Fundamentos da Soldagem a Laser: Dominando Técnicas de Fusão Sem Contato

Fundamentos da Soldagem a Laser

A soldagem a laser é um processo sem contato que requer acesso à zona de solda a partir de um lado das peças a serem soldadas.

• A solda é formada conforme a intensa luz do laser aquece rapidamente o material — tipicamente calculado em milissegundos.
• Existem tipicamente três tipos de soldas:
  • Modo de condução.
  • Modo de condução/penetração.
  • Modo de penetração ou "keyhole" (buraco-chave).

Modo de condução: Realizado em baixa densidade de energia, formando uma pepita de solda rasa e larga.

Modo de condução/penetração: Ocorre em densidade de energia média, mostrando mais penetração que o modo de condução.

Modo de penetração ou keyhole: Caracterizado por soldas profundas e estreitas. Neste modo, a luz do laser forma um filamento de material vaporizado conhecido como "keyhole", que se estende no material e fornece um conduto para a luz do laser ser entregue eficientemente no interior. Essa entrega direta de energia não depende de condução para alcançar a penetração, minimizando o calor no material e reduzindo a zona afetada pelo calor (HAZ).

Soldagem por Condução

A soldagem por condução descreve uma família de processos em que o feixe de laser é focalizado:

• Para fornecer uma densidade de potência na ordem de 10³ W/mm²
• Funde o material para criar uma junta sem vaporização significativa.

A soldagem por condução tem dois modos:

• Aquecimento direto
• Transmissão de energia.

Aquecimento Direto

• Durante o aquecimento direto, o fluxo de calor é governado pela condução térmica clássica a partir de uma fonte de calor superficial e a solda é feita pela fusão de porções do material base.
• As primeiras soldas por condução foram feitas no início dos anos 1960, usando lasers de rubi pulsado de baixa potência e CO2 para conectores de fios.
• Soldas por condução podem ser feitas em uma ampla gama de metais e ligas na forma de fios e chapas finas em várias configurações usando lasers CO2, Nd:YAG e diodo com níveis de potência na ordem de dezenas de watts.
• Aquecimento direto por feixe de laser CO2 também pode ser usado para soldas sobrepostas e de topo em chapas de polímero.

Soldagem por Transmissão

• A soldagem por transmissão é um meio eficiente de unir polímeros que transmitem a radiação infravermelha próxima de lasers Nd:YAG e diodo.
• A energia é absorvida através de novos métodos de absorção interfacial.
• Compósitos podem ser unidos desde que as propriedades térmicas da matriz e do reforço sejam semelhantes.
• O modo de transmissão de energia da soldagem por condução é usado com materiais que transmitem radiação infravermelha próxima, notadamente polímeros.
• Uma tinta absorvente é colocada na interface de uma junta sobreposta. A tinta absorve a energia do feixe de laser, que é conduzida para uma espessura limitada do material circundante, formando um filme interfacial fundido que se solidifica como a junta soldada.
• Juntas sobrepostas de seção espessa podem ser feitas sem fundir as superfícies externas da junta.
• Soldas de topo podem ser feitas direcionando a energia em direção à linha da junta em um ângulo através do material de um lado da junta, ou de uma extremidade se o material for altamente transmissivo.

Soldagem e Brasagem a Laser

• Nos processos de soldagem e brasagem a laser, o feixe é usado para derreter um material de adição, que molha as bordas da junta sem fundir o material base.
• A soldagem a laser começou a ganhar popularidade no início dos anos 1980 para unir os terminais de componentes eletrônicos através de furos em placas de circuito impresso. Os parâmetros do processo são determinados pelas propriedades do material.

Soldagem a Laser por Penetração

• Em altas densidades de potência, todos os materiais evaporarão se a energia puder ser absorvida. Assim, ao soldar dessa forma, um buraco é geralmente formado por evaporação.
• Este "buraco" é então atravessado através do material com as paredes fundidas selando-se atrás dele.
• O resultado é o que se conhece como "solda keyhole". Caracteriza-se por sua zona de fusão de lados paralelos e largura estreita.

Eficiência da Soldagem a Laser

• Um termo para definir esse conceito de eficiência é conhecido como "eficiência de união".
• A eficiência de união não é uma eficiência verdadeira, pois tem unidades de (mm² unidos / kJ fornecidos).
• Eficiência = V·t / P (o recíproco da energia específica no corte), onde V = velocidade de avanço (mm/s); t = espessura soldada (mm); P = potência incidente (kW).

Eficiência de União

• Quanto maior o valor da eficiência de união, menos energia é gasta em aquecimento desnecessário.
  • Menor zona afetada pelo calor (HAZ).
  • Menor distorção.
• A soldagem por resistência é a mais eficiente nesse aspecto, pois a energia de fusão e HAZ é gerada apenas na interface de alta resistência a ser soldada.
• Laser e feixe de elétrons também têm boas eficiências e altas densidades de potência.

Variações do Processo

Soldagem a Laser com Arco Aumentado

• O arco de uma tocha TIG montada próxima ao ponto de interação do feixe de laser travará automaticamente no ponto quente gerado pelo laser.
• A temperatura necessária para esse fenômeno é de cerca de 300°C acima da temperatura ambiente.
• O efeito é estabilizar um arco instável devido à sua velocidade de avanço ou reduzir a resistência de um arco estável.
• O travamento só acontece para arcos com baixa corrente e, portanto, jato catódico lento; ou seja, para correntes inferiores a 80A.
• O arco fica no mesmo lado da peça que o laser, o que permite duplicar a velocidade de soldagem com um modesto aumento no custo de capital.

Soldagem a Laser com Feixe Duplo

• Se dois feixes de laser forem usados simultaneamente, há a possibilidade de controlar a geometria do banho de fusão e o formato do cordão de solda.
• Usando dois feixes de elétrons, o keyhole poderia ser estabilizado, causando menos ondas no banho de fusão e proporcionando melhor penetração e formato do cordão.
• Uma combinação de feixes de laser excimer e CO2 mostrou acoplamento melhorado para soldagem de materiais de alta refletividade, como alumínio ou cobre.
• O acoplamento aprimorado foi considerado principalmente devido a:
  • Alteração da refletividade pelo ripple superficial causado pelo excimer.
  • Um efeito secundário proveniente do acoplamento através do plasma gerado pelo excimer.