Soldagem a Laser Plasma Feixes

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INSTITUTO POLITÉCNICO CENTRO UNIVERSITÁRIO UNA 
ENGENHARIA MECÂNICA
PROJETO APLICADO SISTEMAS AUTOMOTIVOS
	
BRUNA LUIZA LIMA GONÇALVES
DOUGLAS DE OLIVEIRA CAMARGOS
FLÁVIA GONÇALO GOMES
JHONATTA DE SOUZA LIMA
MARCOS PAULO SOUZA
RAFAEL CORREA IMBUZEIRO
ROBSON SANTANA ANDRADE DAMAS
SAMUEL SOARES GONÇALVES
	SOLDAGEM A LASER, PLASMA E ELETRO FEIXE 
	Belo Horizonte
2017
DEFINIÇÃO
Light Amplification by Stimulated Emition of Radiation (Laser) é a amplificação da luz através da emissão estimulada de radiação, ou seja, um feixe de radiação produzido por um dispositivo.
A soldagem a laser (Laser Beam Welding, LBW) é um processo de união baseado na fusão localizada da junta através de seu bombardeamento por um feixe de luz concentrada coerente e monocromática de alta intensidade. Este feixe de alta intensidade é suficiente para fundir e vaporizar parte do material da junta no ponto de entrada do feixe no material, causando um furo (keyhole) que penetra profundamente no metal de base. 
É um processo autógeno, assim a probabilidade de ter contaminações na peça é muito menor do que os processos de soldagem a arco.
Funcionamento 
A tensão no veículo aumenta a energia dos átomos, emitindo uma luz. Está é amplificada e guiada por espelhos para o foco.
MODOS DE SOLDAGEM A LASER
POR CONDUÇÃO
Método utilizado para soldar peças com pequena espessura e baixa energia. Nesse caso, a energia não é suficiente para a vaporização do material e formação do plasma, mas apenas para a fusão dele. Esse processo é muito semelhante aos processos convencionais e dissipa calor lateralmente, formando um cordão no formato parecido com um V e formando pequenos cordões com baixas profundidades.
KEY-HOLE
Chamada também por soldagem por penetração profunda ocorre quando o LASER interage com o material e além de fundi-lo, forma uma coluna, que é o chamado key-hole, de vapores metálicos que avançam para o interior da peça. Esse vapor formado permite uma melhor transferência de energia do LASER para a peça. Com esse processo o cordão formado é semelhante a um furo e como o nome já diz, podem ser alcançadas grandes profundidades, podendo então soldar chapas mais espessas.
TRANSFERÊNCIA PULSADA
Como o objetivo de aumentar a potência e a penetração é utilizado a transferência pulsada. O equipamento fornece potência em dois diferentes patamares, semelhante ao TIG com corrente pulsada. Mais utilizado em alumínios e cobre. 
APLICAÇÃO
Por proporcionar uma excelente qualidade de radiação, a soldagem a laser é aplicada em diversas áreas, especificando na área metal- mecânica, podemos citar os seguintes:
Corte e furação de peças de geometrias complexas
Soldagem de baterias de lítio
Marcação de instrumentos de medição
Tratamento térmico de componentes
O corte e furação totalizam basicamente 60% de todos os trabalhos, a soldagem 25% , marcação dos instrumentos 10% , tratamentos térmicos 5 %.
Lasers adequados para soldagem incluem granada de alumínio de ítrio dopada com neodímio pulsado, fibra e diodo. Cada um oferece recursos únicos que se alinham a aplicativos específicos.
Mais recentemente, as lâminas de fibra desenvolvidas oferecem uma excelente flexibilidade na adaptação das dimensões de solda e dos melhores desempenhos de penetração por watt, que permite a soldagem de costura de alta velocidade. O laser de fibra é escalável, com poderes laser disponíveis a níveis de multi quilowatts usados ​​para soldagem por penetração
O laser de diodo é uma tecnologia laser bem estabelecida que foi usada para soldagem de plástico, nomeadamente na indústria automotiva para soldagem da caixa da luz traseira. Soldagem de plásticos com lasers é uma área de crescimento atual. Mais recentemente, o laser de diodo tornou-se disponível em multiníveis de kilowatt adequados para soldagem de metais.
