Já alguma vez se interrogou sobre a forma como a tecnologia moderna pode revolucionar a soldadura tradicional? Este artigo explora o fascinante mundo da soldadura a laser, destacando os seus benefícios, desafios e aplicações em indústrias desde a aeroespacial à automóvel. Saiba como esta tecnologia de ponta está a transformar a soldadura de ligas de alumínio, oferecendo precisão e eficiência como nunca antes.
A soldadura a laser oferece vantagens significativas em relação aos métodos de soldadura tradicionais, incluindo uma entrada mínima de calor, uma influência térmica reduzida, rácios de aspeto elevados e controlo automatizado do processo. Estas vantagens resultam numa melhor qualidade de soldadura, maior produtividade e maior precisão nas aplicações de união de metais.
As ligas de alumínio são amplamente utilizadas em várias indústrias devido às suas propriedades excepcionais, incluindo a baixa densidade, a elevada relação resistência/peso, a excelente resistência à corrosão e a formabilidade superior. Estas características tornam as ligas de alumínio ideais para aplicações no fabrico de contentores, produção de maquinaria, equipamento de energia eléctrica, componentes da indústria química e estruturas aeroespaciais.
A substituição do aço por ligas de alumínio em estruturas soldadas pode levar a melhorias substanciais no desempenho estrutural geral e na redução de peso. No entanto, o alumínio apresenta desafios únicos na soldadura devido à sua elevada condutividade térmica, baixo potencial de ionização e tendência para formar um óxido de alumínio tenaz (Al2O3) na sua superfície. Esta película de óxido pode impedir a fusão e contribuir para defeitos de soldadura, tais como falta de fusão, porosidade, inclusões e fissuração a quente, comprometendo potencialmente a integridade mecânica da junta soldada.
Em comparação com as técnicas convencionais de soldadura por arco, como a soldadura por arco de tungsténio gasoso (GTAW) ou a soldadura por arco de metal gasoso (GMAW), a soldadura a laser oferece várias vantagens distintas. Estas incluem cordões de soldadura mais estreitos, zonas afectadas pelo calor minimizadas, requisitos de sobreposição de juntas reduzidos, controlo preciso dos parâmetros de soldadura e capacidades de automatização melhoradas. Estas características contribuem para melhorar a qualidade da soldadura, reduzir a distorção e aumentar a eficiência da produção.
Atualmente, a tecnologia de soldadura a laser é amplamente aplicada na união de componentes electrónicos de paredes finas, peças estruturais e componentes aeroespaciais. A trajetória futura da investigação em soldadura a laser centra-se no desenvolvimento e implementação de lasers de fibra de alta potência, particularmente na gama de 10 kW, para a soldadura de penetração profunda de materiais de grande escala e de secção espessa. Este avanço irá expandir as capacidades da soldadura a laser para responder a aplicações mais exigentes nas indústrias pesadas e no fabrico em grande escala.
| Desempenho/tipo | Laser de dióxido de carbono | NdYAG laser | YbYAG Dac laser | Laser de fibra |
|---|---|---|---|---|
| Comprimento de onda / um | 10.6 | 1.06 | 1.06 | 1-2 |
| Eficiência de conversão eléctrica/% | 12-15 | 2-6 | 20 | 8-10 |
| Densidade de potência/(MW/cm-2) | 10 | 10 | 100 | 100 |
| Potência máxima/kW) | 50 | 6 | 15 | 50 |
| Saída do feixe | Lente ótica | Fibra ótica | Fibra ótica | Fibra ótica |
| Absortividade do metal/% | 8 | 20 | 20 | 20 |
| Ciclo de manutenção/hora | 1000 | 1000 | 1ooo | 20000 |
| Brilho do laser (103W/mm2steradiano) (4kW/h) | — | 7.5(distância focal:200; Diâmetro da fibra: 0,6 mm) | 134.2(distância focal:200; Diâmetro da fibra: 0,2 mm) | 264.4 (distância focal:160; Diâmetro da fibra: 0,1 mm) |
Laser de gás CO2
O laser de CO2 utiliza gás dióxido de carbono como meio ativo, emitindo a um comprimento de onda de 10,6 μm. Estes lasers são classificados em tipos de fluxo cruzado e de fluxo axial com base na sua estrutura de excitação. Embora os lasers de CO2 de fluxo cruzado tenham atingido potências de saída impressionantes até 150 kW, a sua qualidade de feixe não é a ideal para aplicações de soldadura de precisão. Em contrapartida, os lasers de CO2 de fluxo axial oferecem uma qualidade de feixe superior, tornando-os adequados para a soldadura de materiais altamente reflectores, como as ligas de alumínio. No entanto, o comprimento de onda mais longo dos lasers de CO2 pode levar a um aumento das zonas afectadas pelo calor e a uma potencial distorção térmica em materiais finos.
YAG Laser de estado sólido
Os lasers de estado sólido utilizam materiais cristalinos ou de vidro como meio ativo, sendo os tipos mais comuns o rubi, o vidro de neodímio e a granada de ítrio-alumínio dopada com neodímio (Nd:YAG). Estes lasers emitem normalmente no comprimento de onda de 1,06 μm. Os lasers YAG oferecem várias vantagens em relação aos lasers de CO2 para a soldadura de metais: maior absorção por superfícies metálicas, redução dos efeitos de proteção do plasma e compatibilidade com a emissão de feixes de fibra ótica. Esta capacidade de fibra ótica permite operações de soldadura flexíveis e uma melhor acessibilidade a geometrias complexas. O comprimento de onda mais curto também permite pontos focais mais pequenos, aumentando potencialmente a densidade de potência e a velocidade de soldadura. Estas características tornaram os lasers YAG a escolha predominante para a soldadura estrutural de ligas de alumínio em muitas indústrias.
Laser de fibra YLR
Desenvolvidos após 2002, os lasers de fibra YLR representam um avanço significativo na tecnologia laser. Estes lasers utilizam fibras ópticas dopadas com iões de terras raras como meio de ganho, emitindo normalmente a cerca de 1,08 μm. A revolucionária estrutura de fibra dupla destes lasers melhora drasticamente a eficiência da bomba e a potência de saída em comparação com os lasers de fibra tradicionais. Os lasers de fibra YLR oferecem inúmeras vantagens em relação aos sistemas YAG, incluindo:
Estas características tornam os lasers de fibra YLR cada vez mais populares para a soldadura de alta precisão de ligas de alumínio, especialmente em aplicações aeroespaciais e automóveis, onde a qualidade da soldadura e a fiabilidade do processo são críticas.
O alumínio e as ligas de alumínio são classificados em sete séries primárias:
Com base nas suas características de processamento, as ligas de alumínio são classificadas em duas categorias principais: ligas de alumínio forjado e ligas de alumínio fundido. As ligas forjadas são ainda subdivididas em ligas não tratáveis termicamente e ligas tratáveis termicamente.
A soldabilidade das ligas de alumínio varia significativamente entre as diferentes séries:
As ligas não tratáveis termicamente (séries 1000, 3000 e 5000) apresentam geralmente uma boa soldabilidade. As ligas da série 4000 demonstram baixa suscetibilidade à fissuração a quente.
No entanto, as ligas da série 5000 com um teor de magnésio superior a 2% tornam-se propensas à fissuração. Embora o aumento do teor de magnésio melhore o desempenho da soldadura, afecta negativamente a ductilidade e a resistência à corrosão da liga.
As ligas tratáveis termicamente (séries 2000, 6000 e 7000) apresentam maiores desafios na soldadura. São mais susceptíveis à fissuração a quente, apresentam uma má formação do cordão de soldadura e sofrem uma redução significativa da resistência devido à dissolução dos precipitados de endurecimento na zona afetada pelo calor (HAZ).
Para obter juntas soldadas de alta qualidade em ligas de alumínio, é crucial implementar técnicas de soldadura apropriadas, selecionar processos de soldadura adequados e utilizar materiais de enchimento compatíveis. A preparação da superfície antes da soldadura é essencial e normalmente envolve:
Para manter a limpeza da superfície, a soldadura deve ser efectuada no prazo de 24 horas após a preparação da superfície. Além disso, recomenda-se a realização de testes de qualificação do procedimento de soldadura para otimizar os parâmetros para combinações específicas de ligas e configurações de juntas.
Desde os anos 90, os avanços significativos na tecnologia laser, particularmente o desenvolvimento de lasers de alta potência e alto brilho, impulsionaram a soldadura a laser para novos patamares de integração, inteligência, flexibilidade e versatilidade. Esta evolução despertou um interesse crescente na aplicação da soldadura a laser a estruturas de ligas de alumínio em várias indústrias a nível mundial.
No sector automóvel, vários fabricantes chineses já incorporaram a tecnologia de soldadura a laser nos seus modelos mais recentes. Como a capacidade de soldar a laser chapas grossas de liga de alumínio continua a melhorar, esta tecnologia está preparada para uma futura implementação em estruturas de veículos blindados, oferecendo potenciais benefícios em termos de relação resistência/peso e eficiência de fabrico.
A procura de um fabrico leve fez com que a soldadura a laser de estruturas em sanduíche de liga de alumínio se tornasse uma área de investigação fundamental para as indústrias de construção naval e ferroviária de alta velocidade. Estas estruturas compósitas oferecem um equilíbrio ótimo entre resistência, redução de peso e gestão térmica, essencial para melhorar o desempenho e a eficiência energética em aplicações marítimas e ferroviárias.
As ligas de alumínio continuam a ser cruciais nas estruturas aeroespaciais, o que levou à investigação intensiva de técnicas de soldadura a laser por parte de países tecnologicamente avançados como o Japão, os Estados Unidos, o Reino Unido e a Alemanha. O foco mudou para a soldadura por laser de fibra e a soldadura híbrida laser-arco, particularmente para a união de chapas espessas e a soldadura de metais diferentes, uma vez que estes métodos oferecem uma qualidade de soldadura superior, uma penetração mais profunda e zonas afectadas pelo calor reduzidas.
