Soldagem a Laser - Trabalho de Tecnologia Metalúrgica

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Processo de 
Soldagem a Laser
UFPE – CTG – Engenharia Mecânica
Tecnologia Metalúrgica
Sumário
1. Introdução
2. O laser
3. Soldagem a laser
4. Parâmetros de controle do processo
5. Variáveis do processo de soldagem
6. Preparação da peça a ser soldada
7. Aplicações
8. Vantagens
9. Limitações
10. Segurança no processo de soldagem a laser
1. Introdução
 O primeiro LASER, um sólido de rubi, excitado por uma 
lâmpada fluorescente de vapor de mercúrio e filamento 
helicoidal, foi construído em 1960 por Maimann. 
Somente alguns anos depois surgiria um LASER de 𝐶𝑂2.
 A luz ou radiação eletromagnética de um LASER 
representa um fluxo luminoso de alta intensidade de 
energia. 
 A energia a LASER não existe na natureza e é produzida 
a partir de algum tipo de fonte de energia, como uma 
lâmpada, que estimula um grande número de elétrons 
em repouso, os quais são capazes de produzir fótons de 
luz e este processo desencadeia uma ação repetida de 
emissão de energia gerando uma luz intensa
2. O laser
 Principais características 
 Raios colimados: todos os raios de luz caminham na 
mesma direção, permitindo que uma grande quantidade 
de energia seja transmitida a um alvo preciso; 
 Luz monocromática: Diferente das luzes naturais, a luz 
do laser apresenta cor única, correspondente ao 
comprimento de onda do espectro eletromagnético, o 
que dará origem a diferentes tipos de aparelho laser
 Raios coerentes: Os raios caminham paralelos no tempo 
e espaço
3. Soldagem a laser
 Processo caracterizado pela fusão localizada da junta 
através de um bombardeamento por feixe de luz 
concentrada, coerente e monocromática de alta 
intensidade
 Devido a qualidade da radiação é possível obter 
características que não são obtidas em outros processos 
como: velocidade de soldagem elevada, ausência de 
contato entre a fonte de calor e a peça que será 
soldada além de baixa entrega térmica e distorção
3. Soldagem a laser
 Os equipamentos utilizados na soldagem podem ser do tipo sólido 
que utiliza, principalmente, o niódio (Nd) dissolvido num processo 
denominado Nd:Yag; ou do tipo gasoso que utiliza CO2 como meio 
ativo e laser do tipo EXCIMER
 Independente do equipamento, a soldagem ocorrerá através da 
interação da radiação do feixe com a matéria, sendo que parte da 
radiação é absorvida e parte refletida. A parte absorvida é 
suficiente para aquecer o material levando-o a fusão ou 
vaporização.
 Em casos de vaporização irá se formar uma coluna de vapores 
metálicos a partir do ponto de interação do feixe com o metal , e 
que avança em direção ao interior da peça. Tal coluna é denominada 
Key-hole e será capaz de absorver grande parte da radiação 
incidente e fará posterior distribuição. Nesse caso, a forma do 
cordão de solda se assemelha a um furo
 Caso a energia seja suficiente apenas para a fusão, a soldagem 
ocorre por condução e o calor será dissipado lateralmente, 
semelhante ao mecanismo das soldagens convencionais. O cordão de 
solda apresentará forma semelhante a um “V”
Desenho esquemático do equipamento de produção a laser
4.Parâmetros de controle
 Potência do feixe
 Está diretamente relacionado com a espessura máxima a ser soldada
 É importante reconhecer o comprimento de onda da radiação emitida já que 
um mesmo comprimento de onda pode soldar facilmente alguns materiais e 
encontrar dificuldades em soldar outros tipos de material
 Lasers de ND:YAG podem fornecer até 500W enquanto sistemas de CO2 podem 
atingir 10 KW 
 Modo do feixe
 Indica o modo que o feixe se relaciona com a potência distribuída ao longo do 
feixe
 O equipamento é formado por espelhos e o laser perde potência em cada 
espelho refletor utilizado
 Permite a relação que determinará a potência máxima e a simetria do feixe
5.Variáveis do processo de 
soldagem
 Potência do raio LASER
• Depende do tipo do LASER (gasoso ou sólido), tipo do material a ser 
soldado, densidade e o diâmetro do raio. 
 Diâmetro do raio incidente
• Responsável pela densidade de energia na peça.
• A relação entre o diâmetro (área de atuação do feixe) e a energia 
(intensidade do feixe) é inversamente proporcional. 
 Velocidade de soldagem
• Se a velocidade for alta: solda estreita e com baixa penetração.
• Se a velocidade for baixa: maior penetração que podem causar fusões 
excessivas e consequentemente evaporação e perda do metal e formação 
de defeitos (porosidade). 
5.Variáveis do processo de 
soldagem
 Gás de proteção
• São usados para corte ou para soldagem
• Quanto mais puro o gás, mais eficiente se torna o processo
• Serve para remoção do plasma formado na fusão ou 
vaporização do material. 
• Obs.: Caso não seja feita a remoção, o plasma absorve e desvia 
o raio laser causando problemas na solda.
