soldagem a laser final

7/31/2019 Soldagem a Laser Final

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Universidade Federal do Rio de Janeiro

Escola Politcnica

Departamento de Engenharia Mecnica

Soldagem a Laser

Disciplina: SoldagemPerodo: 2010/2Professor: Sergio Exel Gonalves

Integrantes: DRE:

Christian Alcntara Mota ([email protected]) 107348599Daniel Elisio Guedes ([email protected]) 107348654Luis Felipe Barbosa ([email protected]) 107348515Rodrigo Perrotta Brando ([email protected]) 107348612Vinicius Willians Correia da Silva ([email protected]) 107348507


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Introduo

A soldagem o processo de unio de materiais (particularmente os metais) maisimportante do ponto de vista industrial sendo utilizada na fabricao e recuperao de

peas, equipamentos e estruturas. aplicada desde pequenos componentes eletrnicos at

grandes estruturas e equipamentos (pontes, navios, vasos de presso, etc.). Existe umgrande nmero de processos de soldagem diferentes, sendo necessria a seleo do

processo (ou processos) adequado para uma dada aplicao.A soldagem ocorre pela aproximao das superfcies das peas a uma distncia

suficientemente curta para a criao de ligaes qumicas entre os seus tomos. Para algunsmateriais, a soldagem no ocorre to facilmente pois a aproximao das superfcies a distnciassuficientes para a criao de ligaes qumicas entre os seus tomos dificultada pelarugosidade microscpica e camadas de xido, umidade, poeira e outros contaminantesexistentes em toda superfcie metlica.

Esta dificuldade superada de duas formas principais, das quais originam os doisgrandes grupos de processos de soldagem. Deformar as superfcies em contato, rompendo

as camadas de contaminantes e permitindo a sua aproximao e a formao de ligaesqumicas (figura 1). E o outro aquecer localmente a regio a ser soldada at a sua fuso,destruindo, assim, as superfcies e produzindo a solda com a solidificao do materialfundido (figura 2).

Figura 1 - Soldagem por presso

Figura 2 - Soldagem por fuso

Assim, os diferentes processos de soldagem podem ser agrupados em dois grandesgrupos baseando-se no mtodo dominante de se produzir a solda, isto , (a) processos desoldagem por presso (ou por deformao) que inclui os processos de soldagem por ultra-som, por frico, por forjamento, por resistncia eltrica, entre outros e (b) processos desoldagem por fuso que utilizam, como fonte de calor para a fuso da junta, uma descargaeltrica em meio gasoso (arco eltrico) entre dois eletrodos ou, mais comumente, entreum eletrodo e a(s) pea(s).

Dentre esses processos vamos nos aprofundar um pouco mais no processo desoldagem a laser.


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Descrio dos equipamentos e do processo

Para a gerao do laser h elementos chamados de cavidades, por onde o laser gerado, sendo ento continuamente amplificado. Uma cavidade constitui-se das seguintes

partes:

Material ativo

O material ativo o responsvel pela amplificao da energia emitida pela fontede bombeamento. O material usado pode ser slido, liquido ou gasoso. No caso de slidoso material ativo pode ser um cilindro usinado de cristal de rubi, vidro de neodmio ouYAG (Yttrium Aluminium Garnet). Os materiais ativos lquidos ou gasosos devem serfechados em um recipiente e as duas paredes opostas so transparentes e planas. Osmateriais lquidos ainda no ultrapassam o mbito dos laboratrios, porm os gasosos soamplamente usados como o hlio-nenio, anidrido carbnico, argnio ionizado, CO2 etc.

Fonte de bombeamento

A fonte de bombeamento responsvel por emitir a energia a ser amplificada. Elepode emitir um sinal intermitente (pulsado) como flash de luz ou descarga eltrica queresulta em um laser pulsado, ou um sinal contnuo como arco de xennio que resulta emum laser contnuo, envolvendo o material ativo.

Um fator importante a respeito da alimentao est relacionado ao seurendimento, ou seja, o rendimento de um LASER extremamente baixo. A sua vantagemest relacionada com as qualidades fornecidas da radiao produzida e a facilidade decontrole que esta radiao vai apresentar durante o processo.

Cavidade ressonante

Na cavidade ressonante que ocorre o processo de amplificao da radiao. Acavidade possui dois espelhos que tem por finalidade amplificar o feixe de laser. Umespelho reflete totalmente os feixes de laser, enquanto que o outro espelho possui umorifcio de aproximadamente 1% da rea. So montados um de frente para o outrocontendo o meio ativo entre eles.Segue abaixo um esquema da cavidade:

Os ftons gerados ficaram ressoando dentro da cavidade at passarem peloorifcio, onde j sairiam totalmente direcionados, saindo na forma de feixe de lasers.