A evolução da tecnologia de laser de fibra posicionou a soldadura por laser de fibra e a soldadura híbrida laser-arco na vanguarda da união de ligas de alumínio no fabrico avançado de aviação. Estas técnicas são excelentes em termos de precisão, velocidade e capacidade de soldar geometrias complexas, o que as torna ideais para aplicações aeroespaciais. Um excelente exemplo é o projeto americano NALI (National Aerospace Leadership Initiative), que está a realizar investigação de ponta em soldadura por laser de fibra e soldadura híbrida laser-arco para estruturas de câmaras de combustão em motores de aviões comerciais e de caças Joint Strike Fighter (JSF).
Esta investigação contínua e a implementação de técnicas avançadas de soldadura a laser para ligas de alumínio estão a impulsionar inovações no design estrutural, nos processos de fabrico e no desempenho dos materiais em várias indústrias de alta tecnologia, abrindo caminho para produtos mais leves, mais fortes e mais eficientes nos sectores automóvel, da defesa, marítimo, ferroviário e aeroespacial.
A soldadura a laser de ligas de alumínio oferece vantagens significativas em relação às técnicas convencionais de soldadura por fusão, incluindo uma entrada de calor altamente concentrada, rácios superiores de profundidade e largura da soldadura e deformação estrutural mínima. No entanto, este processo avançado também apresenta desafios únicos:
Em conclusão, embora a soldadura a laser ofereça vantagens atraentes para a união de ligas de alumínio, a concretização de todo o seu potencial exige a resolução destes desafios inerentes. O foco principal no avanço desta tecnologia reside no desenvolvimento de estratégias para mitigar os defeitos de soldadura, melhorar as propriedades da junta e melhorar a estabilidade do processo através de um controlo preciso dos parâmetros de soldadura, de designs de junta inovadores e, potencialmente, da integração de sistemas de monitorização em tempo real e de controlo adaptativo.
A soldadura a laser utiliza o laser como uma fonte de luz de alta densidade que oferece um aquecimento rápido e uma solidificação instantânea, com uma relação de aspeto tão elevada como 12:1. No entanto, devido à elevada refletividade e à boa condutividade térmica das ligas de alumínio, bem como ao efeito de proteção do plasma, é provável que ocorram defeitos durante o processo de soldadura.
Os dois defeitos mais significativos são os poros e as fissuras térmicas. O desafio na soldadura a laser de ligas de alumínio é melhorar efetivamente a absorção da luz laser pelo material devido à sua forte reflexão.
O processo de soldadura por laser para as ligas de alumínio é mais complexa e é crucial melhorá-la e aperfeiçoá-la devido às características da própria liga de alumínio.
Quanto mais elevada for a taxa de absorção do laser pelo material, ou quanto mais baixos forem o coeficiente de transferência de calor e o coeficiente de condutividade térmica, mais facilmente a energia do laser é absorvida pela superfície do material, conduzindo a um rápido aumento da temperatura da superfície e à fusão ou evaporação do material.
A Tabela 1 apresenta a refletividade de vários metais para lasers com diferentes comprimentos de onda.
Quadro 1 Reflectância dos metais a lasers de diferentes comprimentos de onda à temperatura ambiente (%)
| λ/μm | Ag | Al | Cu | Cr | Ni | Aço |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0.7 | 95 | 77 | 82 | 56 | 68 | 58 |
| 1.06 | 97 | 80 | 91 | 58 | 75 | 63 |
| 10.6 | 99 | 98 | 98 | 93 | 95 | 93 |
A refletividade de diferentes metais diminui à medida que o comprimento de onda se torna mais curto, sendo a refletividade da Ag, Al e Cu à luz laser tão elevada como 90% ou mais. Este facto aumenta significativamente a dificuldade de processamento a laser.
À temperatura ambiente, a taxa de absorção de CO2 dos lasers por ligas de alumínio é muito baixa, com 98% da energia laser a ser reflectida pela superfície da liga de alumínio. A refletividade dos lasers Nd:YAG é também de 80%.
É evidente que as ligas de alumínio têm uma elevada refletividade à luz laser e uma baixa taxa de absorção, devido à sua elevada densidade de electrões livres. A forte vibração das ondas electromagnéticas de luz resulta na geração de ondas reflectidas fortes e de ondas transmitidas mais fracas. As ondas reflectidas não são facilmente absorvidas pela superfície da liga de alumínio, o que leva à sua elevada refletividade aos lasers à temperatura ambiente.
No processo de soldadura por laserquando a densidade de energia do laser for superior a 3,5 * 106W/cm2, serão gerados iões. Este método de soldadura é efectuado através de soldadura de penetração profunda e baseia-se no efeito de "pequenos orifícios". A presença de "pequenos furos" aumenta significativamente a taxa de absorção do laser pelo material e resulta num bom efeito de soldadura, fundindo a soldadura com uma elevada densidade de energia.
O principal desafio na soldadura a laser de ligas de alumínio é induzir e manter a estabilidade de pequenos orifícios, o que se deve tanto à propriedades dos materiais das ligas de alumínio e as propriedades ópticas do feixe laser. Como já foi referido, o alumínio reflecte 80% de energia à temperatura ambiente e tem boa condutividade térmica, exigindo um limiar de densidade de energia laser elevado para produzir "pequenos orifícios".
Quando a potência de entrada excede este valor, a transmissão da energia laser para o material deixa de ser limitada pela condução de calor e a soldadura é efectuada por penetração profunda. A radiação laser provoca uma forte evaporação do metal de base e forma um sulco de evaporação. O raio laser penetra no material através desta ranhura, resultando num aumento acentuado da profundidade e da eficiência da soldadura.
Para materiais altamente reflectores, como as ligas de alumínio e as ligas de cobre, é necessária uma grande densidade de potência durante a soldadura. Isto coloca certos requisitos na seleção de modelos de soldadura e lentes de colimação e focagem.
O reforço por refinamento, o reforço por solução sólida e o reforço por precipitação de envelhecimento são três formas diferentes de reforçar as ligas de alumínio. Apesar destes mecanismos, a grande quantidade de evaporação de elementos de liga de baixo ponto de fusão, como o Mg e o Zn, durante a soldadura a laser provoca o afundamento da soldadura e reduz a sua dureza e resistência.
Durante o processo de solidificação rápida, a transformação da estrutura reforçada de grão fino numa estrutura como fundida resulta numa diminuição da dureza e da resistência. Além disso, a presença de fissuras e poros na soldadura diminui a resistência à tração.
Em conclusão, o amolecimento da junta é outro desafio na soldadura a laser de ligas de alumínio.
Existem dois tipos principais de poros no processo de soldadura a laser de ligas de alumínio: poros de gás hidrogénio e poros de colapso de buraco de fechadura.
(1) Poros de hidrogénio: As ligas de alumínio formam uma película de óxido na sua superfície a altas temperaturas, que absorve facilmente a humidade do ambiente. Quando aquecida por um laser, a água decompõe-se em hidrogénio, e a solubilidade do hidrogénio no alumínio líquido é cerca de 20 vezes maior do que no alumínio sólido. Durante a rápida solidificação da liga, a solubilidade do hidrogénio diminui drasticamente quando passa do alumínio líquido para o estado sólido. Se o excesso de hidrogénio no alumínio líquido não subir e transbordar suavemente, formará poros de hidrogénio. Estes poros são geralmente de forma regular e maiores do que os dendritos, e os padrões de solidificação dos dendritos podem ser vistos na superfície interna.
(2) Desmoronamento do buraco da fechadura: O furo de soldadura está em equilíbrio com a sua própria gravidade e pressão atmosférica. Quando este equilíbrio é perturbado, o metal líquido na poça de fusão não pode fluir e encher a tempo, resultando em furos irregulares. Estudos revelaram que o teor de magnésio da parede interior do furo é cerca de 4 vezes superior ao da vizinhança da soldadura. Como a taxa de arrefecimento da soldadura a laser é muito rápida, o problema dos poros de gás hidrogénio é mais grave, e há mais buracos causados pelo colapso de pequenos buracos na soldadura a laser.
A liga de alumínio é uma liga eutéctica comum que é propensa a fissuras quentes durante a soldadura, incluindo as fissuras de cristalização da soldadura e as fissuras de liquefação da ZTA (Zona Afetada pelo Calor). Normalmente, as fissuras de cristalização aparecem na zona de soldadura, enquanto as fissuras de liquefação aparecem perto da junta. Entre as ligas de alumínio, as ligas Al-Mg-Si da série 6000 são particularmente susceptíveis à fissuração.
O metal de base é sujeito a um rápido aquecimento e arrefecimento, o que pode levar a um processo instantâneo de solidificação e cristalização. O elevado grau de sub-arrefecimento durante este processo faz com que os grãos de cristal cresçam perpendicularmente ao centro da soldadura, formando compostos eutécticos de baixo ponto de fusão, tais como Al-Si ou Mg-Si, Al-Mg2Si, e outros. Isto enfraquece a força de ligação do plano cristalino, tornando-o mais propenso a fissuras cristalinas sob tensão térmica.
No alumínio soldadura de ligas No processo de soldadura, os elementos de baixo ponto de ebulição, como o Mg, Zn, Mn e Si, são facilmente evaporados e queimados. Quanto mais lenta for a velocidade de soldadura, mais grave será a queima, o que altera a composição química do metal de solda. Devido à segregação de componentes na zona de soldadura, ocorre a segregação eutéctica e a fusão do limite de grão, levando a fissuras de liquefação no limite de grão sob tensão, reduzindo o desempenho da junta soldada.
Para conseguir uma soldadura a laser bem sucedida de ligas de alumínio e resolver as questões anteriormente mencionadas, são normalmente adoptadas várias abordagens.
Um dos factores mais importantes que afectam a perda de elementos de baixo ponto de fusão em ligas de alumínio durante a soldadura é a pressão do gás expelido pelo bocal. Para atenuar este problema, o diâmetro do bocal pode ser reduzido e a pressão e o caudal do gás podem ser aumentados. Isto reduzirá a perda por queima de elementos como o Mg e o Zn durante o processo de soldadura, e também aumentará a penetração.
Existem dois métodos de sopro disponíveis: sopro direto e sopro lateral. Adicionalmente, é possível soprar simultaneamente para cima e para baixo da soldadura. A escolha do método de sopro deve ser determinada com base nas circunstâncias específicas durante a soldadura.
A liga de alumínio tem uma forte reação à energia laser. Preparação adequada da superfície da liga de alumínio, como a oxidação anódica, polimento eletrolíticoA utilização de jato de areia, etc., pode melhorar consideravelmente a absorção de energia do feixe na superfície.
A investigação demonstrou que a remoção da película de óxido das ligas de alumínio aumenta a sua tendência para formar fissuras de cristalização. Para evitar danificar o estado da superfície da liga de alumínio e simplificar o processo de soldadura a laser, a temperatura da superfície da peça de trabalho pode ser aumentada antes da soldadura, o que aumentará a taxa de absorção do laser pelo material.
A soldadura a laser divide-se em duas categorias: lasers pulsados e lasers contínuos. Os lasers pulsados com um comprimento de onda de 1064nm têm um feixe altamente concentrado, e a energia de ponto único do pulso é maior do que a dos lasers contínuos. No entanto, a energia dos lasers pulsados é geralmente limitada, tornando-os mais adequados para a soldadura de materiais de paredes finas.
Soldadura por impulsos
Ao realizar a soldadura a laser, é importante selecionar a forma de onda de soldadura adequada. As formas de onda de pulso comuns incluem onda quadrada, onda de pico e onda de pico duplo. Normalmente, as ondas de impulso duram cerca de milissegundos. Durante um impulso de laser, a refletividade do metal muda drasticamente. As ligas de alumínio têm uma elevada refletividade à luz, o que significa que 60-98% da energia laser que atinge a superfície do material pode perder-se devido à reflexão. Esta refletividade muda com a temperatura da superfície.
A onda aguda e a onda de pico duplo são as melhores opções para a soldadura de ligas de alumínio, uma vez que a fase ascendente da forma de onda fornece mais energia para fundir a liga de alumínio. Quando se forma um "pequeno orifício" na peça de trabalho, a taxa de absorção do metal líquido pelo laser aumenta rapidamente durante a soldadura de penetração profunda. Nesta altura, é importante reduzir rapidamente a energia do laser e efetuar a soldadura a uma potência baixa para evitar salpicos.
A parte de abrandamento da forma de onda de soldadura tem uma largura de impulso mais longa, o que reduz efetivamente a formação de poros e fissuras. Esta forma de onda faz com que a soldadura seja fundida e solidificada repetidamente, reduzindo a taxa de solidificação da poça de fusão. A forma de onda pode ser ajustada conforme necessário ao soldar diferentes tipos de amostras.
Figura 1 Forma de onda do impulso de soldadura da liga de alumínio
Selecionar a quantidade adequada de desfocagem pode também minimizar a formação de poros. A alteração do defocus tem um impacto significativo na formação da superfície de soldadura e na penetração. A desfocagem negativa pode aumentar a penetração, enquanto a desfocagem positiva na soldadura por impulsos pode tornar a superfície da soldadura mais suave e visualmente mais apelativa.
Devido à elevada refletividade das ligas de alumínio à energia laser, a cabeça de soldadura é normalmente inclinada para evitar que o feixe laser seja refletido verticalmente e danifique a focagem do laser lente. O diâmetro da junta de soldadura e a superfície de ligação efectiva aumentam à medida que o ângulo de inclinação do laser aumenta. A maior junta de solda e a maior superfície de ligação efectiva são alcançadas quando o ângulo de inclinação do laser é de 40°. No entanto, a penetração do ponto de soldadura e a penetração efectiva diminuem com o aumento do ângulo de inclinação do laser e, quando excede os 60°, a penetração efectiva do ponto de soldadura diminui. penetração da soldadura diminui para zero. Inclinar a cabeça de soldadura para um determinado ângulo pode aumentar a profundidade de penetração e a largura da soldadura.
Além disso, é importante notar que quanto maior for a velocidade de soldadura, maior é o risco de fissuração. Isto deve-se ao facto de uma velocidade de soldadura rápida levar a um grande grau de subarrefecimento, fazendo com que os grãos na zona de soldadura sejam refinados e um grande número de "cristais de feixe" cresçam na mesma direção, o que aumenta a probabilidade de formação de fissuras no plano cristalino entre estes cristais de feixe. Se a velocidade de soldadura for demasiado rápida, a profundidade de penetração da soldadura será relativamente pequena.
Soldadura em modo contínuo
A soldadura a laser tradicional pode resultar em fragilização ou fissuras. Em contrapartida, a soldadura a laser contínua não tem o mesmo processo de arrefecimento e aquecimento repentino que a soldadura a laser por impulsos, o que leva a menos fissuras durante o processo de soldadura. Além disso, a soldadura por laser de fibra da maioria das ligas de alumínio resulta numa maior resistência após a soldadura e reduz o risco de fragilidade.
A soldadura por laser pulsado é adequada para soldar alumínio puro industrial, com pouco risco de fissuras após a soldadura. No entanto, algumas indústrias podem exigir o polimento da superfície após a soldadura, e a soldadura por laser pulsado pode causar amolgadelas e aumentar a quantidade de polimento necessária, levando a um aumento do tempo de processamento e dos custos de produção. Os lasers contínuos podem resolver estes problemas.
Como mostra a Figura 2, a comparação da costura de soldadura do invólucro da bateria após a soldadura a laser por impulso e a soldadura a laser contínua demonstra as vantagens da soldadura a laser contínua. As juntas de soldadura por impulso são desiguais e têm superfícies com cortes e amolgadelas, com muitos salpicos, e uma menor resistência pós-soldadura. Em contraste, a soldadura a laser contínua resulta numa soldadura lisa e uniforme. cordão de soldadura superfície, sem defeitos e salpicos, sem fissuras no cordão de soldadura.
Figura 2 Impulso e soldadura contínua da liga Al-Mn
As crateras de arco são uma ocorrência comum durante soldadura por arco de árgone o mesmo pode ocorrer durante a soldadura a laser. Para minimizar o aparecimento de pequenas crateras, pode ser definida uma fase de subida e descida lenta na forma de onda durante a soldadura, e a velocidade de soldadura pode ser aumentada conforme necessário.
A soldadura contínua a laser tem inúmeras vantagens na soldadura de ligas de alumínio. Em comparação com a tradicional métodos de soldaduraA soldadura a laser contínua é mais eficiente e elimina a necessidade de enchimento do fio. Em comparação com a soldadura a laser por impulsos, a soldadura a laser contínua elimina defeitos como fissuras, poros e salpicos, e garante que a liga de alumínio tem boas propriedades mecânicas após a soldadura. Além disso, não haverá mossas após a soldadura e a quantidade de polimento e retificação necessária é reduzida, poupando nos custos de produção.
No entanto, é importante notar que os lasers contínuos têm um tamanho de ponto relativamente pequeno, pelo que a precisão da montagem da peça de trabalho deve ser elevada.
A prevenção de fissuras térmicas é uma tecnologia crítica para a soldadura a laser de ligas de alumínio, especialmente para as ligas da série 6000 que são altamente sensíveis a fissuras. Se o teor de ω(Mg2Si) atingir 1%, é provável que ocorram fissuras a quente. Para reduzir o risco de fissuras, podem ser adicionados elementos de liga adequados para ajustar a composição química da poça de fusão, como a adição de pó de Al-Si ou Al-Mg-Si.
Além disso, a alimentação do fio pode melhorar o efeito de soldadura e produzir um cordão de soldadura uniforme com dureza melhorada. A introdução de material de enchimento aumenta o teor de Mg e Si na dendrite no zona de fusão, conduzindo a um aumento da resistência da junta devido ao efeito de reforço da solução sólida β".
Normalmente, as ligas de alumínio 6063 e 6082 são enchidas com fios de soldadura Al-5Si e Al-7Si, enquanto as chapas 6013 e 6056 são soldadas com fios de soldadura CO2 e Nd: YAG, respetivamente, e preenchidos com fios de soldadura Al-12Si.
Visando a estabilidade e a qualidade na soldadura a laser de ligas de alumínio.
O atual foco de investigação na soldadura a laser de ligas de alumínio é a utilização de um processo composto que combina a elevada densidade de energia dos feixes laser com a gama de aquecimento mais ampla dos arcos, utilizando os pontos fortes de ambas as fontes de calor e melhorando as suas características de elevada densidade de energia e arcos estáveis.
Para materiais com elevada refletividade, como a liga de alumínio, a soldadura a laser híbrida pode pré-aquecer ou fundir a superfície do material utilizando a energia do arco, melhorando significativamente a absorção da energia do laser pela liga de alumínio.
Shida et al. utilizaram com êxito um laser de CO2 de 10 kW em conjunto com arcos TIG e MIG para soldar alumínio ligas. A introdução de arcos melhorou a taxa de utilização da energia laser e aumentou a taxa de penetração da soldadura em 5-20%. O resultado foi uma superfície de soldadura lisa e bem formada.
A soldadura híbrida a laser aumenta o tamanho da poça de fusão e modifica as condições de fluxo do material no estado fundido através do acoplamento de feixes de laser e arcos, o que é benéfico para a eliminação de poros.
A eliminação dos orifícios de ar na soldadura de ligas de alumínio também pode ser conseguida através da soldadura de duplo feixe. Foi utilizado um laser de fibra contínua de 6 kW para a soldadura de duplo feixe soldadura topo a topo da liga de alumínio 5052, e foram estudados os efeitos dos modos de soldadura paralela e em série de dois feixes e diferentes velocidades de soldadura na morfologia e estrutura do cordão. A investigação concluiu que a soldadura paralela de duplo feixe resultou em grandes orifícios nas soldaduras, enquanto a soldadura em série de ligas de alumínio produziu uma boa formação de soldadura sem poros.