• Influencia na penetração 
• Gases mais usados: Hélio (He) e Argônio (Ar)
• O Hélio possui alta condutividade térmica (produz excelente 
acabamento), alto potência de ionização (produz excelente 
supressão de plasma e altas velocidades de soldagem)
5.Variáveis do processo de 
soldagem
 Posição focal
• É o ponto máximo de convergência do feixe.
• Considera-se 1 mm abaixo do nível da superfície da peça como 
sendo ideal, mas pode variar de acordo com a espessura da 
solda.
 Pulso
• Grande usabilidade
• Aumenta a penetração
• Parâmetros: duração [ms] e frequência de pulso [Hz]
 Absorção 
• Depende de propriedades físicas como: calor especifico, 
condutividade térmica e difusão térmica. 
6.Preparação da peça a ser 
soldada
 Deve ser direcionada perpendicularmente ao feixe do laser 
para garantir que toda a densidade será focalizada e 
concentrada em apenas um ponto
 A configuração das juntas a ser soldadas e as tolerâncias 
dimensionais da preparação tem grande importância. Como 
o feixe é colimado, qualquer falha na preparação da junta 
a soldar fará com que o feixe passe pela falha sem interagir 
com a peça.
 Conhecimento das propriedades da peça a ser soldada. 
Como exemplo, a absortividade e a difusão térmica. 
 A absortividade e a difusão térmica determinarão quanto 
de radiação será refletida ou absorvida pela peça e com 
isto determina-se a potência do feixe e se será pulsado ou 
não. 
7.Aplicações
Apenas na área de metal-mecânica podem-se citar: 
 Corte e furação de peças de geometrias complexas (60%)
 Soldagem, por exemplo, de baterias de lítio (25%) 
 Marcação de instrumentos de medição (10%)
 Tratamento térmico de componentes, como por exemplo, 
válvulas de motores de combustão e demais utilizações (5%)
60%
25%
10%
5%
Corte Soldagem Marcação Tratamento Térmico
7. Aplicações
 Outra grande aplicação deste processo ocorre na soldagem 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. 
LSW
 LSW é a abreviação de Laser Screw Welding, a nova tecnologia da Toyota 
para a montagem de automóveis.
 Lasers de baixa temperatura impedem a distorção nos painéis garantindo 
uma precisão superior e construção durável
 A solda é completa em menos de 1 segundo, menos da metade do laser 
convencional.
 É capaz de solucionar problemas de soldagem comuns na união de 
chapas, como os do slide a seguir
Convencional x LSW
LSW
8.Vantagens
O uso do laser como uma fonte de calor para soldagem é 
melhor aplicável amuitos processos convencionais devido 
a: 
 Contribuição térmica elevada à uma área muito pequena. 
Quando a área afetada é pequena, há uma redução no 
tamanho da zona termicamente afetada (ZTA) e como 
resultado uma baixa entrega térmica e distorção da peça.
 É rara a necessidade de uso de metais de adição. 
 A poça da solda produzida possui uma mínima 
contaminação. - devido o laser ser concentrado e preciso e 
raramente necessitar uso de metais de adição.
 O processo facilmente é monitorado e controlado o que 
possibilita a sua automatização. 
8.Vantagens
 Não necessita de vácuo para a realização da solda.
 Alta velocidade atingida durante a soldagem e o 
total confinamento de energia depositada pelo feixe 
no material base.
 Grande potencial de produção de juntas espessas 
com penetração completa com um único passe.
 Alta reprodutibilidade e qualidade da solda 
efetuada.
 Ausência de contato entre a fonte de calor e a peça 
a soldar o que possibilita a soldagem de locais de 
difícil acesso.
 Possibilita soldar materiais dissimilares.
 Não há necessidade de retrabalho.
9.Limitações
O processo de soldagem a laser apresenta algumas 
limitações e desvantagens, entre as quais podem-
se citar:
 A baixa eficiência, aproximadamente menor que 10%
 A dificuldade para mudar o ponto focal
 A baixa potência do equipamento, que limita a espessura
 Os problemas com refletividade em alguns materiais e as 
estreitas tolerâncias de ajuste das juntas.
 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 
fixa durante todo processo; isto requer um sistema de 
sensores de alto desempenho e em alguns casos também 
um sistema de sensoriamento por contato.
9.Limitações
 O alto nível de automação requer produção em 
larga escala, com mão-de-obra especializada.
 O alto custo do sistema, requer uma cuidadosa 
análise econômica para os benefícios das 
aplicações oferecidas.
 A tecnologia 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.
10. Segurança do processo 
soldagem a laser
 Os lasers emitem feixe de luz infravermelho 
concentrado que são altamente prejudiciais a pele e aos 
olhos. (Uso de óculos e aventais)
 Pela interação com a peça é produzido níveis altos de 
radiação ultravioleta. (Produtos inflamáveis devem ficar 
longe)
 Gera fumos que podem apresentar risco respiratório 
para os trabalhadores. (Boa ventilação no ambiente)
10. Segurança do processo 
soldagem a laser
 A soldagem por feixe de elétrons devido ao choque dos 
elétrons com a superfície da peça gera Raios-X, elétrons 
secundários e emissão termo iônica. (Câmara blindada 
contra radiação)
 O manual do fabricante geralmente é a melhor fonte de 
informação de segurança para o uso de cada 
equipamento de soldagem a laser.
 Deve-se observar também a NR-15 (CNEN-NE-3.01)