VANTAGENS
A soldagem a laser possui um aporte de energia muito concentrado, produzindo uma solda estreita e profunda. A penetração é facilmente controlada pelo ajuste dos principais parâmetros, como potência e taxa de pulso. Fazendo isto, é possível executar uma solda interna ou externa nos painéis do automóvel, sem distorções ou descoloração da parte externa do painel. Em algumas aplicações, o uso do robô para laser de C02 tem propiciado movimentação e posicionamento muito precisos sobre a peça de trabalho. Esta vantagem da soldagem com laser é que tem propiciado a popularização de sua utilização na indústria automobilística.
Algumas vantagens do processo de soldagem a laser são:
Aporte de energia concentrado;
Minimização dos efeitos metalúrgicos sofridos pela zona afetada pelo calor;
Muito menos distorções;
Soldagens em um único passe;
Não requer metal de adição;
Livre de eventuais contaminações;
Facilidade em soldar locais de difícil acesso, uma vez que não há contato com a peça;
Soldagem de peças muito finas;
Possibilidade de automatização do processo;
Eliminação de flange, necessário quando se solda por resistência;
Aumenta a integridade estrutural do material.
Em chapas metálicas o interesse tem aumentado consideravelmente, por apresentar uma alta redução de custos. Baseando – se nessa área as vantagens são:
Alta flexibilidade do processo;
Não existe contato com a peça;
Resultado de soldas de qualidade com altas velocidades;
Inexistência de retrabalho;
Soldagem de um só lado, o que propicia novas soluções em projetos.
DESVANTAGENS
	A soldagem a laser enfrenta problemas de expansão devido ao alto investimento inicial comparado ao dos processos convencionais, além disso, o sistema a laser é visto como complexo e de alto custo. Entre as desvantagens podemos destacar: 
Baixa eficiência, aproximadamente menor que 10%.
Dificuldade para mudar o ponto focal.
Baixa potência do equipamento, que limita a espessura.
Problemas com refletividade em alguns materiais.
 Estreitas tolerâncias de ajuste das juntas.
Enquanto as instalações de soldagem a laser continuam a aumentar em número, os problemas aumentam também, na mesma proporção. Por exemplo, para guiar o raio laser, é preciso empregar sistemas robotizados e ópticos flutuantes ou articuladas com sistemas de espelhos refletores em braços de robôs. Fibras ópticas não podem ser usadas atualmente por laser de alta potência de dióxido de carbono.
As juntas para o raio laser devem ter tolerâncias muito estreitas. A focalização do raio deve ser perpendicular à superfície e a posição da distância focal deve ser exata e mantida durante todo o tempo. Isto requer um sistema de sensores de alto desempenho e em alguns casos também um sistema de sensoriamento por contato.
O alto nível de automação requer produção em larga escala, com mão-de-obra especializada. O alto custo do sistema, embora esteja decaindo lentamente, à uma razão de 7% ao ano, requer uma cuidadosa análise econômica para os benefícios das aplicações oferecidas.
Soldagem a Plasma 
Tem como definição ser o quarto estado da matéria, sendo os outros estados liquido, solido e gasoso. A diferença básica entre esses estados é o nível de energia entre eles. 
Ao se adicionar mais energia, as propriedades são modificadas (temperatura e características elétricas). Esse processo se chama ionização, criação livre de elétrons e ínos entre átomos do gás. Quando isso ocorre o gás se torna um plasma, eletricamente condutor.
O processo de soldagem a arco com Plasma (PAW) é um processo de soldagem que produz coalescência dos metais, pelo aquecimento com um arco constrito entre o eletrodo e a peça de trabalho (arco transferido) ou entre o eletrodo e o bocal constrito da tocha (arco não transferido). A proteção é obtida do gás quente e ionizado, proveniente da tocha. Este gás é usualmente suprido por uma fonte auxiliar de gás de proteção. O gás de proteção deve ser um gás inerte ou uma mistura de gases inertes. O metal de adição pode ou não ser usado.
Funcionamento 
Em uma tocha plasma a ponta do eletrodo é recolhida em um bocal, do qual o gás flui.O gás ioniza ao passar pelo arco elétrico formando o plasma. Aquecido dentro do bocal, o plasma sofre uma enorme expansão. Quando fora do bocal, os íons recombinam-se para voltar ao estado gasosos liberando uma energia. Essa energia é utilizada para fundir o metal base e o metal de adição.
Vantagens 
Maior estabilidade do arco em baixos níveis de correntes, permitindo a soldagem de finas espessuras (0,005mm);
Arco mais homogêneo e de maior extensão, permitindo melhor visibilidade operacional, maior constância da poça de fusão e menor sensibilidade a variação no comprimento do arco;
Menor probabilidade de contaminação do cordão por inclusões de tungstênio e de contaminação do eletrodo pela matéria de adição (que encontra se dentro do bocal).
