Soldagem por feixe de laser versus soldagem por feixe de elétrons:escolhendo o processo ideal para suas aplicações

Os defensores da soldagem por feixe de laser (LBW) e da soldagem por feixe de elétrons (EBW) elogiam cada um sua tecnologia preferida, mas muitas vezes a melhor solução para um cliente é usar as duas tecnologias juntas. Ambos os processos são adequados para unir componentes com geometrias complexas e capazes de atender às mais rigorosas demandas de características metalúrgicas da montagem final.
Figura 1. Sistema de soldagem a laser de estado sólido (foto cortesia da TRUMPF Inc.)
O uso de tecnologias de laser e feixe de elétrons em uma única instalação pode agilizar o processo de fabricação quando o projeto de um componente incorpora múltiplas juntas soldadas adaptadas separadamente para um processo ou outro. Os exemplos incluem sensores, dispositivos médicos e produtos que requerem gás inerte ou vácuo para serem vedados na peça acabada.

O processamento a laser é necessário quando o tamanho da montagem final é muito grande para uma câmara de soldagem EB, algum componente de uma montagem é incompatível com o processamento a vácuo (como um líquido ou gás) ou quando a solda é inacessível a uma fonte de feixe de elétrons. O feixe de elétrons será a escolha principal quando o conjunto completo precisar ser vedado com componentes internos sob vácuo, quando as penetrações da solda excederem 1⁄2", quando o material for desafiador para iniciar o acoplamento a laser ou quando a solda não deve ser exposta às condições atmosféricas até que tenha esfriado a uma temperatura aceitável. Exemplos são a soldagem aeroespacial de titânio e suas ligas e muitos metais refratários, como tungstênio, nióbio, rênio e tântalo.

LBW – Ferramentas mais simples e tempos de ciclo mais curtos

As fontes de energia de soldagem a laser utilizam uma onda contínua (CW) ou saída pulsada de fótons. Com sistemas CW, o feixe de laser está sempre ligado durante o processo de soldagem. Os sistemas pulsados são modulados para gerar uma série de pulsos com um tempo de desligamento entre esses pulsos. Em ambos os métodos, o feixe de laser é focalizado opticamente na superfície da peça a ser soldada. Esses feixes de laser podem ser entregues diretamente na peça por meio de óptica rígida clássica ou por meio de um cabo de fibra óptica altamente flexível, capaz de fornecer a energia do laser a estações de trabalho distantes.

É a alta densidade de energia do laser que permite que a superfície do material seja levada rapidamente à sua temperatura liquidus, permitindo um curto tempo de interação do feixe em comparação com métodos de soldagem tradicionais, como GTAW (soldagem TIG) e processos semelhantes. A energia tem assim menos tempo para se dissipar no interior da peça de trabalho. Isso resulta em uma zona estreita afetada pelo calor e menos fadiga para o componente.

A saída de energia do feixe pode ser altamente controlada e modulada para produzir perfis de pulso arbitrários. As costuras de solda podem ser produzidas pela sobreposição de pulsos individuais, o que reduz a entrada de calor através da introdução de um breve ciclo de resfriamento entre os pulsos, uma vantagem para a produção de soldas em materiais sensíveis ao calor.

Salay Stannard, engenheiro de materiais da Joining Technologies, um inovador baseado em CT de East Granby, em aplicações de revestimento a laser, feixe de elétrons e soldagem a laser, observa que os lasers CW podem atingir penetrações de até 0,5 polegadas, enquanto os lasers pulsados normalmente atingem apenas 0,030-0,045 polegadas. Ela diz:“Esses resultados podem variar entre os sistemas de laser e dependem em grande parte da escolha dos parâmetros de processamento e do projeto da junta”. A Figura 1 mostra a construção de um sistema de soldagem a laser de estado sólido.

Stannard acrescenta:“Como a fonte de calor neste tipo de processo de soldagem é a energia da luz, a refletividade do material de solda deve ser considerada. Por exemplo, ouro, prata, cobre e alumínio requerem um consumo de energia mais intenso. Uma vez derretido, a refletividade é reduzida e a condutância térmica do processo progride para alcançar a penetração.”

Conforme observado, a alta densidade de potência do laser resulta em pequenas zonas afetadas pelo calor e garante que os componentes críticos permaneçam ilesos. Isto tem vantagens particulares para instrumentos cirúrgicos, componentes eletrônicos, conjuntos de sensores e muitos outros dispositivos de precisão. Ao contrário do PCVZ, o BPN não gera raios X e é facilmente manipulado com automação e robótica. Geralmente, o LBW também possui requisitos de ferramentas mais simples e não há restrições físicas de uma câmara de vácuo. Tempos de ciclo mais curtos se traduzem em vantagens de custo sem sacrificar a qualidade. A Tabela 1 lista as vantagens do BPN de onda contínua e pulso.

