Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser J. Miguel Rodrigues 45063 Manuel Peixe 45067 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 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 T. Maimann,1960 (estado sólido) Albert Einstein,1917 Bohr e Plank (mec. Quântica) Javan, Benett e Harriot 1960 (estado gasoso) Townes,1951(amp. Ondas ultracurtas) Patel (CO2) 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.) 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 bi-dimensionais 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 Emissão espontânea Emissão estimulada Os átomos, ao passarem ao estado fundamental libertam energia na forma de fotões. Emissão espontânea Emissão estimulada 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. Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser

Fundamentos do Processo I - Variação da energia absorvida pelos metais com a temperatura Se a densidade de ener- gia fôr muito elevada ocorre a criação do “Key-hole” 10 50 100 ABSORÇÃO FUSÃO VAPORIZAÇÃO MB ZTA ZF TEMPERATURA MB - Metal Base Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser

Fundamentos do Processo II O “Key-hole” Diminui a reflexão da luz Diminui a incidência da luz Esquema Feixe de Electrões Laser Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser

Fundamentos do Processo III O feixe em movimento Movimento do banho fundido (a) Movimento do banho fundido (b) Forma do “Key-hole” Feixe Laser Peça V a S1 S2 S3 S4 Feixe Feixe S4 S2 S3 S1 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. 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 -> “key-hole” 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 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 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 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

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

Fontes “Processos de soldadura”, J. Santos, L. Quintino Joining Technologies Reference Center - www.accuparts.com Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser