A soldagem a laser é um dos aspectos importantes da aplicação da tecnologia de processamento a laser, sendo também a tecnologia de soldagem mais promissora e atraente do século XXI. Comparada aos métodos de soldagem tradicionais, a soldagem a laser apresenta diversas vantagens, como maior qualidade de soldagem e maior eficiência. Atualmente, a tecnologia de soldagem a laser é amplamente utilizada em diversos setores, como manufatura, metalurgia do pó, indústria automotiva, indústria eletrônica, biomedicina e outros.
De acordo com o mecanismo de formação da poça de fusão, a soldagem a laser possui dois mecanismos básicos: soldagem por condução térmica e soldagem por penetração profunda (pequeno furo). O calor gerado na soldagem por condução térmica se difunde para a peça de trabalho por meio de transferência térmica, fundindo a superfície da solda, praticamente sem vaporização. Esse método é frequentemente utilizado na soldagem de componentes de paredes finas em baixa velocidade. A soldagem por penetração profunda vaporiza o material e forma uma grande quantidade de plasma. Devido ao calor intenso, podem surgir furos na extremidade frontal da poça de fusão. A soldagem por penetração profunda permite soldar a peça de trabalho completamente, com alta energia de entrada e alta velocidade de soldagem, sendo o modo de soldagem a laser mais utilizado.
Existem muitos parâmetros de processo que afetam a qualidade da soldagem a laser, como densidade de potência, forma de onda do pulso de laser, desfocagem, velocidade de soldagem e gás auxiliar de sopro.
1. Densidade de potência do laser: A densidade de potência é um dos parâmetros mais críticos no processamento a laser. Com uma densidade de potência mais alta, a camada superficial pode ser aquecida até o ponto de ebulição em questão de microssegundos, gerando uma grande quantidade de vaporização. Portanto, a alta densidade de potência é muito vantajosa para processos de remoção de material, como puncionamento, corte e gravação. Para baixa densidade de potência, leva vários milissegundos para a temperatura da superfície atingir o ponto de ebulição e, antes que a camada superficial vaporize, a camada inferior atinge o ponto de fusão, o que facilita a formação de uma boa solda por fusão. Portanto, na soldagem a laser por condução de calor, a faixa de densidade de potência é de 10⁴ a 10⁶ W/cm².
2. Forma de onda do pulso de laser
A forma de onda do pulso de laser não é apenas um parâmetro importante para distinguir a remoção de material da fusão, mas também um parâmetro chave para determinar o volume e o custo do equipamento de processamento. Quando o feixe de laser de alta intensidade incide sobre a superfície do material, esta apresenta uma reflexão e perda de energia de 60 a 90%, especialmente em materiais como ouro, prata, cobre, alumínio e titânio, que possuem forte reflexão e rápida transferência de calor. A refletância de um metal varia com o tempo durante o pulso de laser. Quando a temperatura da superfície do material atinge o ponto de fusão, a refletividade diminui rapidamente e, quando a superfície está em estado de fusão, a refletividade se estabiliza em um determinado valor.
3. Largura do pulso A largura do pulso é um parâmetro importante na soldagem a laser pulsado. Ela é determinada pela profundidade de penetração e pela zona afetada pelo calor. Quanto maior a largura do pulso, maior a zona afetada pelo calor, e a profundidade de penetração aumenta com metade da potência do pulso. No entanto, o aumento da largura do pulso reduz a potência de pico, sendo geralmente utilizado para soldagem por condução de calor, resultando em uma solda mais larga e rasa, especialmente adequada para soldagem de chapas finas e grossas sobrepostas. Por outro lado, uma potência de pico menor resulta em excesso de entrada de calor, e cada material possui uma largura de pulso ideal que maximiza a penetração.
4. A soldagem a laser com desfocagem geralmente requer um certo grau de desfocagem, pois a densidade de potência do laser no centro do ponto focal é muito alta, podendo facilmente evaporar e formar orifícios. A distribuição da densidade de potência é relativamente uniforme em cada plano afastado do foco do laser. Existem dois métodos de desfocagem: desfocagem positiva e desfocagem negativa. Se o plano focal estiver localizado acima da peça de trabalho, trata-se de desfocagem positiva; caso contrário, trata-se de desfocagem negativa. De acordo com a teoria da óptica geométrica, quando a distância entre os planos de desfocagem positiva e negativa e o plano de soldagem é igual, a densidade de potência no plano correspondente é aproximadamente a mesma, mas o formato da poça de fusão obtida é diferente. No caso da desfocagem negativa, pode-se obter maior penetração, o que está relacionado ao processo de formação da poça de fusão.
5. Velocidade de soldagem: A velocidade de soldagem determina a qualidade da superfície soldada, a penetração, a zona afetada pelo calor, etc. A velocidade de soldagem afeta a entrada de calor por unidade de tempo. Se a velocidade de soldagem for muito lenta, a entrada de calor será muito grande, resultando na perfuração da peça. Se a velocidade de soldagem for muito rápida, a entrada de calor será muito pequena, resultando em uma soldagem opaca. Reduzir a velocidade de soldagem geralmente é usado para melhorar a penetração.
6. Gás protetor auxiliar: O gás protetor auxiliar é um processo essencial na soldagem a laser de alta potência. Por um lado, evita que o material metálico seja pulverizado e contamine o espelho de focalização; por outro, impede que o plasma gerado durante a soldagem se concentre excessivamente, evitando que o laser atinja a superfície do material. No processo de soldagem a laser, hélio, argônio, nitrogênio e outros gases são frequentemente utilizados para proteger a poça de fusão, protegendo a peça de trabalho da oxidação. Fatores como o tipo de gás protetor, a vazão de ar e o ângulo de sopro influenciam significativamente o resultado da soldagem. Diferentes métodos de sopro também afetam a qualidade da solda.
O hélio não se ioniza facilmente (possui alta energia de ionização), permitindo que o laser passe suavemente e que a energia do feixe atinja a superfície da peça sem impedimentos. Este é o gás de proteção mais eficaz usado na soldagem a laser, mas seu preço é relativamente alto. O argônio é mais barato e mais denso, oferecendo melhor proteção. No entanto, ele se ioniza facilmente pelo plasma metálico de alta temperatura, desviando parte do feixe da peça, reduzindo a potência efetiva do laser na soldagem, além de prejudicar a velocidade e a penetração da solda. As superfícies das soldas protegidas por argônio são mais lisas do que as protegidas por hélio. O nitrogênio é o gás de proteção mais barato, mas não é adequado para alguns tipos de soldagem de aço inoxidável, principalmente devido a problemas metalúrgicos, como a absorção, que às vezes cria poros na zona de sobreposição.
Como uma nova tecnologia de soldagem, a soldagem a laser apresenta características como alta densidade de energia, alta velocidade, alta precisão, penetração profunda e grande adaptabilidade. Sua aplicação é cada vez mais ampla, podendo não apenas melhorar a eficiência da produção, mas também a qualidade da soldagem. A tecnologia de soldagem a laser certamente desempenhará um papel ainda mais importante no campo do processamento de materiais.
Data da publicação: 28/03/2023
