Tecnologia a Laser

1. Princípio da Soldagem a Laser

A soldagem a laser pode ser realizada utilizando feixes de laser contínuos ou pulsados. O princípio da soldagem a laser pode ser dividido em soldagem por condução de calor e soldagem a laser de penetração profunda. Densidade de potência inferior a 10 ⁴ ~10⁵ L/CM ² é soldagem por condução de calor, caracterizada por baixa penetração e velocidade de soldagem lenta. Quando a densidade de potência for superior a 10 ⁵ ~10⁷ L/CM ² , a superfície metálica é aquecida, criando "cavidades" e formando uma soldagem de penetração profunda, caracterizada por alta velocidade de soldagem e elevada relação profundidade/largura.

O princípio da soldagem a laser por condução de calor é o seguinte: a radiação do laser aquece a superfície a ser processada, e o calor da superfície se difunde para o interior por condução térmica. Ao controlar parâmetros do laser, como a largura, a energia, a potência de pico e a frequência de repetição do pulso laser, a peça funde-se, formando uma poça de fusão específica.

As máquinas de soldagem a laser utilizadas para soldagem de engrenagens e para soldagem de chapas finas metalúrgicas envolvem principalmente a soldagem a laser de penetração profunda. O princípio da soldagem a laser de penetração profunda será discutido em detalhes a seguir.

A soldagem a laser de penetração profunda normalmente utiliza um feixe de laser contínuo para unir materiais. Sua física metalúrgica é muito semelhante à soldagem por feixe de elétrons, com o mecanismo de conversão de energia realizado por meio de uma estrutura em "cavidade". Sob irradiação laser com densidade de potência suficientemente elevada, o material evapora e forma uma cavidade. Essa cavidade preenchida com vapor atua como um corpo negro, absorvendo quase toda a energia do feixe incidente. A temperatura de equilíbrio no interior da cavidade atinge aproximadamente 2500 °C. O calor é transferido da parede externa deste orifício de alta temperatura (keyhole), fundindo o metal que o rodeia. O orifício é preenchido por vapor de alta temperatura gerado pela evaporação contínua do material da parede sob irradiação do feixe. As paredes do orifício envolvem metal fundido, e o metal líquido, por sua vez, envolve o material sólido (na maioria dos processos convencionais de soldagem e na soldagem a laser por condução, a energia é inicialmente depositada na superfície da peça e, em seguida, transferida para o interior). O escoamento do líquido e a tensão superficial fora das paredes do orifício mantêm um equilíbrio dinâmico com a pressão de vapor continuamente gerada no interior do orifício. À medida que o feixe laser penetra continuamente no orifício, o material exterior a ele continua a fluir. Conforme o feixe laser se desloca, o orifício permanece em um estado estável de escoamento. Em outras palavras, o orifício e o metal fundido que o rodeia avançam à mesma velocidade do feixe guia. O metal fundido preenche as lacunas deixadas após o deslocamento do orifício e, em seguida, solidifica-se, formando assim uma solda. Tudo isso ocorre tão rapidamente que as velocidades de soldagem podem facilmente atingir vários metros por minuto.

2. Parâmetros-Chave do Processo de Soldagem a Laser por Penetração Profunda

Potência do laser

A soldagem a laser envolve um limiar de densidade de energia do laser. Abaixo desse limiar, a profundidade de penetração é pequena; ao ser atingido ou superado, a profundidade de penetração aumenta significativamente. O plasma é gerado apenas quando a densidade de potência do laser sobre a peça excede esse limiar (dependente do material), marcando o início da soldagem por penetração profunda estável. Se a potência do laser estiver abaixo desse limiar, ocorre apenas fusão superficial na peça, ou seja, a soldagem prossegue em um modo estável de condução de calor. Quando a densidade de potência do laser está próxima da condição crítica para a formação do orifício (keyhole), a soldagem por penetração profunda e a soldagem por condução alternam-se, resultando em um processo de soldagem instável com grandes flutuações na profundidade de penetração. Na soldagem a laser por penetração profunda, a potência do laser controla simultaneamente a profundidade de penetração e a velocidade de soldagem. A profundidade de penetração da solda está diretamente relacionada à densidade de potência do feixe e é função da potência do feixe incidente e do ponto focal do feixe. Geralmente, para um feixe laser de determinado diâmetro, a profundidade de penetração aumenta com o aumento da potência do feixe.

Ponto Focal do Feixe

O tamanho do ponto do feixe é uma das variáveis mais importantes na soldagem a laser, pois determina a densidade de potência. No entanto, medi-lo para lasers de alta potência é desafiador, apesar da existência de muitas técnicas indiretas de medição.

O tamanho do ponto difratado limitado do feixe a laser pode ser calculado com base na teoria da difração óptica. Contudo, devido às aberrações na lente de foco, o tamanho real do ponto é maior que o valor calculado. O método prático mais simples de medição é o método de perfilometria isotérmica, que envolve a carbonização de uma folha espessa de papel e a perfuração de uma placa de polipropileno antes de medir o ponto focal e o diâmetro da perfuração. Esse método exige medição prática para dominar a potência do laser e a duração do contato do feixe.

Valor de Absorção do Material

A absorção da luz laser por um material depende de várias propriedades importantes, tais como absortividade, refletividade, condutividade térmica, temperatura de fusão e temperatura de evaporação, sendo a absortividade a mais importante.

Os fatores que afetam a absortividade de um material em relação a um feixe laser incluem dois aspectos: primeiro, a resistividade do material. Medições da absortividade de superfícies polidas mostram que a absortividade é proporcional à raiz quadrada da resistividade, a qual, por sua vez, varia com a temperatura. Segundo, o estado da superfície (ou lisura) do material tem um impacto significativo na absortividade do feixe, afetando, assim, de forma considerável o efeito da soldagem.

O comprimento de onda de saída de um laser CO2 é tipicamente 10,6 μ m. Materiais não metálicos, como cerâmicas, vidro, borracha e plásticos, apresentam altas taxas de absorção à temperatura ambiente, enquanto materiais metálicos absorvem mal nessa temperatura, com a absorção aumentando acentuadamente apenas após a fusão — ou mesmo a vaporização — do material. Revestimentos superficiais ou películas de óxido são métodos eficazes para melhorar a absorção do feixe laser pelo material.

Velocidade de solda

A velocidade de soldagem afeta significativamente a penetração da solda. O aumento dessa velocidade resulta em menor penetração, enquanto velocidades excessivamente baixas levam à super-fusão e perfuração. Portanto, para um determinado material, com uma potência de laser e espessura específicas, existe uma faixa adequada de velocidades de soldagem, dentro da qual se obtém a penetração máxima. A Figura 10-2 mostra a relação entre a velocidade de soldagem e a penetração para o aço 1018.

Gás de Proteção

Gases inertes são comumente utilizados para proteger a poça fundida durante a soldagem a laser. Embora a oxidação superficial possa não ser uma preocupação para determinados materiais, o hélio, o argônio e o nitrogênio são comumente empregados na maioria das aplicações para evitar a oxidação da peça de trabalho durante a soldagem.

O hélio é mal ionizado (mas possui alta energia de ionização), permitindo que o feixe laser atravesse suavemente e atinja a superfície da peça de trabalho sem obstáculos. Este é o gás de proteção mais eficaz utilizado na soldagem a laser, embora seja relativamente caro.

O argônio é mais barato e possui maior densidade, proporcionando boa proteção. Contudo, ele é facilmente ionizado pelo plasma metálico de alta temperatura, o que bloqueia parte do feixe, impedindo que alcance a peça de trabalho, reduzindo a potência efetiva do laser e prejudicando a velocidade de soldagem e a penetração. As soldas protegidas com argônio apresentam superfícies mais lisas do que aquelas protegidas com hélio.

O nitrogênio é o gás de proteção mais barato, mas não é adequado para a soldagem de certos tipos de aço inoxidável, principalmente devido a problemas metalúrgicos, como a absorção, que pode, às vezes, causar porosidade na região da junta.

Uma segunda função dos gases de proteção é proteger a lente de foco contra contaminação por vapores metálicos e projeção de gotículas fundidas. Isso é especialmente importante na soldagem a laser de alta potência, em que o material expelido torna-se muito intenso.

Uma terceira função dos gases de proteção é sua eficácia na dispersão do plasma gerado pela soldagem a laser de alta potência. O vapor metálico absorve o feixe laser e ioniza-se, formando uma nuvem de plasma. O gás protetor que envolve o vapor metálico também sofre ionização devido ao aquecimento. Se houver excesso de plasma, o feixe laser é parcialmente consumido pelo próprio plasma. O plasma atua como uma fonte secundária de energia na superfície de trabalho, resultando em menor profundidade de penetração da solda e em uma poça de solda mais larga. A taxa de recombinação de elétrons aumenta com o aumento das colisões entre elétrons, íons e átomos neutros, reduzindo assim a densidade de elétrons no plasma. Quanto mais leves forem os átomos neutros, maior será a frequência de colisões e a taxa de recombinação; por outro lado, apenas um gás protetor com elevada energia de ionização pode impedir o aumento da densidade de elétrons causado pela ionização do próprio gás.

O tamanho da nuvem de plasma varia conforme o gás de proteção utilizado, sendo o hélio o que produz a nuvem de menor tamanho, seguido pelo nitrogênio e, por fim, o argônio, que gera a nuvem de maior tamanho. Uma nuvem de plasma maior resulta em uma penetração de solda mais rasa. Essa diferença deve-se principalmente aos diferentes graus de ionização das moléculas do gás, bem como às diferenças na difusão de vapor metálico causadas pelas distintas densidades dos gases de proteção.

O hélio possui a menor ionização e densidade, permitindo-lhe deslocar rapidamente o vapor metálico ascendente proveniente da poça de metal fundido. Assim, o uso de hélio como gás de proteção suprime ao máximo o plasma, aumentando, consequentemente, a penetração da solda e a velocidade de soldagem; seu baixo peso também facilita sua dissipação, reduzindo a probabilidade de formação de porosidade. Contudo, com base em nossos resultados reais de soldagem, constatou-se que a proteção com argônio é bastante eficaz.

O impacto da nuvem de plasma na penetração da solda é mais acentuado em baixas velocidades de soldagem. Seu efeito diminui à medida que a velocidade de soldagem aumenta.

O gás de proteção é expelido sob determinada pressão através de um bico e atinge a superfície da peça trabalhada. A forma hidrodinâmica do bico e o diâmetro da saída são fundamentais. O gás de proteção deve ser suficientemente amplo para cobrir toda a superfície de soldagem, mas o tamanho do bico deve ser limitado para proteger eficazmente a lente e evitar a contaminação por vapores metálicos ou danos causados por salpicos metálicos. A vazão também deve ser controlada; caso contrário, o escoamento laminar do gás de proteção tornar-se-á turbulento, ocorrerá arraste de ar atmosférico para a poça fundida e, consequentemente, formar-se-ão porosidades.

Para melhorar o efeito de proteção, pode-se utilizar um método adicional de sopramento lateral, no qual o gás de proteção é injetado diretamente no orifício de perfuração da soldagem de penetração profunda por meio de um bico de diâmetro menor, em um determinado ângulo. O gás de proteção não apenas suprime a nuvem de plasma na superfície da peça trabalhada, mas também influencia o plasma presente no interior do orifício de perfuração e a formação desse orifício, aumentando ainda mais a profundidade de penetração e permitindo obter uma solda com uma relação ideal entre profundidade e largura. Contudo, este método exige um controle preciso da vazão e da direção do gás; caso contrário, facilmente ocorrerá turbulência, danificando a poça fundida e tornando o processo de soldagem instável.

Distância Focal da Lente

Durante a soldagem, o laser é normalmente focalizado, geralmente utilizando lentes com distâncias focais de 63–254 mm (2,5 ”~10”o tamanho do ponto focalizado é diretamente proporcional à distância focal; quanto menor a distância focal, menor o ponto. No entanto, a distância focal também afeta a profundidade de foco, ou seja, a profundidade de foco aumenta proporcionalmente com a distância focal. Portanto, uma distância focal menor pode aumentar a densidade de potência, mas, devido à pequena profundidade de foco, a distância entre a lente e a peça trabalhada deve ser mantida com precisão, e a profundidade de penetração também é limitada. Devido à influência das salpicaduras e do modo do feixe laser gerados durante a soldagem, a menor distância focal efetivamente utilizada na soldagem é frequentemente de 126 mm (5 ”quando a junta é grande ou quando é necessário aumentar o tamanho da solda aumentando o tamanho do ponto, pode-se selecionar uma lente com distância focal de 254 mm (10 ”) Neste caso, para obter o efeito de furo profundo (keyhole) de penetração profunda, é necessária uma potência de saída do laser mais elevada (densidade de potência).

Quando a potência do laser excede 2 kW, especialmente para 10,6 μ feixes de laser CO2 de 10,6 µm, devido ao uso de materiais ópticos especiais no sistema óptico, frequentemente emprega-se focagem por reflexão para evitar danos ópticos à lente de foco. Espelhos de cobre polido são normalmente utilizados como refletores. Devido às suas eficazes propriedades de refrigeração, são frequentemente recomendados para a focagem de feixes de laser de alta potência.

Posição de Foco

Durante a soldagem, a posição do foco é crucial para manter uma densidade de potência suficiente. Alterações na posição relativa do foco em relação à superfície da peça trabalhada afetam diretamente a largura e a profundidade da solda. A Figura 2-6 mostra o efeito da posição do foco sobre a profundidade de penetração e a largura da solda em aço 1018.

Na maioria das aplicações de soldagem a laser, o foco é normalmente posicionado aproximadamente um quarto abaixo da superfície da peça trabalhada para obter a profundidade de penetração desejada.