Outro elemento que tambm pode ser encontrado so primas que so utilizadospara comprimentos de onda especficos para uma determinada tarefa, j que os primas


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tm a capacidade de filtrar ondas com espectros indesejveis. Outro mtodo de separaode comprimento de ondas seria o posicionamento dos espelhos, onde estes mesmosrealizariam tal tarefa. Com estes dispositivos os ftons produzidos sairiam com dacavidade j direcionado para o seu trabalho.

Estes processos se diferenciam, pois no primeiro possvel fazer regulagens na

utilizao do equipamento, enquanto que no segundo escolhe-se um determinadocomprimento de onda que ser utilizado em todo o processo.Uma caracterstica fundamental a sua construo, j que necessrio que o

sistema seja livre de contaminaes e que suas lentes sejam precisas para a sua aplicao,com altssimo grau de acabamento nas superfcies. Isto necessrio para aumentar aeficincia do laser.

Deve-se considerar tambm que devido a rea do laser de sada ser pequena,haver um aumento das emisses, j que o tempo de permanecia dos ftons na cavidadeaumentar resultando em um acmulo e, devido a estes fatores, o rendimento final dolaser ser maior.

Gerao do laser

Para gerao do feixe de laser a fonte de bombeamento emite energia (fontecontnua ou intermitente) no material ativo. Quando o material ativo recebe essa energiada fonte de bombeamento ocorre um fenmeno chamado inverso de populao ondeacontece a amplificao das radiaes, ocorrendo assim a emisso de energia para todasas direes, especialmente no eixo do ressonador. Em seu trajeto formado por mltiplasreflexes entre os espelhos, essa radiao amplifica-se por emisso estimulada a cada

passagem no meio ativo. Uma certa frao de energia atravessa o espelhosemitransparente para constituir o feixe de laser, ao passo que a outra frao refletida eefetua um trajeto inverso ao longo do eixo, resultando em um aumento de intensidade nacavidade.

Cordo de solda laser

Quando o feixe de laser toca a superfcie de metal, a energia concentrada aquecerapidamente a rea atingida, fundindo e vaporizando metal. A presso resultante acaba

perfurando a superfcie formando uma cavidade ou ncleo, cheio de vapor superaquecidoem seu interior e cercado de material fundido (ver figura abaixo). Deslocando-se acavidade ou ncleo ao longo da superfcie forma-se o cordo de SL. Os cordes de soldaresultante so de aproximadamente 1,2 a 1,5 mm de largura.

As variaes de temperaturas em reas pequenas e concentradas provocam aformao de um cordo estreito e delgado com uma ZTA pequena.A brevidade desse processo associado velocidades de resfriamento muito

elevadas, resulta em uma regio soldada com caractersticas mecnicas, como dureza eresistncia tenso, prximas aos metais base antes da soldagem.


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Para proteger a zona de fuso necessrio utilizar um gs inerte (argnio, hlio ounitrognio), para evitar problemas de qualidade do cordo de solda.

Parmetros controlados no processo de soldagem

Ao contrrio dos demais processos de soldagem, com exceo do feixe deeltrons, o processo de soldagem por LASER apresenta parmetros de controle emdiferentes pontos. Estes pontos so apresentados a seguir.

Parmetros da fonte Laser

Est relacionado com a espessura que ser soldada. Um fator importante nessacategoria a necessidade de se conhecer o comprimento de onda da radiao emitida umavez que um mesmo comprimento de onda apresentar maior facilidade na soldagem dealguns materiais comparados a outros.

Em relao fonte, deve-se considerar a sua aplicao, o material a ser soldado oucortado e verificar a espessura do material para se especificar o tipo de laser a ser usado.

Considera-se tambm que os tipos de laser tm potncias diferentes, por isso necessrio uma especificao correta do equipamento, desde o nvel econmico at a

qualidade final da pea.Modo do Feixe

Este modo indica como o feixe se relaciona com a potncia distribuda ao longodo feixe laser. Como o equipamento composto por espelhos, o sistema tico o quedeterminar a diferena entre a potncia gerada e a que realmente atingir a pea, uma vezque a potncia do espelho reduzida a cada espelho refletor utilizado.

Alm disto, este sistema atua tambm na determinao do dimetro do feixe nazona de interao. O modo de funcionamento do laser determinar a mxima potncia e asimetria do feixe. Para se determinar o dimetro incidente, necessrio conhecer as

caractersticas e estruturas do modo.


