Tecnologia de Estaleiros Navais
- Soldadura por Laser
J. Miguel Rodrigues
Manuel Peixe
Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser
45063
45067
Introdução

LASER – Light Amplification by
Stimulated Emission of Radiation
(amplificação da luz por emissão
estimulada de radiação)

O laser tem diversas aplicações industriais:
• Indústria automóvel
• Aeronáutica
• Microelectrónica
Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser
Plano

Tópicos a abranger:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Perspectiva histórica
Principais características
Aspectos típicos
Vantagens
Desvantagens
Princípios físicos
Fundamentos do processo
Transferência de calor
Variáveis do processo
Soldadura em modo pulsado
Comportamento dos materiais
Variantes do processo
Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser
Vocabulário
ZTA – zona térmicamente afectada
 ZT – zona fundida

Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser
Perspectiva histórica
Albert Einstein,1917
Bohr e Plank
(mec. Quântica)
Townes,1951(amp.
Ondas ultracurtas)
Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser
T. Maimann,1960
(estado sólido)
Javan, Benett e Harriot
1960 (estado gasoso)
Patel (CO2)
Principais Características

A soldadura a laser é um processo:
•
•
•
•
De elevada densidade de energia
Realizado à temperatura ambiente
Rápido
Onde não há contacto físico (fonte calor – mat.)
Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser
Aspectos Típicos

Principais aspectos:
•
•
•
•
•
Entregas térmicas muito baixas
Distorções e ZTA mínimas
Acabamentos e maquinação desnecessários
Boa qualidade do cordão
Flexibilidade e possibilidade de automação
Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser
Vantagens I

Principais vantagens:
• Possibilidade de soldar materiais difíceis (ex:
ligas de titânio)
• Possibilidade de realizar juntas soldadas
homogéneas
• Ausência de material de adição
• Utilização de geometrias diversas
• As peças não requerem fixações rígidas
Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser
Vantagens II

Outras vantagens:
• Soldaduras estreitas, precisas e sem
contaminações
• ZTA estreita ou inexistente
• Soldar formas complexas a alta velocidade
• Soldar componentes selados em materias
transparentes à radiação incidente
• Possibilidade de automação em soldaduras bidimensionais e tri-dimensionais
Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser
Desvantagens

Algumas desvantagens do processo:
• Elevado custo inicial do equipamento
• Elevada precisão na preparação das juntas
• Elevados custos dos consumíveis (O hélio é muito
usado)
• Sistemas de manipulação e precisão
Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser
Princípios Físicos
Os átomos, ao passarem ao estado fundamental libertam
energia na forma de fotões.
Emissão espontânea
Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser
Emissão estimulada
Princípios Físicos II
Características da
radiação laser:
- Monocromática
- Coerente
- Direccional
Após sairem da cavidade, os fotões passam por uma série de
lentes e espelhos auxiliares de modo a focar o feixe.
Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser
Fundamentos do Processo I
ABSORÇÃO
100
MB - Metal Base
50 MB
10
ZTA
ZF
TEMPERATURA
FUSÃO VAPORIZAÇÃO
Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser
- Variação da energia
absorvida pelos metais
com a temperatura
Se a densidade de energia fôr muito elevada
ocorre a criação do
“Key-hole”
Fundamentos do Processo II

O “Key-hole”
• Diminui a reflexão da luz
• Diminui a incidência da luz
Esquema
Feixe de Electrões
Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser
Laser
Fundamentos do Processo III

O feixe em movimento
Forma do “Key-hole”
Movimento do
banho fundido (a)
S4
Movimento do
banho fundido (b)
Feixe
Feixe Laser
Feixe
S2
Peça
S4
S2
S1
S3
V
a
Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser
S3
S1
Transferêcia de Calor

Parâmetros intervenientes:
•
•
•
•
•
Propriedades termo-físicas do material
Entrega térmica total
Distribuição de energia e geometria do feixe
Variáveis do processo de soldadura
Geometria da junta
Existem algumas equações que constituem uma boa aproximação
no cálculo da distribuição de temperaturas e velocidade de arrefecimento.
Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser
Variáveis Intervenientes no
Processo I

Variáveis mais importantes:
•
•
•
•
•
•
•
•
Potência do feixe incidente
Diâmetro do feixo na zona de interacção
Absortividade do material
Velocidade da soldadura
Gás de protecção
Preparação da junta e posicionamento
Posição do ponto focal
Desenho das juntas soldadas
Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser
Variáveis Intervenientes no
Processo II

Desenho das juntas soldadas
• Topo a topo com penetração total - não é
requerida qualquer preparação para a junta
• Juntas de canto - as peças devem ser rigidamente
apertadas (separação entre elas inferior a 25%
da espessura)
• Juntas de bordas dobradas - requerem arestas
direitas e rectas, bom posicionamento,
ajustamento e fixação
Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser
Soldadura em Modo Pulsado

Características:
• Densidades de energia mais elevadas -> “keyhole”
• Potência do feixe e zona de interacção escolhidos
de modo a ter densidades de energia ~ 105 Wcm-2
• Energia do pulso e cadência dos pulsos são
parâmetros a considerar
• Realizada com lasers de estado sólido
• Uma regulação adequada permite realizar
soldaduras práticamente contínuas e constantes
Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser
Comportamento dos Materiais I

As propriedas físicas dos materiais
interveem em três fases:
Condições de superfície afectam a forma como
o material absorve a energia
Quando a energia é absorvida, as propriedades
térmicas determinam a transferência do calor
O calor latente de transformação de fase determina
a quantidade consumida numa dada transformação
Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser
Comportamento dos Materiais II

Características de soldabilidade de
diferentes materiais quando soldados por
laser CO2
SOLDABILIDADE
BOA
RAZOÁVEL
MÁ
Aço
Alumínio
Aço galvanizado
Aço Inox
Cobre
Aço efervescente
Inconel 625
Aço ferramenta
Latão
Bronze de silício
Aço liga
Zinco
Titânio
Inconel 718
Prata
Tântalo
Ouro
Zircónio
Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser
Variantes do Processo I

Soldadura laser com material de
adição

Utilizado principalmente:
• As chapas são espessas e a potência do
laser insuficiente
He
• Material base não resistente às tensões
residuais
Laser
Fio
Ar
Peça
• O desenho da junta não tem a geometria
requerida na soldadura laser
Direcção de deslocamento
Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser
Variantes do Processo II

Soldadura laser assistida com TIG
• Favoreçe a formação do “key-hole”
• Velocidade aumenta substâncialmente
• Permite soldar materiais mais espessos com a
mesma potência disponível no equipamento laser
Laser
TIG
Peça
Direcção de deslocamento
Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser
Variantes do Processo III

Soldadura a laser sub-aquática
• Necessário um espaço seco
• Profundidade máxima de 30 [m]
Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser
Video
Laser com Metal de Adição
Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser
Laser com TIG
Fontes
“Processos de soldadura”, J. Santos, L.
Quintino
 Joining Technologies Reference Center www.accuparts.com

Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser