Como a soldagem a laser cria costuras mais resistentes do que os métodos tradicionais?

A necessidade de soldas mais fortes e duráveis é o motivo pelo qual muitas empresas estão começando a usar tecnologias avançadas como a soldagem a laser. Muitas empresas priorizam a resistência da costura, bem como a precisão, tornando a soldagem a laser a melhor solução. Embora a soldagem MIG, TIG e por resistência ainda sejam usadas na indústria, a soldagem a laser continua sendo mais vantajosa.

Nas indústrias automotiva e aeroespacial, as soldas a laser são as mais utilizadas. A precisão oferecida pela soldagem a laser deve-se às complexidades físicas do processo, bem como às alterações que ele provoca no material. Este artigo apresentará as razões pelas quais a resistência de uma solda varia conforme o método utilizado para criá-la.

Uma Introdução à Soldagem a Laser

O processo de soldagem que une duas ou mais peças de material é feito utilizando um laser. O laser possui vários modos e foca na soldagem por condução de calor e na soldagem por penetração profunda. Na soldagem por condução de calor, usada para unir chapas extremamente finas ou aplicações que exigem pouca ou nenhuma penetração, a potência do laser é mantida relativamente baixa (cerca de 105-106 W/cm ² ). Nesse caso, a peça funde, mas não sofre vaporização.

O calor na superfície é então transferido por condução para o interior do material, resultando na formação de uma poça de solda que solidifica e une as duas peças. A largura e a profundidade da solda são mais adequadas para fins estéticos do que para fins estruturais.

A técnica de soldagem a laser chamada soldagem por chave (keynote welding) opera com densidades de potência de soldagem muito mais altas (106 -107 watts/cm2), o que potencializa os benefícios da soldagem por penetração profunda (também conhecida como soldagem por chave, ou keyhole welding). Quando o laser atinge um ponto específico do material, ele rapidamente atinge o ponto de ebulição (limite de vaporização), aquecendo o metal, e o vapor metálico é expulso para os lados externos, criando assim um orifício estreito denominado keyhole. O vapor metálico empurra o metal líquido para os lados e forma uma cavidade estreita e profunda, conhecida como keyhole, permitindo que a energia do laser penetre profundamente no material, muito além do que a condução térmica na superfície do material permitiria. Um keyhole é característico da soldagem por penetração profunda. O metal líquido é aquecido na frente do keyhole, e à medida que o feixe de laser se desloca ao longo do caminho de soldagem, ele flui pelas laterais e solidifica-se na parte traseira, formando uma solda excepcionalmente profunda e estreita.

As relações de aspecto profundidade-largura de 10:1 com o uso de soldagem a laser e perfuração de chaveiro são quase impossíveis com soldagem tradicional. A importância das relações de aspecto vai além da profundidade de penetração, oferecendo uma geometria distribuída mais favorável à tensão em toda a junta soldada. Diferentemente da soldagem arco tradicional, que deixa cordões rasos e largos que potencialmente concentram tensão na superfície, a soldagem a laser 'seu arco profundo e estreito permite que a tensão seja uniformemente distribuída ao longo da espessura do material. Isso aumenta significativamente a resistência da junta.

A resistência das costuras de soldagem a laser não se baseia apenas na geometria, mas sim nas mudanças metalúrgicas fundamentalmente positivas que preservam as características principais dos materiais de base. A redução das técnicas e métodos operacionais de soldagem contribui para a extensão da ZAC, que é muito menor na soldagem a laser, sendo esta muito mais preferida em comparação com as soldagens MIG e TIG.

Esses poucos segundos com calor produzem vários efeitos que aumentam a resistência. Ele reduz tensões residuais e distorções em peças soldadas. Em outros métodos de soldagem, a entrada de calor faz com que os componentes soldados sofram expansão e contração térmica desbalanceada, resultando em tensões internas e distorção. Esta zona de tensão interna pode comprometer seriamente a integridade estrutural da montagem soldada 'essas tensões internas também podem iniciar trincas por fadiga devido à carga cíclica. Um componente submetido a carga cíclica requer uma grande quantidade de usinagem corretiva, devido à distorção. Essa distorção, no caso da soldagem a laser, é muito menor e, assim, podemos concentrar-nos em outros atributos ao invés da resistência nas dimensões do componente.