Sob a influência de lasers de alta potência, os principais defeitos na soldadura por penetração profunda a laser de ligas de alumínio são a porosidade, o colapso da superfície e o corte inferior. Os defeitos de colapso da superfície e de rebaixamento podem ser melhorados através da soldadura com enchimento de fio laser ou da soldadura híbrida com arco laser. No entanto, o controlo dos defeitos de porosidade é um desafio.
A investigação demonstrou que existem dois tipos de poros característicos na soldadura por penetração profunda a laser de ligas de alumínio. Um tipo são os poros metalúrgicos, causados pela contaminação do material ou pela intrusão de ar durante o processo de soldadura, semelhante à soldadura por fusão a arco. O outro tipo é a porosidade do processo, que é causada pela flutuação instável de pequenos orifícios inerentes ao processo de soldadura por penetração profunda a laser.
Durante a soldadura por penetração profunda a laser, o pequeno orifício fica frequentemente atrás do movimento do feixe devido à viscosidade do metal líquido, e o seu diâmetro e profundidade flutuam sob a influência do plasma/vapor metálico. À medida que o feixe se move e o metal fundido flui, a soldadura de penetração profunda incompleta é fechada devido ao fluxo do metal fundido, causando o aparecimento de bolhas na ponta do pequeno orifício. Na soldadura de penetração profunda de penetração total, as bolhas aparecem na cintura do pequeno orifício no meio.
Estas bolhas migram e rolam com o fluxo de metal líquido, escapam da superfície da poça de fusão ou são empurradas de volta para o pequeno orifício. Quando as bolhas são solidificadas pela poça de fusão e capturadas pela frente metálica, transformam-se em poros de soldadura.
Os poros metalúrgicos podem ser controlados através do tratamento da superfície antes da soldadura e da proteção adequada do gás durante o processo de soldadura. A chave para controlar os poros do processo é garantir a estabilidade durante o processo de soldadura por penetração profunda a laser.
De acordo com a investigação sobre a tecnologia nacional de soldadura a laser, o controlo dos orifícios de ar na soldadura de penetração profunda a laser de ligas de alumínio requer a consideração de todas as ligações, incluindo antes da soldadura, o processo de soldadura e o tratamento pós-soldadura. Isto pode ser conseguido através dos seguintes novos processos e tecnologias.
Método de tratamento de pré-soldadura
O tratamento de superfície antes da soldadura é um método eficaz para controlar os poros metalúrgicos na soldadura a laser de ligas de alumínio. Os métodos comuns de tratamento de superfície incluem a limpeza físico-mecânica e a limpeza química. Recentemente, surgiu também a limpeza por impacto a laser, que melhora ainda mais a automatização da soldadura a laser.
Controlo de otimização da estabilidade dos parâmetros
Os parâmetros do processo de soldadura a laser de ligas de alumínio incluem normalmente a potência do laser, a desfocagem, a velocidade de soldadura e a composição e fluxo do gás de proteção. Estes parâmetros não só têm impacto no efeito protetor da área de soldadura, como também afectam a estabilidade do processo de soldadura por penetração profunda a laser, que por sua vez afecta porosidade da soldadura.
Através da soldadura por penetração profunda a laser de chapas de liga de alumínio, verificou-se que a estabilidade da penetração de pequenos orifícios influencia a estabilidade da poça de fusão, o que tem impacto na formação da soldadura e resulta em defeitos de porosidade. Além disso, a estabilidade da soldadura por penetração profunda a laser está relacionada com a correspondência entre a densidade de potência do laser e a energia linear.
Por conseguinte, a determinação de parâmetros de processo razoáveis para a formação de uma soldadura estável é um método eficaz para controlar a porosidade da soldadura a laser de ligas de alumínio. Os resultados da investigação sobre as características de formação de soldaduras estáveis de penetração total mostraram que a relação entre a largura do dorso da soldadura e a largura da superfície da soldadura (relação da largura do dorso da soldadura) pode ser utilizada para avaliar a formação e a estabilidade da soldadura de chapas de liga de alumínio.
Combinando adequadamente a densidade de potência do laser e a energia da linha durante a soldadura a laser de chapas finas, pode ser assegurada uma determinada relação de largura traseira da soldadura, controlando eficazmente a porosidade da soldadura.
Soldadura a laser de ponto duplo
A soldadura a laser de ponto duplo refere-se a um processo de soldadura em que dois feixes de laser focados actuam simultaneamente no mesmo banho de solda. Na soldadura por penetração profunda a laser, uma das principais causas da porosidade da soldadura é o fecho do gás no pequeno orifício do banho de soldadura.
Ao utilizar a soldadura a laser de ponto duplo, a abertura do pequeno orifício é aumentada devido à influência de duas fontes de luz, facilitando a saída do vapor metálico interno e melhorando a estabilidade do pequeno orifício, reduzindo assim a porosidade da soldadura.