EBW – Penetração de solda mais profunda e livre de contaminação

Amplamente aceito em muitas indústrias, o EBW permite a soldagem de metais refratários e diferentes que normalmente são inadequados para outros métodos. Conforme mostrado na Figura 2, a peça de trabalho é bombardeada com um fluxo concentrado de elétrons viajando a uma velocidade extremamente alta. A energia cinética dos elétrons é convertida em energia térmica, que por sua vez é a força motriz da fusão. Normalmente, nenhum material de enchimento adicionado é necessário ou usado, e a distorção pós-soldagem é mínima. A densidade de energia ultra-alta permite penetração profunda e altas proporções, enquanto um ambiente de vácuo garante uma solda livre de contaminação atmosférica por gases, o que é fundamental para metais como titânio, nióbio, metais refratários e superligas à base de níquel.
Figura 2. Soldagem por feixe de elétrons
Contudo, a principal necessidade para operar sob vácuo é controlar com precisão o feixe de elétrons. A dispersão ocorre quando os elétrons interagem com as moléculas de ar; diminuindo a pressão ambiente, os elétrons podem ser controlados com mais firmeza.

As câmaras de vácuo modernas são equipadas com vedações de última geração, sensores de vácuo e sistemas de bombeamento de alto desempenho que permitem uma evacuação rápida. Estas características tornam possível focar o feixe de elétrons em diâmetros de 0,3 a 0,8 milímetros.

Ao incorporar o que há de mais moderno em controle numérico computadorizado (CNC) microprocessado e sistemas de monitoramento para manipulação superior de peças, peças de vários tamanhos e massas podem ser unidas sem fusão excessiva de componentes menores. O controle preciso do diâmetro do feixe de elétrons e da velocidade de deslocamento permite que materiais de 0,001” a vários centímetros de espessura sejam fundidos. Estas características tornam o EBW uma tecnologia extremamente valiosa.

O processo coloca uma quantidade mínima de calor na peça de trabalho, o que produz a menor quantidade possível de distorção e permite que componentes usinados de acabamento sejam unidos sem processamento adicional. A Tabela 2 lista as principais vantagens da soldagem EB.

De acordo com John Rugh, gerente geral de marketing e vendas da PTR-Precision Technologies, Inc., baseada em Enfield CT, o EBW é um processo que estará em uso por muito tempo. “Como a maior parte da soldagem EB é realizada dentro de uma câmara de vácuo, é uma excelente opção para unir materiais avançados usados ​​em indústrias como aeroespacial, geração de energia, médica e nuclear, que precisam ser produzidos em um ambiente de vácuo para protegê-los do oxigênio e do nitrogênio encontrados em um ambiente ao ar livre.”

Ele acrescenta:"A limpeza do ambiente de soldagem é uma variável com a qual você simplesmente não precisa se preocupar. Além de fornecer o ambiente de soldagem ideal, os novos controles de soldagem EB permitem uma rápida deflexão eletromagnética do feixe, o que permite que a entrada de calor da solda e da área circundante seja personalizada para obter propriedades ideais do material."
O bocal de alimentação coaxial contínua de pó permite o revestimento a laser multidirecional onde é necessária alta eficiência de pó. Também oferece excelentes capacidades de proteção atmosférica para materiais altamente suscetíveis à oxidação extrema, como o titânio.
Por exemplo, esta deflexão rápida permite o pré-aquecimento, a soldagem e o pós-aquecimento simultaneamente, apenas movendo rapidamente a localização do feixe, o foco e os níveis de potência. Isto proporciona a capacidade de soldar ligas difíceis ou “impossíveis de soldar”.

De acordo com Geoffrey Young, gerente geral da Cambridge Vacuum Engineering, com sede em Massachusetts, “as peças EBW requerem um mínimo de usinagem pós-soldagem e tratamento térmico e, ao contrário de outros processos de soldagem por fusão, o EBW não requer gases de proteção”. Ele acrescenta:“A qualidade da solda é excepcional, o processo é extremamente eficiente (normalmente 95%), todos os parâmetros do processo são cuidadosamente controlados e o processo é totalmente automatizado”.

O melhor dos dois mundos

De acordo com John Rugh, LBW é comumente usado para soldar componentes de chapa de aço e componentes usinados com espessura de 1/3 a 1⁄2 polegadas. A soldagem a laser também é útil para unir peças que não são adequadas para processamento dentro de uma câmara de vácuo.

“Algumas peças e seus acessórios de soldagem associados podem ser grandes demais para caber nas câmaras de soldagem EB disponíveis”, disse Rugh. “Além do tamanho, se os componentes a serem soldados contiverem líquidos que possam interferir no bombeamento a vácuo, a soldagem a laser seria uma boa escolha.” Leva alguns minutos para evacuar uma câmara de soldagem EB e esse tempo pode não valer a pena para uma solda menos sensível.

Se os componentes forem de alto valor, feitos de um material que se beneficiaria do ambiente de vácuo, como ligas de titânio e níquel, as soldas forem mais profundas do que 1/3 a 1/2 polegada ou se o feixe de laser tiver dificuldade de acoplamento com o material a ser soldado, como ligas de alumínio, a soldagem EB é frequentemente o processo de escolha em relação à soldagem a laser.

Embora cada tecnologia tenha seus benefícios, em termos práticos, muitos projetos de componentes incorporam soldas EB e a laser. Nestes casos, realizar ambos os tipos de soldagem na mesma instalação agiliza definitivamente o processo de fabricação.

Este artigo foi escrito por John Lucas, Técnico de Desenvolvimento de Processos, Joining Technologies (East Granby, CT). Para mais informações, entre em contato com John em Este endereço de e-mail está protegido contra spambots. Você precisa ativar o JavaScript para visualizá-lo ou visite http://info.hotims.com/34454-200  .