Desvantagens 
Alto custo do equipamento;
Manutenção da pistola mais frequente e cara;
Maior consume de gases;
Exigência de maior qualificação da mão de obra.
Soldagem Por Feixes Elétrons (EBW)
Feixe de elétrons de soldagem (EBW) é um processo de união baseado na fusão localizada da junta através de seu bombardeamento por um feixe de elétrons de alta velocidade.
 A soldagem EBW é um processo chamado de alta intensidade porque uma grande quantidade de energia é emitida em curto espaço de tempo, de modo que o impacto dos elétrons sobre o material a ser trabalhado produz calor.
Devido às diferentes possibilidades de aplicar o calor sobre a peça, convergindo-o ou espalhando-o por meio de mecanismos ópticos, é possível utilizar o feixe eletrônico de diferentes formas, como por exemplo: soldagem, corte, tratamento superficial e micro-usinagem.
 É importante destacar, porém, que os processos de corte, tratamento superficial e micro-usinagem por feixe de elétrons ainda não competem técnica e economicamente com os outros existentes. Por enquanto, o feixe de elétrons é utilizado quase que unicamente em soldagem.
Funcionamento 
O feixe é emitido por um canhão eletrônico e focalizado, através de lentes eletromagnéticas.
Durante o bombardeamento, parte da energia cinética dos elétrons é convertida em calor, fundindo e vaporizando parte do material da junta e criando um furo (keyhole) através do material. 
Quando o furo é movido ao longo da junta, o material liquido flui em torno do mesmo e se solidifica na parte posterior da poça formando a solda.
O processo de soldagem por feixe de elétrons pode ser aplicado em quase todos os materiais, em juntas de metais dissimilares e em várias faixas de espessura, permitindo alta precisão e alta velocidade de soldagem.
Vantagens 
Baixo "heat input" ou aporte de calor com que este processo efetua as soldagens;
Possibilidade de soldar materiais com espessuras elevadas;
Obtenção de cordão com pequena largura em relação à profundidade atingida;
Menores tensões residuais;
Qualidade metalúrgica da solda superior à de outros processos devido à ausência de ar e possibilidade de soldagem em locais de difícil acesso ou inacessíveis.
Desvantagens 
Emissão de raios X;
Exigência de vácuo;
Limitação do tamanho da peça, o qual está vinculado ao tamanho da câmara de vácuo;
Equipamento caro, pode custar mais de US$1.000.000,00;
Conclusão
Concluímos que a vantagem do sistema laser consiste no fato de que a solda é pontual e pode ser feita com a mesma liga metálica utilizada na peça protética. Nos processos convencionais, o calor usado para o derretimento do metal é transmitido para a peça inteira, o que pode gerar distorções, além disso, para realizar o ponto de solda é utilizada uma liga diferente da liga da estrutura principal, com um ponto de fusão mais baixo, o que pode gerar uma região de fragilidade. Outro ponto positivo da solda a laser é que todo o processo é feito em uma câmara com atmosfera de argônio, que impede a oxidação do metal, e diminui a porosidade da massa metálica.
 A soldagem a plasma é um processo muito parecido com o TIG, basicamente tratando – se de um desenvolvimento da soldagem TIG visando um aumento de produtividade. 
Na soldagem por feixe de elétrons a forma de operação permite obter cordões de solda com uma elevada razão penetração/largura (de até 30:1) e com velocidades de até 200 mm/s. A baixa energia de soldagem resultante, minimiza problemas de distorção e contração da junta e permite trabalhar com peças já usinadas. Permite também soldar mais facilmente metais dissimilares de condutividade térmica diferente desde que estes tenham compatibilidade metalúrgica.
Referência Bibliográfica 
INFOSOLDA. SOLDAGEM A LASER - CARACTERÍSTICAS DO PROCESSO. Disponível em: < http://www.infosolda.com.br/biblioteca-digital/livros-senai/processos/190-soldagem-a-laser.html >. Acesso em 21 de outubro de 2017. 
INFOSOLDA. SOLDAGEM A LASER - TÉCNICAS DE SOLDAGEM. Disponível em: < http://www.infosolda.com.br/biblioteca-digital/livros-senai/processos/193-soldagem-a-laser-tecnicas-de-soldagem.html>. Acesso em 23 de outubro de 2017.
MARQUES, PAULO; MODENESI, PAULO. Soldagem I - Introdução aos Processos de Soldagem. Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) – Departamento de Engenharia Metalúrgica. Belo Horizonte, 2000.