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PROCESSO DE SOLDAGEM HÍBRIDA LASER-GMAW 
Valdevino Misael Fabro Alves. 
Cursando Engenharia Mecânica. Faculdade da Serra Gaúcha (FSG). misaelfabro@hotmail.com.br. 
 
Professor Avaliador 
Ma. Eng.: Leticia Reinheimer. 
 
Resumo 
Neste artigo, foi apresentado uma visão geral do processo híbrido de 
soldagem a laser-GMAW, com uma breve revisão do fenômeno 
fundamental ocorrendo quando o processo de solda laser interage na 
mesma massa fundida com o Processo de solda arco MIG/MAG. Isto 
é seguido pela caracterização dos parâmetros de processo que regem 
a soldagem híbrida. Ainda uma descrição dos benefícios e 
desvantagens do processo é apresentado, incluindo parâmetros sobre 
a capacidade de solda, mudanças no sentido de soldagem, penetração 
do material, velocidade e solda e a qualidade geral da solda. Seguida 
por alguns exemplos de aplicações industriais. E finalmente, o 
trabalho busca o necessário para entender e compreender o processo 
a fim de utilizar seus benefícios com mais eficiência no futuro. 
Palavras-chave: 
Soldagem. 
Solda Laser- GMAW. 
Processo HLAW. 
. Solda híbrida. 
 
 
 
1. INTRODUÇÃO 
 
 Na última década, com o avanço tecnológico e o desenvolvimento da indústria a busca por 
inovações para diminuir custos e aumentar a produtividade é crescente, com isso novos materiais e 
combinações destes visam diminuir o peso e aumentar resistência de peças e estruturas metálicas 
aplicando novos aços de alta resistência, assim como novas ligas à base de Alumínio (Al) e Titânio 
(Ti). Como consequência, existe o problema de fornecer novas características exigidas de soldas, 
além de alta produtividade e eficiência dos processos de solda, sendo que métodos alternativos 
podem ser utilizados como um diferencial em determinados casos. Neste contexto destaca-se a 
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soldagem híbrida laser-GMAW ou HLAW (Hybrid Laser Arc Welding), com a combinação de duas 
fontes de calor (o feixe laser e o arco elétrico), aliando as vantagens de cada processo isoladamente 
e contornando suas deficiências (ZHIYONG, 2013) onde os processos agem simultaneamente na 
zona de soldagem. 
 A soldagem híbrida laser-GMAW é conhecida desde a década de setenta (STEEN, 1978), 
no entanto este processo foi retomado recentemente, inicialmente as fontes do raio laser tinham 
problemas na adequação para uso industrial, assim como um alto investimento e custos operacionais 
para o equipamento. Resolvido as complicações e com custos acessíveis, estes equipamentos 
complementam a tecnologia convencional utilizada na indústria atualmente. Os benefícios da 
soldagem a laser híbrida são diversos incluindo a melhoria da estabilidade, eficiência, qualidade e 
consumo de energia reduzido. O Laser atual é um misto de alta densidade de energia com um arco 
de boa tolerância de abertura que forma um método eficiente de soldagem (CHEN, XU, XIN, 
ZHAO, WU, ZHANG. 2017). 
 Devido ao seu grande interesse industrial, este artigo tem como objetivo principal descrever 
o processo de soldagem híbrida laser-GMAW de forma a ampliar o conhecimento existente e suas 
possibilidades, ainda pouco conhecidas no meio industrial, assim como a complexidade de 
operação, sincronização e suas variáveis. 
 
2. REFERENCIAL TEÓRICO 
 
 A soldagem híbrida laser-GMAW se baseia na combinação de duas fontes de calor (laser e 
arco elétrico) sobre uma única poça de fusão, associando vantagens de ambas as técnicas e 
resultando em um processo com bom controle geométrico e químico do cordão, além de alta 
produtividade (PETRING, D. 2013). Basicamente, a soldagem híbrida laser-GMAW busca 
maximizar as vantagens e reduzir as desvantagens que apresentam individualmente cada processo 
de soldagem, pois nesta configuração, um arco de soldagem e um raio laser convergem em uma 
única base fundida. Algumas das desvantagens dos processos isolados podem ser solucionadas, 
como a falta de adição de material do laser e a baixa penetração de soldagem a arco. Diversas 
combinações são viáveis, por exemplo: laser de fibra de CO2, Nd: YAG ou Yb com soldagem a 
arco de plasma (PAW), soldagem de gás inerte de tungstênio (TIG / GTAW) ou soldagem de gás 
ativo (MAG / GMAW), embora o laser combinado com MAG é o mais amplamente aplicado 
(MAWELLA, 2005). 
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. 
2.1. Descrições do Processo de Soldagem Híbrida Laser-GMAW 
 
 Ainda que a soldagem híbrida a laser proporcione vantagens em comparação com as soldas 
convencionais a laser e a arco, a combinação dos dois processos por consequência aumenta a 
quantidade de parâmetros a serem controlados. Assim como um certo valor de parâmetro que é 
padrão para o processo isolado, possivelmente não é referência para uma soldagem bem sucedida 
no processo híbrido, pois os parâmetros induzem consideravelmente uns aos outros. Com isso 
justifica-se a importância de um estudo preciso de todos os parâmetros é imprescindível para a 
estabilidade e reproduzir o processo de soldagem. A Figura 2.1.1 mostra o princípio da soldagem 
híbrida laser-GMAW, onde o raio laser mostrado coloca calor adicional no metal de solda 
juntamente com o arco, combinando ambos os processos de soldagem em uma única zona de fusão 
(STAUFER, RHRNL, MIESSBACHER. 2006). 
. 
 
 
Figura.2.1.1: Representação esquemática: soldagem híbrida laser-GMAW. Fonte: Staufer, Rhrnl, Miessbacher, ( 2006). 
 
 Em comparação com os processos individuais, conforme a profundidade de soldagem e a 
velocidade de soldagem são aumentadas o vapor de metal resultante da fusão na cavidade reage no 
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plasma do arco, a absorção da radiação do laser no plasma ativo permanece insignificantemente 
baixa. Dependendo da proporção e o arranjo das duas fontes pode-se dividir o processo da soldagem 
híbrida laser-GMAW em: arc leading (orientado pelo arco), onde o arco é seguido pelo laser 
(Figura 2.1.2-a) e laser leading (orientado pelo laser) a configuração onde o laser é colocado na 
frente do arco elétrico (Figura 2.1.2-b) (CASALINO, 2010). A escolha entre as configurações arc 
leading e laser leading, bem como a distância entre as duas fontes de calor, estão entre as variáveis 
que mais influenciam as características do processo (KAH, SALMINEN, MARTIKAINEN. 2010). 
 
 
Figura 2.1.2: Configurações do processo soldagem hibrida: (a) arc leading; (b) laser leading Fonte: Kah, Salminen e 
Martikainen. 2010. 
 
 Diversos parâmetros influenciam no processo, tanto a penetração quanto na geometria das 
soldas pode-se relacionar o comprimento de onda, potência e diâmetro do feixe, ângulo de 
inclinação do feixe, distância da peça ao foco do feixe (localização do ponto focal), velocidade de 
soldagem, tipo e fluxo dos gases de proteção, entre outros (KATAYAMA, KAWAHITO, 
MIZUTANI. 2010). Conforme a Figura 2.1.3 a geometria do cordão de solda da soldagem híbrida 
laser-GMAW comparada a característica de penetração do laser e MIG, mostra a concavidade no 
cordão de solda laser, enquanto no cordão da solda MIG há um reforço de solda extremo e uma alta 
largura de solda. Para obter a mesma penetração com o processo de soldagem híbrida laser-
GMAW, é necessária metade da velocidade de alimentação do fio, assim, 5.5m / min ao invés dos 
11m / min que seriam necessários para o processo MIG (STAUFER, RHRNL, MIESSBACHER. 
2006). Analisando o cordão de solda híbrida na Figura 2.1.3, observa-se o reforço de solda 
alcançado com a mesma profundidade de penetração. 
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Figura 2.1.3: Comparação entre a geometria da costura dos cordões de solda. Fonte: Staufer, Rhrnl, Miessbacher. 2006. 
 
2.2. Vantagens e Aplicações Industriais do Processo de Soldagem Híbrida Laser-GMAW 
 
 Segundo Nielsen (2011) as vantagens da utilização do processo de soldagem híbrida são: 
aumento na penetração do cordão, aumento na velocidade de soldagem, redução nas taxas de calor 
(com uma estreita zona afetada pelo calor) e melhor energia acoplada ao sistema. Os processos 
híbridos são interessantes, principalmente, em casos em que há limitações nas tolerâncias de 
determinado projeto ou produto, sendo que as mesmas não podem ser cumpridas utilizando-se 
apenas um processo (NIELSEN, 2011). Da mesma forma que o processo apresenta vantagens, o 
mesmo possui algumas desvantagens e limitações. Além do elevado custo de operação, o processo é 
complexo e com mais variáveis quando comparado a processos individuais, possuindo parâmetros 
adicionais como a distância e ângulo entre as tochas dos dois diferentes tipos de soldagem, a relação 
entre as potências e a influência que os parâmetros podem apresentar entre si (NIELSEN, 2011). 
 A soldagem híbrida laser-GMAW propicia vantagens em relação a cada um dos processos 
de forma particular. Em comparação à soldagem laser, proporciona melhor preenchimento de junta, 
maiores tolerâncias na preparação das juntas e melhor controle de ciclos térmicos e composição 
química do cordão de solda. Quando confrontada com a soldagem GMAW, favorece maiores 
velocidades de soldagem, menor aporte térmico, baixos níveis de distorções, menores dimensões da 
ZTA (no processo híbrido a ZTA apresenta dimensões intermediárias aos processos 
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individualmente) e penetração suficiente para possibilitar a soldagem em único passe (PETRING, 
2010). 
 Ao longo dos últimos anos, o processo de soldagem híbrida laser-GMAW entrou em 
aplicações industriais. De um ponto de vista econômico, o processo híbrido permite reduzir a 
potência do laser, se comparado a laser ou soldagem a arco, assegurando ao mesmo tempo alta 
produtividade e baixo custo de soldagem. No entanto, um sistema de soldagem híbrido exige 
elevados custos de investimento, por isso hoje é adotado nos campos industriais focada em tempos 
de fabricação curtas e baixos custos de produção, alta produtividade e alta performances. 
 A técnica de soldagem a laser-MIG é hoje usada por muitas indústrias de automóveis 
(STAUFER, 2005). O processo de soldagem laser híbrida é de grande interesse também para 
indústrias de construção naval em todo o mundo (JASNAU, 2002). Pois problemas com os padrões 
esperados da indústria naval, vários procedimentos foram desenvolvidos para laser-MAG soldagem 
híbrida de articulações que revestem a superfície do aço para evitar a corrosão (LEE, CHANG, 
KWEON, LEE. 2005), outras aplicações possíveis de processos híbridos são relacionados com a 
indústria de transporte ferroviário, pontes plantas de fabricação e químicas. Muitas investigações 
foram realizadas acerca da soldabilidade de materiais, tais como os aços inoxidáveis 
supermartensítico (WALZ, 2001) e ligas à base de Al e Ti, sobre a eficácia de redução de custos 
oferecidos a partir de técnicas híbridas (REUTZEL, 2006). Atualmente, o desafio é desenvolver 
técnicas de soldagem que originem um menor número de passagens, menos tempo de soldagem e 
menor distorção respeitando as exigências. 
 
3. METODOLOGIA 
 
 A metodologia utilizada para o desenvolvimento deste trabalho foi de pesquisa bibliográfica, 
sendo que grande parte do material obtido foi teórico e baseado em pesquisas em artigos técnicos e 
relatórios, nos quais foram coletados os dados essenciais para a melhor compreensão do assunto, 
dentre outras revisões da literatura. 
 De acordo com NORONHA e FERREIRA (2000) as revisões da literatura apresentam-se 
como uma atividade importante para identificar, conhecer e acompanhar o desenvolvimento da 
pesquisa em determinada área do conhecimento. Assim como GIL (1996) descreve que além de 
permitir a cobertura de uma gama de fenômenos geralmente mais ampla do que aquela que poderia 
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ser pesquisada diretamente. Desta forma, foram seguidas as características gerais de uma pesquisa 
bibliográfica. 
 
4. CONSIDERAÇÕES FINAIS 
 
 As técnicas de soldagem híbrida laser-GMAW, envolvem tecnologias de alta produtividade, 
com a velocidade de solda, alta capacidade, baixa carga térmica, soldas de alta espessura, 
acabamento de solda com qualidade e diminuição dos custos de produção entre outras vantagens. 
No entanto, a combinação dos dois processos é um desafio devido ao aumento da complexidade e a 
configuração relativa de alguns parâmetros do processo, a interação entre duas fontes de soldagem 
diferentes precisa ainda de uma profunda compreensão para o controle do processo. Porém devido 
ao crescimento pelo interesse das industrias com a potencialidade da soldagem híbrida em melhorar 
a qualidade da solda, taxa de produção e redução de custos, uma série pesquisas sobre a soldagem a 
laser-arco híbrido tem sido apresentada focando na melhoria de suas capacidades. 
 Pode-se concluir que o processo de soldagem híbrida laser-GMAW, apesar de ser pouco 
conhecido e desenvolvido, possui alto potencial para o uso na produção industrial. Aprimorando e 
ajustando suas vantagens de soldagem, reproduzindo na geometria do cordão de solda um único 
processo de alta penetração do laser e deposição do metal de adição do GMAW, com isso 
resultando uma alta produtividade. 
 
5 REFERÊNCIAS 
 
 CASALINO, G.; DAL MaASO, U.; ANGELASTRO, A.; CAMPANELLI, S.L. Hybrid 
laser welding: A review. DAAAM Int. Sci. Book 2010 
 CHEN, M.; XU, J.; XIN, L.; ZHAO, Z.; WU, F.; MA, S.; ZHANG, Y. Effect of keyhole 
characteristics on porosity formation during pulsed laser-GTA hybrid welding of AZ31B 
magnesium alloy. Opt. Lasers Eng. 2017. 
 GIL, Antônio C. Como elaborar projetos de pesquisa. 3. ed. São Paulo: Atlas, 1996 
 JASNAU, LEE, M.; CHANG, W.; KWEON, Y.; LEE, D. (2005). Laser-MIG 
soldabilidade híbrido de aço de alta resistência para indústria automóvel. Miami (FL), EUA, 
2005. 
 KAH, P.; SALMINEN, A.; MARTIKAINEN, J. The Effect of Relative Location of Laser 
Beam with Arc in Different Hybrid Welding Processes. Mechanika, v. 83, 2010. 
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8 
 KATAYAMA, S.; KAWAHITO, Y.; MIZUTANI, M. Elucidation of Laser Welding 
Phenomena and Factors Affecting Weld Penetration and Welding Defects. Physics Procedia, v. 
5, 2010. 
 LEE, M.; CHANG, W., KWEON, Y., LEE, D.(2005). Laser-MIG hybrid weldability of 
high strength steel for car industry, Laser Materials Processing, Nov. 2005. 
 LIU, L.; LI, C.; SHI, J. Analysis of energy utilisation efficiency in laser-GTA hybrid 
welding process. Sci.Technol. Weld. Join. 2014. 
 L.; HOFFMANN, J.; SEYFFART, P. (2002). Nd: YAG laser - híbrido arco de metal de 
gás solda: uma oportunidade para o uso das vantagens da tecnologia laser e flexível 
automação na construção naval e construção em aço, papel. Xangai, 2002. 
 MAWELLA. J. Development and Evaluation of CO2 Laser-MAG Hybrid Welding for 
DH36 Shipbuilding Steel. Halifax (Nova Scotia, Canada). 2005. 
 NORONHA, Daisy Pires; FERREIRA, Sueli Mara S. P. Fontes de informação para 
pesquisadores e profissionais. Belo Horizonte: UFMG, 2000. 
 NIELSEN, S. E. Hybrid welding of thick section mild steel. FORCE Institute, Brøndby, 
Denmark. 2011. 
 PETRING, D. Developments in Hybridisation and Combined Laser Beam Welding 
Technologies. In: KATAYAMA, S. Handbook of Laser Welding Technologies. Cambridge: 
Woodhead Publishing Limited,2013. 
 PETRING, D. Enhancing Laser Welding Capabilities by Hybridisation or Combination 
with Other Processes. Cambridge: Woodhead Publishing Limited, 2010. 
 REUTZEL, EW; SULLIVAN, MJ, Mikesic, DA. (2006). Juntando tubo com o híbrido 
Laser GMAW Processo: Resultados do teste Weld e Análise de Custo, Soldagem Jornal, 2006. 
 STAUFER, H. (2005). LaserHybrid Soldagem e LaserBrazing: Estado da Arte em 
Tecnologia e Prática pelos Exemplos do Audi A8 e VW-Phaeton, Proceedings. (2005). 
 STAUFER, H.; RHRNL, M.; MIESSBACHER, G.: LaserHybrid Welding and 
LaserBrazing: State of the Art in Technology and Practice by the Examples of the Audi A8 and 
VW-Phaeton. Fronius International GmbH, Wels – Austria. 2006. 
 STEEN. Arc-Augmented Laser Welding. 4th Int. Conf. on Advances in Welding Processes, 
Paper. (1978). 
Área de Inovação e Tecnologia - Artigo 
 
9 
 WALZ, C.; STIEBE, I.; El RAYES, M.; SEFELD, T. (2001). Híbrido Soldagem de aço para 
aplicações offshore, Proceedings of the Eleventh (2001) Internacional Offshore e Polar 
Engenharia Conferência Stavanger , 17-22 junho, Noruega de 2001. 
 ZHIYONG, L.: Coupling of Laser with Plasma Arc to Facilitate Hybrid Welding of 
Metallic Materials, 2013.