Estudos sobre a soldadura a laser de ligas de alumínio A356, AA5083, 2024 e 5A90 mostraram que a soldadura a laser de ponto duplo pode reduzir significativamente a porosidade da soldadura.
Soldadura híbrida por arco laser
A soldadura híbrida por arco a laser é um método de soldadura em que tanto o laser como o arco influenciam a mesma poça de fusão. Normalmente, o laser é a principal fonte de calor, e a interação entre o laser e o arco aumenta a penetração e a velocidade de soldadura da soldadura a laser, reduzindo a precisão da montagem da soldadura.
A utilização de fio de enchimento ajuda a controlar a microestrutura e as propriedades das juntas soldadas, e o efeito auxiliar do arco melhora a estabilidade dos orifícios de soldadura a laser, contribuindo para reduzir a porosidade da soldadura.
No processo de soldadura híbrida por arco a laser, o arco afecta a nuvem de vapor metálico/plasma gerada pelo processo a laser, promovendo a absorção da energia laser e a estabilidade de pequenos orifícios.
Estudos sobre a soldadura híbrida por arco a laser de ligas de alumínio confirmaram a sua eficácia na redução da porosidade da soldadura.
Soldadura por laser de fibra
O efeito de buraco de fechadura na soldadura de penetração profunda a laser ocorre devido à forte vaporização do metal sob a influência do laser. A força de vaporização do metal está intimamente ligada à densidade de potência do laser e à qualidade do feixe, afectando tanto a penetração da soldadura a laser como a estabilidade dos buracos de fechadura.
Seiji et al. estudaram o laser de fibra de alta potência em aço inoxidável SUS304 e mostraram que:
Durante a soldadura a alta velocidade, a poça de fusão alonga-se, os salpicos são controlados, as flutuações dos pequenos orifícios são estáveis e não existem bolhas na ponta do pequeno orifício. Quando um laser de fibra é utilizado para soldadura a alta velocidade soldadura de titânio ligas de alumínio e ligas de alumínio, pode também ser produzida uma soldadura sem poros.
Investigação sobre gás de proteção tecnologia de controlo para a soldadura por laser de fibra de ligas de titânio por Allen et al. sque tal?
Ao controlar a posição do gás de proteção para soldaduraCom o uso de uma máquina de soldar, é possível evitar o envolvimento de gás, diminuir o tempo de fecho do pequeno orifício, estabilizar o pequeno orifício de soldadura e alterar o comportamento de solidificação da poça de fusão, reduzindo assim a porosidade da soldadura.
Soldadura por laser pulsado
Em comparação com a soldadura a laser contínua, o modo de pulso de saída do laser pode melhorar o fluxo periódico e constante da poça de fusão, o que ajuda na libertação de bolhas e reduz a porosidade da soldadura.
T.Y. Kuo e S.L. Jeng investigaram o impacto do modo de saída da potência de soldadura laser YAG na porosidade e nas características das soldaduras feitas em aço inoxidável SUS 304L e na superliga Inconel 690.
Os resultados indicam que, para a soldadura a laser de impulso de onda quadrada, à medida que a potência de base aumenta para 1700W, a porosidade da soldadura diminui com o aumento da amplitude do impulso ΔP. Especificamente, a porosidade do aço inoxidável diminui de 2.1% para 0.5%, e a da superliga diminui de 7.1% para 0.5%.
Tecnologia de tratamento de compósitos pós-soldadura
Em aplicações práticas de engenharia, apesar do tratamento rigoroso da superfície antes da soldadura e de um processo de soldadura estável, a porosidade continua a ser um problema comum na soldadura a laser de ligas de alumínio.
Por conseguinte, os métodos de tratamento pós-soldadura para eliminar a porosidade são cruciais.
Atualmente, o principal método utilizado é a soldadura modificada.
Um desses métodos para eliminar a porosidade interna e de retração no alumínio peças fundidas em liga é a tecnologia de prensagem isostática a quente.
Combinando isto com o tratamento térmico de stress após a soldadura a laser de liga de alumínio, forma-se um processo composto de prensagem isostática a quente e tratamento térmico de componentes de soldadura a laser de liga de alumínio. Isto não só elimina a porosidade da soldadura, como também melhora o desempenho da junta.
A aplicação da soldadura a laser de alta potência em ligas de alumínio continua a colocar muitos desafios devido às suas características únicas.
Um dos principais desafios é controlar os defeitos de porosidade da soldadura e melhorar qualidade da soldadura.
Para melhorar a estabilidade do processo de soldadura e controlar a porosidade na soldadura a laser de ligas de alumínio, é essencial uma abordagem abrangente que considere todos os aspectos, desde a pré-soldadura ao processo de soldadura e ao tratamento pós-soldadura.
Para fazer face a este desafio, foram desenvolvidas várias novas tecnologias e processos, incluindo a limpeza a laser antes da soldadura, a otimização dos parâmetros do processo de soldadura através do controlo da relação de largura de retorno, a soldadura a laser de feixe duplo, a soldadura híbrida laser-arco, a soldadura por laser pulsado e laser de fibra ótica soldadura.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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