Soldagem e Corte a Laser

Dr. L. O. Vilarinho Soldagem a Laser (LBW)Faculdade de Eng. Mecânica - UFU

UFU SOLDAGEM E USINAGEM A LASER – LBW e LBM

Prof. Louriel Oliveira VilarinhoE-mail: vilarinho@mecanica.ufu.br (transparências disponíveis via moodle)

Bibliografia

AWS, Welding Handbook: Welding Processes, Vol. 2, 8th ed., Miami, 1991, ISBN 0-87171-354-3, Chapter 22, pp. 713-738.

Benedict, G. F., Nontraditional Manufacturing Processes, Marcel Dekker Inc., NY, 1987, ISBN 0-8247-7352-7, Chapter 20, pp. 299-331.

Marques, P. V., Tecnologia da Soldagem, Ed. O Lutador, 2002, pp.301-307.

Groover, M. P., Fundamentals of Modern Manufacturing, 2th ed., John Wiley & Sons, 2004, ISBN 0-471-65654-2, pp. 717.

http://www.twi.co.uk

SOLDAGEM A LASER LBW

1. INTRODUÇÃO

Definição

Soldagem a Laser (Laser Beam Welding –LBW) é o processo de soldagem por fusão de alta densidade de energia que produz a coalescência localizada de materiais através do calor gerado por um feixe concentrado de luz coerente e monocromática impactado sobre a junta a ser soldada.

(Groover, 2004)

SOLDAGEM A LASER - LBW

LASER “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation"

(AWS, 1991)

• Conversor de energia Converte energia (elétrica) em um feixe de luz (fótons):

– Monocromática (teoricamente, um único comprimento de onda);

– Coerente (raios de luz em fase);

– Colimados (divergência menor que 2 mrad).

• Estas propriedades permitem que a luz laser seja focada, através de lentes, emum pequeno ponto resultando em altas densidades de energia.

Espelhos(Feedback)

100% 10-98%

Fonte de energia

• Não precisa de vácuo;• Feixe laser facilmente manipulado;• Não gera Raios-x;• Melhor cordão de solda;• Não é influenciado pela presença de campos magnéticos.

0.35 kJ/mm107 W/cm2EBW0.35 kJ/mm107 W/cm2LBW1.25 kJ/mm150 W/cm2TIG5.8 kJ/mm10 W/cm2Oxi-acetilênica

Aporte térmicoDensidade de EnergiaProcesso

Processo de alta densidade de energia

• Maior relação penetração/largura (20:1 contra 10:1);• Maior rendimento elétrico (60-70% contra 10-20%);• Penetração até 50 mm, enquanto que o LBW está limitado, normalmente a 19 mm.

Processos de alta densidade de energia

LBW x EBW

• Alta relação penetração/largura (10:1);

• Alta velocidade de soldagem;

• Baixo aporte de calor ( níveis de

distorção e tensões residuais);

• Alta flexibilidade ( automatizável);

• Cordões com bom acabamento;

• Juntas com excelentes propriedades mecânicas;

• Não requer eletrodos;

• Soldagem de materiais dissimilares.

Vantagens:

Aço C-Mn, 12mm: 9kW Nd:YAG Laser a 0.7m/min (TWI, 2002)

(TWI, 2002)

Limitações

• Requer posicionamento e alinhamento cuidadoso da junta;

• Penetrações da ordem de 19 mm para equipamentos de média potência;

• Problemas com materiais de refletividade (Al, p.ex.);

• Devido à solidificação, pode ocorrer porosidade e trincas;

• Baixa eficiência energética (~10%);

• Instalações são de dimensões;

• Alto investimento inicial.

(TWI, 2002)

(AWS, 1991)

AltaAltaBaixaFlexibilidade

OpcionalOpcionalNecessáriaProteção gasosa

Transmissão e aquecimento em 0.1-10mm

Transmissão e aquecimentoem 0.1-10mm

Completa absorçãoaté 0.5mm

Interação com plásticos

100W: £0.1-0.21000W: £1-2

100W: £0.11000W: £2-4

100W: £0.2-0.51000W: £3-5

Custo de manutenção (£/hr)

100W: £15-20k1000W: £80-100k

100W: £40k1000W: £80k

100W: £20k1000W: £50k

Investimento inicial0.5x0.50.1-0.5 diam.0.2-0.7 diam.Dimens. Mín. (mm)

Fibra ópticaFibra ópticaSistema ópticoTransmissão do feixe

30%3%10%Eficiência

------(6 kW)

100W a 1kW(6 kW)

0,5 a 25kW(60 kW)

Faixa de potência(Potência máx.)

0,8-1,01,0610,6Comp. de onda (µm)Diodo (estado sólido)Nd:YAG (estado sólido)CO2 (gás)Tipo de Lasers

(TWI, 2004)

2. EQUIPAMENTO Cristal de Granada de Ítrio-Alumínio dopado com Neodímio (Nd:Y3Al5O12)

Fabricantes

• Preco Laser Systems500 Laser Drive, Somerset, Wisconsin 54025 USA

Preços: R$ 100.000 a R$ 3.000.000 (US$ 40,000 a US$ 1,000,000)

• Trumpf Inc.111 Hyde Rd, Farmington, CT 06032, USA

• PRC LaserNorth Frontage Road, Landing, NJ 07850, USAComauto Commercial Ltda (representante)Rua Uruguai, 687 - Vila Frezzarin – Americana, SP

UFU Aspectos Construtivos

Laser de Estado Sólido (Nd:YAG)

(AWS, 1991)

UFU Aspectos Construtivos

Laser a gás (CO2)

(AWS, 1991)

UFU Arranjo óptico de focalização

- É possível distribuir um feixe para várias estações de trabalho.

- No Laser CO2, os espelhos são metálicos e refrigerados a água.

(AWS, 1991)

Laser Contínuo x Laser Pulsado

Pulsado (ms) Soldagem a ponto de materiais de pequena espessura (potência até 100 kW).

Contínuo (vários kW) Soldagem de juntas profundas e seções espessas.

(Lindberg, 1990)

TEM00Transverse Electromagnetic Modes

(AWS, 1991)

Ampliação (M)

Aumentando-se o valor de M, melhora-se o foco do laser e obtém-se um cordão de melhor qualidade.

(AWS, 1991)

(AWS, 1991)(AWS, 1991)

UFU3. PARÂMETROS DO PROCESSO

• Potência do feixe;• Distância focal;• Velocidade de soldagem (2.5 a 80 m/min);• Duração do pulso (0,1 a 20 ms);• Refletividade das peças.

(Marques, 2002)

Nd:YAG; Aço ao carbono (TWI, 2002)

Keyhole

(AWS, 1991)

Condução

UFU Técnica “Keyhole”

(Lindberg, 1990)

Na LBW é possível utilizar gás de proteção (Ar, He, ...), que é inerte e tem a função de proteger a poça de fusão da contaminação atmosférica.

(AWS, 1991)

Gás de proteção (opcional)

Tipos de Junta

(Benedict, 1987)

(AWS, 1991)

“Tailor-Welded Blanks”

4. APLICAÇÕES E EXEMPLOS

Crescente utilização do LBW na indústria automobilística (redução do peso do chassis e aumento da segurança do veículo).

(Kalpakjian, 2001)

EXEMPLO

Laser CO26kW

Indústria automotiva – Engrenagens e Transmissão

(Vários autores)

Soldagem autógena Nd:YAG com junta de topo em uma tubulação de aço de 12mm na posição 2G (TWI, 2002).

Tubulações (pipelines)

Metais Dissimilares

(AWS, 1991)

Lâmina de barbear:13 pontos de soldagem (Ø = 0,5 mm) feitos com Nd:YAG a uma taxa de 3 milhões de soldas por hora (Kalpakjian, 2001)

Processos Híbridos

Processo Híbrido Laser CO2 e MAG (TWI, 2002)

Laser CO2

Híbrido

1. DEFINIÇÃO: Jato de gás auxiliar para facilitar a expulsão do material da região de corte. O gás pode ser inerte ou reativo.

(Benedict, 1987)

USINAGEM A LASER - LBM

Na indústria

2. CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS

Capacidade de cortar qualquer metal e diversos materiais não - metálicos independentemente de sua dureza;

Espessura de corte e região afetada pelo calor mais fina do que qualquer outro processo de corte térmico;

Um Laser do tipo CO2 de alta potência pode cortar até 25 mm de aço carbono. Entretanto cortes de boa qualidade são realizados em menores espessuras – até9,5 mm – devido à limitação da profunidade de foco do feixe;

Facilmente adaptável para sistemas controlados por computador. O uso de CNC aproveita muito melhor a alta taxa de produção e qualidade oferecida pelo Laser;

Equipamento de Elevado custo (US$ 100.000 a US$ 1.000.000);

3. PRINCIPAIS VANTAGENS

a) Muito Alta Velocidade de Corte;b) Pouca Perda de Material;c) Alta Qualidade;d) Baixa Energia;e) Mínima Distorção;f) Possibilidade de Cortar a maioria dos materiais;g) Alta Reprodutibilidade;

A operação de furar materiais é similar ao corte, mas com feixe do tipo pulsado e empregando mais alta potência, aplicada a intervalos de tempo muito menores.

