de aço inoxidável

Em geral, a soldagem a laser de aço inoxidável é mais fácil de produzir juntas de alta qualidade em comparação com os métodos convencionais de soldagem.

O aço inoxidável com baixa condutividade térmica é mais propício para alcançar uma penetração profunda e estreita na solda.

O aço inoxidável pode ser dividido em quatro categorias principais: aço inoxidável ferrítico (que pode resultar em fragilização das juntas), aço inoxidável austenítico (propenso a trincas a quente), aço inoxidável martensítico (conhecido por sua baixa soldabilidade) e aço inoxidável duplex (que pode ser propenso à fragilização na zona afetada pela soldagem).

(3). Soldagem a laser de liga de alumínio

A alta refletividade e condutividade térmica das superfícies de liga de alumínio dificultam a soldagem a laser.

Para soldagem a laser de materiais altamente reativos, o desempenho do limite de energia torna-se mais pronunciado.

As propriedades de soldagem de diferentes séries e graus de ligas de alumínio variam.

Dificuldades de soldagem de liga de alumínio:

O alumínio tem uma forte capacidade de oxidação e é propenso à oxidação no ar e durante a soldagem. A alumina resultante tem um alto ponto de fusão e é altamente estável.

A remoção do filme de óxido é desafiadora e possui proporção significativa, dificultando sua separação da superfície. Isto pode resultar em defeitos como inclusão de escória, fusão incompleta e penetração incompleta.

A película de óxido na superfície do alumínio também pode adsorver uma quantidade significativa de água, levando à formação de poros na solda.

Existem elevados requisitos para a limpeza da peça de trabalho.

O alumínio possui maior condutividade térmica e capacidade térmica específica.

Para soldar o alumínio com eficácia, recomenda-se a utilização de fontes de energia com alta concentração e potência. Além disso, o pré-aquecimento às vezes pode ser usado como medida de processo.

Geralmente, a potência do laser necessária é relativamente grande.

O alumínio tem um grande coeficiente de expansão linear e sofre uma significativa contração de volume durante a solidificação, levando a alta deformação e tensão na soldagem. Isso pode resultar em cavidades de contração, porosidade de contração, fissuras térmicas e alta tensão interna.

O alumínio tem uma forte capacidade de refletir luz e calor.

Não há mudança perceptível na cor durante a transformação do estado sólido-líquido, dificultando o julgamento durante o processo de soldagem.

O alumínio de alta temperatura tem baixa resistência e tem dificuldade para suportar a poça de fusão, tornando-o propenso à soldagem.

O laser utilizado para soldagem deve ser resistente a altas reflexões.

A formação de poros é comum na soldagem de alumínio. O alumínio e suas ligas podem dissolver uma quantidade significativa de hidrogênio no estado líquido, mas quase nenhum no estado sólido.

Durante a solidificação e o rápido resfriamento da poça de soldagem, o hidrogênio não consegue escapar a tempo, levando à formação de poros de hidrogênio.

Existem elevados requisitos para a limpeza da peça de trabalho, incluindo a secagem da peça de trabalho e do ambiente circundante.

A evaporação e queima de elementos de liga durante a soldagem pode resultar numa diminuição no desempenho da solda.

(4). Soldagem de liga de cobre

O processo de soldagem do cobre espelhado é semelhante ao da liga de alumínio, mas o cobre espelhado tem uma capacidade de reflexão mais forte.

Os tipos mais comumente usados na indústria são T1, T2 e T3, que têm uma aparência roxa distinta e, portanto, também são conhecidos como cobre vermelho.

Defeitos de soldagem facilmente gerados:

Fusão incompleta e penetração incompleta (feixe laser de alta densidade de energia)
Deformação de soldagem
Trinca térmica (no processo de cristalização, o cobre e as ligas de cobre apresentam fragilidade térmica óbvia devido à distribuição de eutético de baixo ponto de fusão entre dendritos ou limites de grão. Além disso, a trinca térmica é muito fácil de ocorrer devido ao efeito do estresse de soldagem).
Poros (os poros nas soldas de cobre vermelho são principalmente poros de hidrogênio).

7. Gás de proteção de soldagem

Use gás de proteção de soldagem para proteger o efeito de soldagem:

Alguns processos de soldagem requerem o uso de um gás de proteção de soldagem para formar uma fina camada protetora sobre a superfície da solda. Esta camada ajuda a evitar que o ar circundante afete a solda.

O objetivo principal do gás de proteção é evitar que o metal fundido reaja com o oxigênio do ar, vapor de água ou dióxido de carbono.

Os gases de proteção comuns incluem hélio, argônio, nitrogênio ou uma mistura de gases. O tipo de gás utilizado é normalmente determinado pelo material a ser soldado.

O gás de proteção é fornecido à superfície da solda através de um tubo de gás de proteção ou através do próprio acessório.

Observe que o uso de gás de proteção para soldagem de peças tridimensionais pode aumentar a dificuldade de movimento do robô.

8. Requisitos de soldagem

Antes da soldagem, é essencial definir claramente as especificações de soldagem, que normalmente abrangem a resistência da solda (como requisitos de penetração, requisitos de controle de poros, requisitos de controle de trincas, etc.), aparência (incluindo planicidade da solda, nível de oxidação , relação profundidade-largura, etc.) e estanqueidade ao ar (suportando a pressão do ar).

(1). Costura de solda

Inspeção de qualidade:

O objetivo de qualquer inspeção de qualidade é verificar se o desempenho da peça atende aos requisitos de uso.

Para soldagem, o padrão de qualidade para soldagem a laser concentra-se principalmente na solda e na zona afetada pelo calor produzida durante a soldagem.

(2). Requisitos básicos:

As soldas precisam atender aos dois requisitos de qualidade recentes a seguir:

A largura e profundidade da solda devem atender aos requisitos das especificações de soldagem e resistência da soldagem.
Qualidade da imagem do cristal de solda: a estrutura interna da solda deve ser o mais uniforme possível e os grãos devem ser finos e uniformes.

A especificação do procedimento de soldagem também contém alguns outros padrões de soldagem e defeitos de soldagem.

A figura a seguir mostra diferentes defeitos de soldagem:

Defeitos de qualidade de soldas

(3). Soldar defeitos internos:

Defeitos internos típicos de solda:

Fusão incompleta: folga excessiva na solda

Furo de ar: pequena quantidade de ar ou bolhas misturadas na solda; rachadura: na superfície ou dentro da solda

Defeitos de qualidade em juntas sobrepostas

(4). Defeitos externos de soldagem:

Forma de solda irregular: por exemplo, microfissuras causadas pelo colapso da solda

Respingo de metal fundido: poços são formados na superfície da solda devido à “explosão” do metal fundido, o que reduz a resistência da solda e até forma poros

Colapso da superfície de solda e depressão do fundo da solda: reduzir a área de tensão efetiva da solda e reduzir a resistência da solda

Desalinhamento: em soldas de topo, o desalinhamento resulta em uma redução na área efetiva de solda

Cratera de arco: reduzir a área de tensão efetiva da solda

Oxidação: reduzir a resistência à oxidação do aço inoxidável

Respingo: respingos de objetos caem na superfície da solda ou da peça de trabalho, reduzem a qualidade da superfície e aumentam o tratamento de acompanhamento

Deformação da soldagem causada pela entrada de calor: No processo de soldagem, o calor dentro da solda será transmitido para a peça ao redor da solda, resultando em uma pequena deformação. Se uma peça precisar ter um grande número de soldas, a sequência de soldagem deverá ser razoavelmente selecionada.