Solda a Laser vs. Solda a Feixe de Elétrons: Escolhendo o Processo Ideal para Suas Aplicações

Defensores de solda a laser (LBW) e solda a feixe de elétrons (EBW) cada um proclamam os louvores singulares de sua tecnologia favorecida, mas frequentemente a melhor solução para um cliente é usar ambas as tecnologias juntas. Ambos os processos são bem adequados para unir componentes com geometrias complexas, e capazes de atender às demandas mais rigorosas para características metalúrgicas da montagem final.

Usar ambas tecnologias de laser e feixe de elétrons em uma única instalação pode agilizar o processo de fabricação quando o design de um componente incorpora múltiplas juntas de solda separadamente adaptadas para um processo ou outro. Exemplos incluem sensores, dispositivos médicos e produtos que requerem gás inerte ou vácuo selado dentro da peça finalizada.

Processamento a laser é requerido ou quando o tamanho da montagem final é muito grande para uma câmara de solda EB, algum componente em uma montagem é incompatível com processamento a vácuo (como líquido ou gás), ou quando a solda é inacessível a uma fonte de feixe de elétrons. Feixe de elétrons será a escolha primária quando a montagem finalizada deve ser selada com componentes internos sob vácuo, quando penetrações de solda excedem 1/2", quando o material é desafiador para iniciar acoplamento a laser, ou quando a solda não deve ser exposta a condições atmosféricas até que tenha esfriado a uma temperatura aceitável. Exemplos são 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

Fontes de energia de solda a laser utilizam ou saída de onda contínua (CW) ou pulsada de fótons. Com sistemas CW, o feixe de laser está sempre ligado durante o processo de soldagem. Sistemas pulsados são modulados para emitir uma série de pulsos com tempo off entre esses pulsos. Com ambos métodos, o feixe de laser é opticamente focalizado na superfície da peça a ser soldada. Estes feixes de laser podem ser entregues diretamente à peça via ópticas rígidas clássicas, ou através de cabo de fibra óptica altamente flexível capaz de entregar energia do laser a estações de trabalho distantes.

É a alta densidade de energia do laser que permite a superfície do material ser trazida à sua temperatura de liquidação rapidamente, permitindo um tempo de interação do feixe curto comparado a métodos de soldagem tradicionais como GTAW (soldagem TIG) e processos similares. Energia é assim dada menos tempo para dissipar no interior da peça. Isso resulta em zona termicamente afetada estreita e menos débito de fadiga ao componente.

Saída de energia do feixe pode ser altamente controlada e modulada para produzir perfis de pulso arbitrários. Costuras de solda podem ser produzidas sobrepondo pulsos individuais, o que reduz entrada de calor introduzindo um breve ciclo de resfriamento entre pulsos, uma vantagem para produzir soldas em materiais sensíveis ao calor.

Salay Stannard, engenheira de materiais para Joining Technologies, inovadora baseada em East Granby, CT em revestimento a laser, solda a feixe de elétrons e aplicações de solda a laser, nota que lasers CW podem atingir penetrações até e excedendo 0,5 polegadas, enquanto lasers pulsados tipicamente atingem apenas 0,030-0,045 polegadas. Ela diz, "Estes resultados podem variar entre sistemas a laser e são amplamente dependentes de escolha de parâmetros de processamento e design da junta." Figura 1 retrata a construção de um sistema de solda a laser de estado sólido.

Stannard adiciona, "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 entrada de energia mais intensa. Uma vez derretido, a refletividade é reduzida e a condutância térmica do processo progride para atingir penetração."

Como notado, a alta densidade de potência do laser resulta em pequenas zonas termicamente afetadas e garante que componentes críticos não sejam danificados. Isso tem vantagem particular para instrumentos cirúrgicos, componentes eletrônicos, montagens de sensores e muitos outros dispositivos de precisão. Diferente de EBW, LBW não gera raios-X e é facilmente manipulada com automação e robótica. Geralmente, LBW tem requisitos de ferramentas mais simples também, e não há restrições físicas de uma câmara de vácuo. Tempos de ciclo mais curtos traduzem vantagens de custo sem sacrificar qualidade. Tabela 1 lista as vantagens de LBW onda contínua e pulsada.

EBW – Penetração de Solda Mais Profunda e Livre de Contaminação

Amplamente aceita em muitas indústrias, EBW permite soldagem de metais refratários e dissimilares que são tipicamente inadequados para outros métodos. Como mostrado na Figura 2, a peça é bombardeada com um feixe focalizado de elétrons viajando a velocidade extremamente alta. A energia cinética dos elétrons é convertida em energia de calor, que por sua vez é a força motriz para fusão. Geralmente nenhum material de enchimento adicionado é requerido ou usado, e distorção pós-soldagem é mínima. Ultra-alta densidade de energia permite penetração profunda e altas razões de aspecto, enquanto ambiente de vácuo garante solda livre de contaminação por gás atmosférico que é crítica para metais como titânio, nióbio, metais refratários e superligas baseadas em níquel.

No entanto, a principal necessidade de operar sob vácuo é controlar o feixe de elétrons precisamente. Espalhamento ocorre quando elétrons interagem com moléculas de ar; abaixando a pressão ambiente elétrons podem ser mais firmemente controlados.

Câmaras de vácuo modernas são equipadas com vedação de ponta, sensores de vácuo e sistemas de bombeamento de alto desempenho permitindo evacuação rápida. Estas características tornam possível focalizar o feixe de elétrons a diâmetros de 0,3 a 0,8 milímetros.

Incorporando o mais recente em Controle Numérico Computadorizado (CNC) microprocessado e monitoramento de sistemas para manipulação superior de peças, peças de vários tamanhos e massas podem ser unidas sem derretimento excessivo de componentes menores. O controle preciso de tanto o diâmetro do feixe de elétrons quanto a velocidade de deslocamento permite materiais de 0,001" a várias polegadas de espessura serem fundidos juntos. Estas características tornam EBW uma tecnologia extremamente valiosa.

O processo coloca uma quantidade mínima de calor na peça, que produz a menor quantidade possível de distorção e permite componentes acabados usinados serem unidos juntos sem processamento adicional. Tabela 2 lista as principais vantagens da solda EB.

Segundo John Rugh, gerente de marketing e vendas gerais da PTR-Precision Technologies, Inc. baseada em Enfield CT, EBW é um processo que estará em uso por muito tempo. "Como a maioria da solda EB é realizada dentro de uma câmara de vácuo, é um excelente ajuste para união de materiais avançados usados em indústrias como aeroespacial, geração de energia, médica e nuclear, que precisam ser produzidos em ambiente de vácuo para protegê-los de oxigênio e nitrogênio encontrados em ambiente de ar aberto."

Ele adiciona, "A limpeza do ambiente de soldagem é uma variável que você simplesmente não tem que se preocupar. Além de fornecer o ambiente de soldagem ideal, novos controles de solda EB permitem desvio eletromagnético rápido do feixe, o que permite a entrada de calor da solda e área circundante ser personalizada para propriedades de material ótimas."

Por exemplo, este desvio rápido permite pré-aquecimento, soldagem e pós-aquecimento simultaneamente apenas movendo rapidamente a localização do feixe, foco e níveis de potência. Isso fornece a capacidade de soldar ligas "difíceis ou impossíveis de soldar".

Segundo Geoffrey Young, gerente geral da Cambridge Vacuum Engineering baseada em Massachusetts, "Peças EBW requerem mínimo de usinagem pós-soldagem e tratamento térmico e, diferente de outros processos de soldagem por fusão, EBW não requer gases de proteção." Ele adiciona, "A qualidade da solda é excepcional, o processo é extremamente eficiente (tipicamente 95 por cento), todos os parâmetros do processo são cuidadosamente controlados e o processo totalmente automatizado."

O Melhor dos Dois Mundos

Segundo John Rugh, LBW é comumente usada para soldar componentes de chapa de aço e componentes usinados sob 1/3 a 1/2 polegadas de espessura. Solda 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 muito grandes para caber nas câmaras de solda EB disponíveis", disse Rugh. "Além do tamanho, se os componentes sendo soldados contêm líquidos que interfeririam com bombeamento a vácuo, solda a laser seria uma boa escolha." Leva minutos para evacuar uma câmara de solda EB e esse tempo pode não valer a pena para uma solda menos sensível.

Se componentes são de alto valor, feitos de material que se beneficiaria do ambiente de vácuo como titânio e ligas de níquel, as soldas são mais profundas que 1/3 a 1/2 polegada ou se o feixe de laser tem dificuldade em acoplar com o material sendo soldado, como ligas de alumínio, solda EB é frequentemente o processo de escolha sobre solda a laser.

Enquanto cada tecnologia tem seus benefícios, em termos práticos, muitos designs de componentes incorporam tanto soldas EB quanto a laser. Nestes casos, realizar ambos os tipos de soldagem na mesma instalação definitivamente agiliza o processo de fabricação.