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Na cavidade ressonante h o modo axial e transversal, sendo que no axial, asondas circulam exatamente ao longo do eixo dos espelhos, enquanto nos transversais, asondas giram em torno desse eixo, refletindo indiretamente entre os espelhos.

Variveis do processo de soldagem a laser

As variveis esto relacionadas com a parte fsica dos equipamentos e da peas aserem soldadas. Portanto, as principais variveis primrias que independem do tipo deLASER so as seguintes:

Potncia do raio laser

A potncia um dos principais fatores do laser, pois o ponto de partida para queo processo seja iniciado. Para obter um laser potente necessrio saber o seu tipo, se gasoso ou slido, o tipo de material a ser soldado e a densidade do laser e o dimetro dolaser. Estes fatores esto relacionados com a penetrao do laser na pea de trabalho, pois

cada um tem o seu papel no processo de soldagem a laser. Utilizam-se calormetros decorpos negros pra medir a energia de sada da cavidade.

Dimetro do raio incidente

Como o feixe concentrado e preciso, necessrio ter o conhecimento destavarivel, uma vez que esta a responsvel pela densidade de energia dirigida pea. Se odimetro for pequeno a quantidade de energia ser maior, pois a sua rea de atuao menor, considerando uma fonte constante. Se o dimetro for maior, menor ser a energia,devido ao aumento da rea de atuao.

A posio focal tambm deve ser considerada, uma vez que o local onde ocorreo mximo ponto de convergncia.

Velocidade de soldagem a laser

Se a velocidade do laser que se move ao longo da solda for elevada, a parte a sersoldada no receber energia suficiente, resultando em uma solda estreita e rasa, gerandoinsuficientes penetraes.

Se a velocidade de soldagem for baixa pode ocorrer a vaporizao do metal,gerando porosidade na superfcie.

O Gs de ProteoO gs de proteo serve para remover o plasma formado na fuso (ou vaporizao)

do material. Caso no seja feita esta remoo, o plasma absorve e desvia o raio laser, sendonecessrio remover o plasma formado. O tipo de gs utilizado e seus diferentes potenciaisde ionizao, proporcionaro diferenas na interao feixe-matria, alterando atransferncia da energia.

Preparao da pea a ser soldada

A pea a ser soldada deve ser direcionada perpendicularmente ao feixe de laser,dessa forma toda a densidade ser focalizada e concentrada em apenas um ponto.


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Outro aspecto trata-se do tipo de material, pois cada um possui sua condutividadetrmica, calor especfico e conseqentemente sua difuso trmica. Tais caractersticasinfluenciaro na absoro do feixe na pea a ser soldada, pois a partir destes dados quese pode fornecer uma densidade prpria para a aplicao desejada.

Para se obter peas com boa soldagem, deve-se considerar que o processo

autgeno, ou seja, no h adio de material. Neste caso, devem-se conhecer asgeometrias das peas e coloc-las a uma distncia previamente conhecida, levando emconta suas tolerncias. Caso isto no seja feito, a obteno de bons resultados no processode soldagem no ser possvel.

Efeitos nos materiais

Na soldagem a laser por conduo, que possuem cordo continuo o laser aquece apea at est ultrapassar a temperatura de fuso, porm mantm-se abaixo da temperaturade vaporizao a fim de evitar perda de matria que enfraqueceria a juno. As espessurasdas junes so, portanto, pequenas.

Poderia aument-las, prolongando o tempo de incidncia dos feixes, porm, istodiminuiria a velocidade de trabalho e aumentaria as zonas termicamente afetadas, ou seja,criaria zonas onde a difuso de calor na massa ocuparia um volume maior. Na prtica,esta tcnica permite principalmente unir chapas finas, tubos finos, ou placas.

Em geral a difuso trmica mxima quando a temperatura est logo abaixo datemperatura de vaporizao, porm quando os materiais so muito diferentes, no que dizrespeito s suas propriedades trmicas, as profundidades do banho de fuso so afetadas.

As ligas de magnsio e ligas semelhantes, por possurem baixa temperatura defuso, tendem a ter quantidades excessivas de matria retirada da superfcie,

principalmente quando a sua difusividade baixa. Matrias com alta tenso de vapor

tendem a se vaporizar se o feixe estiver excessivamente focalizado. Ligas comporcentagens de zinco possuem uma fuso excessiva, resultado da evaporao de largosagregados de tomos de zinco do banho, produzindo uma soldagem desigual, com ocordo poroso.

