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Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser J. Miguel Rodrigues 45063 Manuel Peixe 45067.

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1 Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser J. Miguel Rodrigues Manuel Peixe 45067

2 Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser 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

3 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

4 Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser Vocabulário ZTA – zona térmicamente afectada ZT – zona fundida

5 Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser Perspectiva histórica Albert Einstein,1917 Bohr e Plank (mec. Quântica) Townes,1951(amp. Ondas ultracurtas) T. Maimann,1960 (estado sólido) Javan, Benett e Harriot 1960 (estado gasoso) Patel (CO2)

6 Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser 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.)

7 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

8 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

9 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 bi- dimensionais e tri-dimensionais

10 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

11 Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser Princípios Físicos Emissão espontâneaEmissão estimulada Os átomos, ao passarem ao estado fundamental libertam energia na forma de fotões.

12 Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser 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.

13 Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser Fundamentos do Processo I ABSORÇÃO FUSÃOVAPORIZAÇÃO MB ZTA ZF TEMPERATURA MB - Metal Base - Variação da energia absorvida pelos metais com a temperatura Se a densidade de ener- gia fôr muito elevada ocorre a criação do Key-hole

14 Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser Fundamentos do Processo II O Key-hole Diminui a reflexão da luz Diminui a incidência da luz EsquemaFeixe de ElectrõesLaser

15 Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser Fundamentos do Processo III O feixe em movimento Feixe Laser Peça V a Forma do Key-hole S1 S2 S3 S4 S1 S2 S3 S4 Feixe Movimento do banho fundido (a) Movimento do banho fundido (b)

16 Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser 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 arrefe- cimento.

17 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

18 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

19 Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser Soldadura em Modo Pulsado Características: Densidades de energia mais elevadas -> key- hole Potência do feixe e zona de interacção escolhidos de modo a ter densidades de energia ~ 10 5 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

20 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

21 Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser Comportamento dos Materiais II Características de soldabilidade de diferentes materiais quando soldados por laser CO 2

22 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 Material base não resistente às tensões residuais O desenho da junta não tem a geometria requerida na soldadura laser He Ar Fio Peça Laser Direcção de deslocamento

23 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 Peça Laser Direcção de deslocamento TIG

24 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]

25 Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser Video Laser com Metal de AdiçãoLaser com TIG

26 Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser Fontes Processos de soldadura, J. Santos, L. Quintino Joining Technologies Reference Center -


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