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

Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser

Tecnologia de Estaleiros Navais Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por Laser- Soldadura por Laser

J. Miguel Rodrigues 45063Manuel Peixe 45067


IntroduçãoIntrodução

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


PlanoPlanoTópicos 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


VocabulárioVocabulário

ZTA – zona térmicamente afectadaZT – zona fundida


Perspectiva históricaPerspectiva histórica

Albert Einstein,1917

Bohr e Plank (mec. Quântica)

Townes,1951(amp. Ondas ultracurtas)

T. Maimann,1960 (estado sólido)

Javan, Benett e Harriot1960 (estado gasoso)

Patel (CO2)


Principais CaracterísticasPrincipais 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.)


Aspectos TípicosAspectos Típicos

Principais aspectos:

• Entregas térmicas muito baixas

• Distorções e ZTA mínimas

• Acabamentos e maquinação desnecessários

• Boa qualidade do cordão

• Flexibilidade e possibilidade de automação


Vantagens IVantagens 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


Vantagens IIVantagens 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


DesvantagensDesvantagens

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


Princípios FísicosPrincípios Físicos

Emissão espontânea Emissão estimulada

Os átomos, ao passarem ao estado fundamental libertamenergia na forma de fotões.


Princípios Físicos IIPrincípios Físicos II

Características daradiação laser:

- Monocromática- Coerente- Direccional

Após sairem da cavidade, os fotões passam por uma série delentes e espelhos auxiliares de modo a focar o feixe.


Fundamentos do Processo IFundamentos do Processo I

10

50

100

AB

SO

RÇ

ÃO

FUSÃO VAPORIZAÇÃO

MB ZTA ZF

TEMPERATURA

MB - Metal Base

- Variação da energiaabsorvida pelos metaiscom a temperatura

Se a densidade de ener-gia fôr muito elevadaocorre a criação do “Key-hole”


Fundamentos do Processo IIFundamentos do Processo II

O “Key-hole”• Diminui a reflexão da luz• Diminui a incidência da luz

Esquema Feixe de Electrões Laser


Fundamentos do Processo IIIFundamentos do Processo III

O feixe em movimento

Feixe Laser

Peça

V

a

Forma do “Key-hole”

S1

S2

S3

S4

S1

S2

S3

S4 FeixeFeixe

Movimento dobanho fundido (a)

Movimento dobanho fundido (b)


Transferêcia de CalorTransferêcia 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 aproximaçãono cálculo da distribuição de temperaturas e velocidade de arrefe-cimento.


Variáveis Intervenientes no Variáveis Intervenientes no Processo IProcesso IVariáveis 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


Variáveis Intervenientes no Variáveis Intervenientes no Processo IIProcesso IIDesenho 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


Soldadura em Modo PulsadoSoldadura 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


Comportamento dos Materiais IComportamento dos Materiais I

As propriedas físicas dos materiais interveem em três fases:

Condições de superfície afectam a forma comoo material absorve a energia

Quando a energia é absorvida, as propriedades térmicas determinam a transferência do calor

O calor latente de transformação de fase determinaa quantidade consumida numa dada transformação


Comportamento dos Materiais IIComportamento dos Materiais II

Características de soldabilidade de diferentes materiais quando soldados por laser CO2

BOA RAZOÁVEL MÁAço Alumínio Aço galvanizado

Aço Inox Cobre Aço efervescenteInconel 625 Aço ferramenta Latão

Bronze de silício Aço liga ZincoTitânio Inconel 718 PrataTântalo OuroZircónio

SOLDABILIDADE


Variantes do Processo IVariantes do Processo ISoldadura laser com material de

adiçãoUtilizado 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

ArFio

Peça

Laser

Direcção de deslocamento


Variantes do Processo IIVariantes 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


Variantes do Processo IIIVariantes do Processo III

Soldadura a laser sub-aquática

• Necessário um espaço seco

• Profundidade máxima de 30 [m]


VideoVideo

Laser com Metal de Adição Laser com TIG


FontesFontes

“Processos de soldadura”, J. Santos, L. Quintino

Joining Technologies Reference Center - www.accuparts.com

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