Aplicaes industriais

A tecnologia laser faz parte de todos os aspectos de nossas vidas, dastelecomunicaes e leitores de CD, aos cdigos de barras. A potncia do laser necessria

para estas operaes muito baixa. Para cortar, soldar ou tratar superfcies de metais sonecessrias potncias maiores. Para obt-la basicamente concentrado o raio laser em um

pequeno ponto, fornecendo a energia necessria para aquecer, fundir e at mesmoevaporar os metais de modo imediato.

O maior grupo de aplicaes laser de alta potncia o corte laser, que permitecortar peas de extrema preciso a uma velocidade de corte altssima.

O uso da Solda Laser est se tornando cada vez mais importante na indstriaautomotiva. Segundo pesquisas, no mercado Europeu 11% de todas as das aplicaes dolaser esto relacionadas com a indstria automotiva. A seguir as principais utilizaes daSL na estrutura de carrocerias de veculos automotivos.Junes por solda laser:

Teto-janela traseira

Porta mala

Grupo do pinel frontal


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Teto-painel lateral

Abaixo, na figura, encontramos algumas regies onde a aplicao da Solda a Laser possuiutilizao na indstria automobilstica.

Rob aplicando SL najuno da longarinadianteira

A figura a esquerda mostra exemplosde aplicao na estrutura inferior,especificamente a aplicao noassoalho dianteiro na juno do paineldo assoalho com a extenso doassoalho e tambm da juno de travessas.

Vantagens e desvantagens da solda a laser

Vantagens:

O processo produz distores pequenas nas peas soldadas, devido a energia

relativamente baixa e concentrada usada nesse tipo de soldagem. Cordes de solda estreitos (aproximadamente 1,2 a 1,5 mm).


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ZTA pequena. Possibilita altas velocidades de soldagem. Resulta em geral na formao de soldas de alta qualidade. Solda visivelmente mais agradvel aos olhos do cliente, o que favorece a qualidade

percebida no veculo.

Alta resistncia mecnica. Flexibilidade e versatilidade para a automao do processo atravs de robs. Menor investimento no caso de modificaes no produto. Muitas vezes apenas areprogramao dos robs j engloba toda a modificao necessria. No necessita de acesso do equipamento pelos dois lados da rea de contato para serfeito a soldagem. Por causa disso a SL possibilita construes que antes eram impossveiscom a SPRE.

Desvantagens:

Requer um nvel de automao alto como robs e dispositivos, pois no existe apossibilidade de usar um processo manual devido ao nvel de periculosidade do laser. Limitao de profundidade de penetrao do cordo de solda. Requer uma tolerncia dimensional acurada entre peas, cerca de 10% das espessuras aserem soldadas. Na indstria, usa-se um valor de 0,3 mm de variao mxima da rea decontato a ser soldado. O nvel de equipamentos e aparatos para proteo contra acidentes altssimo,

proporcionalmente ao alto risco de acidentes. Os operadores no devem ter acesso cabine de soldagem enquanto o equipamento est em funcionamento. O retrabalho no caso de falhas na soldagem complexo e caro em relao a outros

processos de juno. Devido aos fatores mostrados anteriormente os investimentos necessrios so altssimosse compararmos com outros processos, como a SPRE. Requer um volume de produo relativamente alto para amortizar o investimento, salvoa exceo de veculos de alto valor agregado, onde o custo final do produto compensa o

baixo volume produzido.

Concluso

Este trabalho mostrou que existem diversos tipos de solda e suas aplicaes, efalou mais especificamente sobre a solda a laser, fazendo com que os participantes

pesquisassem mais sobre o assunto para redigir este trabalho. Este trabalho mostra que autilizao desse processo em relao aos outros mais vantajoso, embora ainda no tenha


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um grande espao no mercado. Mas por existirem desvantagens como o elevado custo,muitas vezes a aplicao deste processo fica invivel. Entretanto com um bominvestimento inicial a solda a laser pode ser uma boa opo, pois suas vantagenscompensam seus problemas.

Bibliografia

1. Wainer, E. Soldagem. 14a Edio, Associao Brasileira de Metais, So

Paulo, 1979, 720p.2. http://www.cimm.com.br/portal/material_didatico/6287-soldagem

3. http://www.automotiva-poliusp.org.br/mest/banc/pdf/haroldo_akira.pdf

4. Marques, P.V. Tecnologia da Soldagem. ESAB, Belo Horizonte, 1991, 352p.

5. Okumura, T., Taniguchi, C. Engenharia de Soldagem e Aplicaes. LTC, Rio

de Janeiro, 1982, 461p.

6. http://www.br.trumpf.com/101.news28563.html

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