A soldagem a laser também auxilia nos ciclos de aquecimento e resfriamento, permitindo o desenvolvimento de estruturas de grãos mais finos. O metal com grãos mais finos é geralmente mais resistente e tenaz, fortalecendo assim o componente. Um estudo confirmou que a soldagem a laser em aço inoxidável envolve a formação de uma piscina de fusão onde ocorre a solidificação. Esse processo de solidificação resulta então em alterações na microestrutura do aço inoxidável 'assim melhorando as propriedades mecânicas. Isso é o oposto da técnica tradicional de soldagem, na qual um processo lento de resfriamento resulta em estruturas de grãos grossos e uma junção fraca.

Um dos melhores exemplos de vantagem de resistência provém da soldagem a laser dos materiais de alta resistência mais modernos, sem perda das propriedades projetadas. Muitas ligas avançadas de alta resistência derivam suas propriedades mecânicas de tecnologias térmicas de alto nível. Esses materiais foram submetidos a ciclagem térmica por meio de soldagem convencional e tiveram suas microestruturas alteradas. Esses materiais possuem microestruturas que seriam desejáveis, mas foram modificadas. Na soldagem a laser, as propriedades do metal base são mantidas, pois a resistência do material original é preservada e mantida na junta soldada.

Eficiência da Produção e Flexibilidade dos Processos

Além dos claros benefícios técnicos de resistência das juntas, com o posicionamento da solda ao longo da borda da peça, a soldagem a laser também demonstrou oferecer eficiências significativas na produção, tornando a adoção desses processos mais atrativa na manufatura moderna. Os processos funcionam significativamente mais rápido do que os processos de soldagem convencionais. Enquanto a soldagem a laser pode atingir velocidades superiores a 200 polegadas por minuto, a soldagem MIG avança a uma velocidade de 20 a 40 polegadas por minuto, sendo que o primeiro método pode alcançar velocidades superiores a 200 polegadas por minuto. Os processos mais rápidos são mais velozes do que a maioria dos processos convencionais, a ponto de um processo que poderia levar várias horas ser concluído em poucos minutos com esses outros processos. Um caso documentado ilustra a adoção da soldagem a laser, no qual o tempo gasto para soldar um portão, que operava há cerca de dez horas, foi reduzido para 40 minutos.

A história da eficiência é ainda mais notável quando observamos a necessidade reduzida/quantidade menor de pós-processamento. Normalmente, as soldaduras exigem muitas operações de acabamento para obter uma superfície livre de distorções. Essas operações incluem desbaste, usinagem e retificação, e essas fases do processo de usinagem não geram ganho monetário em função do valor agregado ao processo. As chapas laminadas soldadas, quando realizadas com a técnica de feixe a laser, produzem uma estrutura laminada soldada, mantendo como vantagem adicional bordas e superfícies limpas e bem definidas. Isso geralmente é crítico em casos onde estruturas soldadas a laser precisam ser revestidas posteriormente, pois a aplicação do revestimento exige que certas características da superfície, como as bordas, estejam livres de distorções. Isso, juntamente com a redução dos processos secundários, economizaria muito tempo.

A soldagem a laser funciona de maneira notável com configurações automatizadas de fábrica, o que melhora ainda mais sua eficiência. Sistemas robóticos podem facilmente direcionar e mover o feixe de laser sem tocar na peça de trabalho, e enfatiza-se, sem contato físico com a peça. Em muitos casos, uma única fonte de laser pode atender múltiplas estações de trabalho, o que constitui uma configuração de divisão de feixe, e por sua vez, ajuda a aumentar a independência dos sistemas operacionais a laser. Essa autonomia permite aos fabricantes manterem suas linhas de produção inalteradas sem grandes interrupções. Da mesma forma, a característica de não contato do processo de soldagem a laser significa que não existem ferramentas desgastadas como nas tradicionais sistemas de soldagem, o que ajuda o sistema a ter um melhor desempenho ao longo do tempo. Isso prolonga o período em que o sistema pode operar sem necessidade de manutenção, exceto pela manutenção óptica básica.

A capacidade de adaptar a soldagem a laser a diversos tipos e espessuras de materiais reforça ainda mais o seu potencial. O processo lida com tudo, desde materiais tão finos quanto uma fração de milímetro até seções de aço com 25 mm de espessura em um único passe. Essa capacidade elimina a necessidade de utilizar uma série de passes, como nas técnicas tradicionais de soldagem para materiais mais espessos. Além disso, é impressionante a habilidade da soldagem a laser de trabalhar com materiais desafiadores como titânio, alumínio e diferentes combinações de metais que outros sistemas de soldagem não conseguem lidar.

Outro benefício importante da soldagem a laser é a qualidade consistente da solda, que está diretamente relacionada à confiabilidade da resistência da junta. O processo oferece um alto nível de controle ao operador, com sensores sofisticados que, em tempo real, acompanham constantemente componentes importantes do processo de soldagem. Os sistemas utilizados durante o monitoramento geralmente são divididos em três categorias. A primeira categoria inclui sistemas pré-soldagem que rastreiam a linha da junta para permitir o posicionamento preciso do feixe a laser. Na segunda categoria, durante a fase de soldagem, sistemas de monitoramento equipados com câmeras rastreiam e analisam a poça de fusão e o furo-chave (keyhole). A última categoria, os sistemas pós-soldagem, avaliam a junta para verificar se ela atende aos padrões de qualidade.

É muito mais difícil alcançar este nível de controle com métodos tradicionais de soldagem, onde a habilidade e a consistência dos operadores humanos tornam-se muito mais importantes. Os operadores humanos têm maior controle sobre a soldagem tradicional, mas no caso da soldagem a laser, a máquina é completamente automatizada. Uma vez que a máquina aprende os parâmetros de soldagem, eles serão replicados com precisão nas produções, independentemente de serem para mil ou um milhão de componentes. Cada junta soldada terá o mesmo conjunto de propriedades mecânicas. Em setores onde uma falha na soldagem não é aceitável, como em dispositivos médicos, peças de segurança automotiva ou na indústria aeroespacial, a consistência é mais importante e mais valorizada do que as próprias peças soldadas.

O processo de solidificação controlada durante a soldagem a laser minimiza a ocorrência de várias imperfeições na solda que podem enfraquecer a junção. A porosidade gasosa e a segregação de elementos de liga são defeitos limitados pela rápida fase de resfriamento do processo. Além disso, o controle da entrada de energia ajuda a eliminar mordeduras e perfurações, especialmente em materiais de chapa fina. Sim, a soldagem a laser exige um alinhamento mais preciso das juntas do que algumas técnicas de soldagem mais antigas. Porém, sistemas modernos utilizam tecnologias como feixes de laser oscilantes que fecham juntas maiores e sistemas híbridos que combinam laser e alimentação tradicional de arame para facilitar esse processo.

Especialistas do setor reconhecem que as técnicas tradicionais de soldagem contam com uma base sólida de profissionais qualificados e anos de conhecimento, enquanto a soldagem a laser oferece resultados mais confiáveis e previsíveis devido ao melhor controle do processo. A tecnologia a laser em constante avanço e cada vez mais acessível no mercado torna isso cada vez mais verdadeiro, pois processos que precisam ter pontos zero de falha podem utilizar a consistência da soldagem a laser como um grande diferencial. 's consistência como um grande ponto de venda.

Conclusão

As evidências comprovam que a soldagem a laser é superior a outros métodos em termos de penetração, metalurgia e controle de processo, resultando em costuras mais resistentes. A soldagem por penetração e o efeito de perfuração (keyhole) proporcionam uma melhor distribuição de tensões. A baixa distorção térmica e a entrada mínima de calor também ajudam a preservar as características do material base e minimizam a deformação. Os benefícios combinados da tecnologia a laser com eficiência, qualidade e produção em aplicações de soldagem com alta resistência das juntas formam um argumento convincente.

É claro que os métodos tradicionais ainda têm valor —especialmente quando os custos de equipamento são baixos, ou a montagem é de baixo volume e complexa, tornando a automação inviável —mas os resultados de resistência da soldagem a laser são mais difíceis de contestar. Projetos e produtos atuais e futuros na indústria de manufatura exigem que tudo seja mais leve, mais forte e mais confiável. Isso tornará a necessidade de soldagem a laser mais crítica. Empresas que utilizarem esses projetos de soldagem a laser e desenvolverem novos produtos liderarão seus setores. Esse potencial tornará seus produtos exemplares devido à tecnologia avançada de união a laser.