Posição do Feixe Laser

Ao soldar materiais diferentes com laser, a posição do feixe de laser controla a qualidade final da solda, especialmente em juntas de topo, onde é mais sensível do que em juntas de sobreposição. Por exemplo, ao soldar uma engrenagem de aço temperado a um tambor de aço de baixo teor de carbono, o controle adequado da posição do feixe de laser resultará em uma solda composta principalmente por componentes de baixo teor de carbono, o que confere maior resistência à fissuração. Em algumas aplicações, a geometria da peça a ser soldada exige que o feixe de laser seja desviado em um determinado ângulo. Quando o ângulo de desvio entre o eixo do feixe e o plano da junta for inferior a 100 graus, a absorção de energia laser pela peça não será afetada.

Controle do aumento e da redução da potência do laser nos pontos inicial e final da soldagem

Durante a soldagem a laser com penetração profunda, independentemente da profundidade da solda, o fenômeno do orifício (pinhole) está sempre presente. Quando o processo de soldagem é encerrado e o interruptor de alimentação é desligado, forma-se uma reentrância na extremidade da solda. Além disso, quando a camada de solda a laser cobre a solda original, pode ocorrer uma absorção excessiva do feixe laser, levando ao superaquecimento ou à porosidade da junta soldada.

Para prevenir esses fenômenos, os pontos de início e fim da potência podem ser programados para tornar ajustáveis os tempos de início e fim da potência. Ou seja, a potência inicial é eletronicamente aumentada de zero até o valor definido em um curto intervalo de tempo, e o tempo de soldagem é ajustado. Por fim, ao término da soldagem, a potência é reduzida gradualmente, desde o valor definido até zero.

3. Características, vantagens e desvantagens da soldagem a laser com penetração profunda

Características da soldagem a laser com penetração profunda

1) Alta relação de aspecto. 1) **Solda profunda e estreita:** Como o metal fundido se forma ao redor da cavidade cilíndrica de vapor de alta temperatura e se estende em direção à peça de trabalho, a solda torna-se profunda e estreita.

2) **Mínima entrada de calor:** Devido à temperatura extremamente elevada no interior da abertura, o processo de fusão ocorre muito rapidamente, resultando em uma entrada de calor muito baixa na peça de trabalho, minimizando a deformação térmica e a zona afetada pelo calor.

3) **Alta densidade:** A abertura preenchida com vapor de alta temperatura favorece a agitação da poça de fusão e a saída de gases, levando a uma solda isenta de porosidade e totalmente penetrada. A alta taxa de resfriamento após a soldagem refina ainda mais a microestrutura da solda.

4) **Soldagem forte:** A fonte intensa de calor e a absorção total dos componentes não metálicos reduzem o teor de impurezas e alteram o tamanho e a distribuição das inclusões na poça de fusão. O processo de soldagem não requer eletrodos nem arame de adição, resultando em menor contaminação na zona fundida, tornando a resistência e a tenacidade da solda pelo menos iguais — ou até superiores — às do metal base.

5) **Controle preciso:** Como o ponto focal é muito pequeno, a soldagem pode ser posicionada com precisão. A saída do laser não apresenta "inércia", permitindo paradas e reinícios rápidos em altas velocidades. A tecnologia CNC de movimentação do feixe permite a soldagem de peças complexas. 6) Processo de soldagem atmosférica sem contato físico. Como a energia provém de um feixe de fótons, não há contato físico com a peça, não sendo, portanto, aplicada nenhuma força externa à peça. Além disso, campos magnéticos e o ar não afetam o laser.

Vantagens da soldagem a laser por penetração profunda

1) Devido à densidade de potência muito maior dos lasers focados em comparação com os métodos convencionais, a velocidade de soldagem é elevada, a zona afetada pelo calor e a deformação são reduzidas, e é possível soldar materiais de difícil soldagem, como o titânio.

2) Como o feixe é facilmente transmitido e controlado, não há necessidade de trocas frequentes de maçaricos e bocais de soldagem, nem de evacuação do vácuo exigida na soldagem por feixe de elétrons, o que reduz significativamente o tempo de inatividade, resultando em alto fator de carga e eficiência produtiva.

3) Devido ao efeito de purificação e à alta taxa de resfriamento, a solda apresenta alta resistência, tenacidade e desempenho geral.

4) Devido à baixa entrada média de calor, a precisão do processamento é elevada, reduzindo os custos com retrabalho; além disso, os custos operacionais da soldagem a laser também são menores, reduzindo assim os custos de processamento das peças.

5) A intensidade do feixe e o posicionamento preciso podem ser controlados eficazmente, facilitando a operação automatizada.

Desvantagens da Soldagem a Laser por Penetração Profunda

1) Profundidade de soldagem limitada.

2) Altos requisitos para a montagem da peça.

3) Alto investimento inicial em sistemas a laser.