Furos podem ser feitos com diâmetros de 0,0025 a 1,5 mm e profundidade em geral menores do que 25 mm (pois há limitação no comprimento do foco).

Os equipamentos industriais para essa aplicação são principalmente Nd:YAG.

4. TIPOS DE LASER UTILIZADOS EM LBM

Laser no Estado Sólido (Nd:YAG)Corte realizado por volatização ocorrendo numa potência maior do que 105 W/mm2.

Laser a gás CO2Modo Pulsado ou Contínuo.Corte por fusão, com o material líquido removido por um gás auxiliar inerte;Similar a anterior mas com gás sendo oxigênio e ocorrendo por isso reação exotérmica;

Laser ExcimerA ligação molecular do material (geralmente polímero) possui energia menor do que a do feixe.

5. TIPOS DE LASER UTILIZADOS EM CORTE

Ar Atmosférico: Alumínio (até 1,5 mm), Plásticos, Madeira, Compósitos, Vidro, Quartzo;

Argônio: Titânio e outros materiais que precisam ser isolados da atmosfera. O alumínio também pode ser cortado com vantagem;

Nitrogênio: Aço Inoxidável, Níquel, Alumínio;

Oxigênio: Aço ao Carbono, Aço Inoxidável, Cobre;

6. GASES AUXILIARES EM FUNÇÃO DO MATERIAL

A seleção do gás auxiliar e dos parâmetros do processo deve levar em conta:

Espessura da Peça.Acabamento da Superfície.

(Cary, 1998)

UFU7. PARTICULARIDADES DO PROCESSO

• Potência: a densidade de potência pode definir sua capacidade no feixe contínuo (preferido para aços de grande espessura).

• Modo: o TEM00 Gaussiano é o ideal para corte, apresentando o menor diâmetro e o maior comprimento do foco.

• Ciclo de Trabalho: Depende do tipo específico do equipamento e modo de operação (pulsado/contínuo).

• Focagem: diâmetro e profundidade de foco do feixe são controlados pelo comprimento do foco da lente.

• Gás Auxiliar.

• Diâmetro do Bocal: coaxial com o feixe devendo possuir alta razão entre seu comprimento e diâmetro.

• Distância do Bocal à Peça: controla a pressão exercida pelo gás auxiliar sobre o metal fundido.

• Ponto Focal: Geralmente na superfície da peça ou pequena distância abaixo da mesma.

• Alinhamento e Concentricidade do Feixe.

UFU 8. EQUIPAMENTOS

Benedict (1987)

UFU 9. APLICAÇÕES

Benedict (1987)

!!!!!!

(Cary, 1998)

9. APLICAÇÕES

UFU 9. APLICAÇÕES

Parte 5 da Norma DIN 2310 trata do Corte a Laser.

Em geral o mesmo apresenta melhor acabamento, menor largura do rasgo, muito pouca distorção e superfície muito mais lisa (dependendo da espessura do material).

Largura do rasgo: deve ser o mais estreito possível. Diminui perda de material, a ZAC e a distorções são minimizadas;

Rugosidade Média da Superfície: é diretamente proporcional à espessura da peça e ao sistema de movimentação relativa feixe-peça. Tipo de gás tem influência.

Aderência do Material: Escória ou metal podem permanecer aderidos à parte inferior do rasgo. Isso ocorre quando:

(a) O foco está mal posicionado e/ou;

(b) A pressão do gás é muito baixa e/ou;

(c) A velocidade do corte é muito alta;

Nos aços inoxidáveis e alumínios alta pressão do gás é necessária para eliminar essa aderência e pode-se utilizar um anti-aderente tal como a grafita.

10. QUALIDADE DO CORTE

UFU REQUISITOS DE SEGURANÇA(LBW e LBM)

• Norma ANSI Z136.1 – American National Standard for the Safe Use of Laser;

• Perigo para os olhos e pele (necessidade de óculos especiais para barrar o

comprimento de onda do laser e vestimenta adequada);

• Alta-tensão na geração do feixe laser;

• Choque elétrico;

• Queimaduras;

• Vapores metálicos e gases asfixiantes (Argônio).

Soldagem e Corte a Laser

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