Soldagem a laser

Fusão: um laser focalizado abre um keyhole para soldas estreitas e profundas

A soldagem a laser funde a junta com um feixe de luz fortemente focalizado, fazendo soldas estreitas e profundas em alta velocidade. Como o calor é muito concentrado, as peças quase não empenam. Une carrocerias de carros, células de baterias e implantes médicos, normalmente com robôs ou espelhos de movimento rápido.

Foto: Krorc, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

Soldagem a laser · keyhole em vista lateral, com vistas de topo de costuras a laser e a arcoOs números circulados correspondem às etapas abaixo. A caixa à direita compara a costura pronta com uma solda a arco das mesmas chapas.

Como funciona

Gere e conduza o feixe. Uma fonte de laser, hoje normalmente um laser de fibra de cerca de 1–10 kW, produz um feixe infravermelho intenso. Uma fibra óptica o leva até o cabeçote de soldagem.
Focalize. Uma lente comprime o feixe em um ponto de algumas décimas de milímetro de largura. Isso põe mais de um milhão de watts em cada centímetro quadrado.
Abra um keyhole. O metal sob o ponto funde e ferve em parte. A pressão do vapor mantém aberto um canal fino, o keyhole, que deixa o feixe chegar fundo na junta.
Deixe o fundido escoar em volta. Enquanto o cabeçote se move, o metal fundido escoa em volta do keyhole e se fecha atrás dele.
Proteja a poça. Um gás como argônio, hélio ou nitrogênio protege o metal quente do ar e afasta a pluma (a nuvem de vapor metálico acima do ponto).
Solidifique rápido. A pequena poça solidifica quase instantaneamente em uma costura estreita e profunda. A zona afetada pelo calor (metal alterado pelo calor, mas não fundido) continua fina.

Dois modos. Em menor densidade de potência, o laser só funde a superfície, dando uma costura rasa e lisa (modo de condução) para chapas finas e juntas visíveis. Acima de um limiar, ele abre um keyhole, que pode fazer soldas até cerca de dez vezes mais profundas do que largas.

Dados-chave

Materiais: Aços-carbono e inoxidáveis, alumínio, titânio, ligas de níquel; cobre com lasers verdes ou azuis ou ajustes especiais; alguns plásticos
Peças típicas: Tetos e portas de carros, tailored blanks (chapas de espessuras diferentes unidas antes da estampagem), terminais de baterias, engrenagens, carcaças de marcapassos
Tamanho da peça: De folhas com menos de 0,1 mm a chapas de cerca de 20 mm em um só passe com alta potência; peças do tamanho de uma carroceria com robôs
Precisão: Feixe posicionado com cerca de ±0,1 mm; distorção muito baixa, mas as peças precisam se encaixar com folgas de cerca de 0,1 mm ou menos
Acabamento superficial: Costura estreita e lisa, muitas vezes quase rente; pouco respingo
Tamanho de lote adequado: Grandes séries com automação; unidades portáteis agora também atendem oficinas de serviço
Custo de ferramental e máquinas: Cerca de US$ 10.000 ou mais para uma soldadora a laser de fibra portátil; várias centenas de milhares de dólares ou mais para uma célula robotizada
Velocidade: Normalmente 1–10 m de costura por minuto em chapa fina; cabeçotes escâneres saltam entre soldas em milissegundos

Pontos fortes e limites

Pontos fortes

Soldas estreitas e profundas com pouco calor e distorção
Muito rápida e fácil de automatizar, até a distância com espelhos de varredura
Solda por um só lado, sem tocar a peça
Precisa o bastante para minúsculas peças médicas e eletrônicas

Limites

Equipamento caro e segurança a laser rigorosa: o feixe e seus reflexos podem cegar
Precisa de ajuste justo: folgas e desalinhamentos causam defeitos
Metais brilhantes como cobre e alumínio refletem boa parte do feixe
O resfriamento muito rápido pode gerar soldas duras e quebradiças em aços de alto carbono

Onde é usado

AutomotivoTetos, portas, tailored blanks, engrenagens e peças de transmissão
Baterias e e-mobilidadeTerminais de células, barramentos (grossas tiras de ligação), carcaças de baterias
MedicinaCarcaças de marcapassos e implantes, instrumentos cirúrgicos
EletrônicaCarcaças de sensores, conectores, encapsulamentos selados
Equipamentos de cozinhaPias de aço inoxidável, painéis e tubos de eletrodomésticos

Como reconhecê-lo

Uma costura muito fina e uniforme, muitas vezes com apenas 1–2 mm de largura, com ondulações finas e regulares.
Pouca ou nenhuma cor de revenido ou empenamento ao lado da costura.
Fileiras de minúsculos pontos sobrepostos em peças pequenas, feitos por um laser pulsado (por exemplo em dispositivos médicos ou joias reparadas).

Compare com

Soldagem a arco7.1mais barata e mais tolerante a folgas, mas mais larga, mais rasa e mais quente, com mais distorção.Soldagem por feixe de elétrons7.5uma solda ainda mais profunda e limpa feita com um feixe de elétrons, mas que precisa de uma câmara de vácuo.Soldagem por resistência a ponto7.2une chapas só em pontos; um laser pode fazer pontos contínuos no lugar.

Assista

Mech Vidya · O princípio do keyhole, animado

Ricky Explains Lasers · A fonte de laser, a fibra e o cabeçote de soldagem, abertos

TRUMPF Inc. · Um cabeçote escâner saltando entre soldas em alta velocidade

TRUMPFtube · Uma célula de soldagem a laser em uma fábrica real

Veja fotos reais

Wikipedia: Soldagem a laser — princípio, modos de keyhole e de condução, com links para fotos
Busca de fotos no Wikimedia Commons

Lembre-se

Um laser focalizado concentra tanta potência que abre um keyhole de vapor e solda fundo em um só passe.
Costuras estreitas significam pouco calor, pouca distorção e alta velocidade.
O preço é equipamento caro, regras de segurança rigorosas e peças que precisam se encaixar com muita justeza.