Como suporte para outras peças do carro, a tecnologia de fabricação da carroceria determina diretamente a qualidade geral do veículo. No processo de fabricação da carroceria, a soldagem é uma etapa fundamental. As tecnologias de soldagem atualmente utilizadas para carrocerias incluem principalmente a soldagem por resistência a ponto, a soldagem MIG (soldagem com gás inerte fundido) e a soldagem MAG (soldagem com gás ativo fundido), além da soldagem a laser.
Como uma tecnologia de soldagem avançada com integração óptico-mecânica, a soldagem a laser apresenta vantagens como alta densidade de energia, alta velocidade de soldagem, baixa tensão e deformação, além de boa flexibilidade em comparação com a tecnologia tradicional de soldagem de carrocerias.
A estrutura da carroceria de um automóvel é complexa, e suas peças são compostas principalmente por componentes de paredes finas e curvas. A soldagem de carrocerias enfrenta dificuldades como variações nos materiais, espessuras diferentes das peças, trajetórias de soldagem diversas e formatos de juntas variados. Além disso, a soldagem de carrocerias automotivas exige altos padrões de qualidade e eficiência.
Com base em parâmetros de processo de soldagem adequados, a soldagem a laser pode garantir alta resistência à fadiga e ao impacto de componentes-chave da carroceria, assegurando, assim, a qualidade e a vida útil da soldagem. A tecnologia de soldagem a laser adapta-se à soldagem de componentes da carroceria com diferentes formatos de juntas, espessuras e tipos de materiais, atendendo à demanda por flexibilidade na fabricação de carrocerias. Portanto, a tecnologia de soldagem a laser é um importante recurso técnico para alcançar o desenvolvimento de alta qualidade na indústria automotiva.
Processo de soldagem a laser para carrocerias automotivas
Princípio do processo de soldagem por fusão profunda a laser: Quando a densidade de potência do laser atinge um determinado nível, a superfície do material vaporiza, formando um orifício. Quando a pressão do vapor metálico dentro do orifício atinge o equilíbrio dinâmico com a pressão estática e a tensão superficial do líquido circundante, o laser irradia através do orifício até o fundo, e com o movimento do feixe de laser, forma-se uma solda contínua. No processo de soldagem por fusão profunda a laser, não há necessidade de adicionar fluxo ou material de enchimento auxiliar para soldar o próprio material da peça.
A solda obtida por fusão profunda a laser geralmente apresenta um cordão liso e reto, com pouca deformação, o que contribui para melhorar a precisão de fabricação da carroceria. A alta resistência à tração da solda garante a qualidade da soldagem na carroceria. A alta velocidade de soldagem também contribui para o aumento da eficiência da produção.
No processo de soldagem de carrocerias, o uso da soldagem por fusão profunda a laser pode reduzir significativamente o número de peças, moldes e ferramentas de soldagem, diminuindo assim o peso morto da carroceria e os custos de produção. No entanto, o processo de soldagem por fusão profunda a laser é menos tolerante à folga de montagem das peças a serem soldadas, sendo necessário controlar essa folga entre 0,05 e 2 mm. Se a folga de montagem for muito grande, podem ocorrer defeitos de soldagem, como porosidade.
Pesquisas atuais mostram que, na soldagem de carrocerias de um mesmo material, otimizando os parâmetros do processo de soldagem a laser por fusão profunda, é possível obter uma solda com boa formação superficial, menos defeitos internos e excelentes propriedades mecânicas. As excelentes propriedades mecânicas da solda atendem aos requisitos de uso dos componentes soldados na carroceria. No entanto, o processo de soldagem a laser por fusão profunda em metal heterogêneo, como representante da soldagem de liga de alumínio-aço em carrocerias, ainda não está consolidado. Embora a adição de uma camada de transição possa proporcionar excelente desempenho da solda, o mecanismo de influência de diferentes materiais na camada de composto intermetálico (IMC) e seu efeito na microestrutura da solda ainda não estão claros, necessitando de estudos mais aprofundados.
Processo de soldagem a laser com preenchimento de arame para carroceria
O processo de soldagem a laser com arame de enchimento baseia-se no seguinte princípio: uma junta soldada é formada pelo pré-preenchimento da solda com um arame específico ou pela alimentação simultânea do arame durante o processo de soldagem a laser. Isso equivale a alimentar uma quantidade aproximadamente homogênea de material de arame na poça de fusão durante a soldagem a laser por fusão profunda. O diagrama abaixo ilustra o processo de soldagem a laser com arame de enchimento.
Em comparação com a soldagem por fusão profunda a laser, a soldagem a laser com material de enchimento apresenta duas vantagens na soldagem de carrocerias: primeiro, pode melhorar significativamente a tolerância da folga de montagem entre as peças da carroceria a serem soldadas e resolver o problema da exigência de folga de chanfro elevada para a soldagem por fusão profunda a laser; segundo, pode melhorar a distribuição do material de enchimento na área de solda usando arames com diferentes composições, regulando assim o desempenho da solda.
No processo de fabricação de carrocerias, a soldagem a laser com eletrodo de enchimento é utilizada principalmente para soldar peças de liga de alumínio e aço. Em especial, na soldagem de peças de liga de alumínio, a baixa tensão superficial da poça de fusão pode levar ao seu colapso. A soldagem a laser com eletrodo de enchimento resolve esse problema de forma mais eficaz, graças à fusão do eletrodo durante o processo de soldagem a laser.
processo de brasagem a laser da carroceria automotiva
O processo de brasagem a laser baseia-se no seguinte princípio: utilizando um laser como fonte de calor, o feixe de laser é focalizado e irradiado sobre a superfície do fio, o fio derrete, o fio derretido escorre e preenche a peça a ser soldada, e efeitos metalúrgicos como fusão e difusão ocorrem entre o material de brasagem e a peça, unindo-as. Ao contrário do processo de soldagem a laser com eletrodo de enchimento, o processo de brasagem a laser derrete apenas o fio e não a peça a ser soldada. A brasagem a laser apresenta boa estabilidade de soldagem, mas a resistência à tração da solda resultante é baixa. A Figura 3 mostra a aplicação do processo de brasagem a laser na soldagem da tampa do porta-malas de um automóvel.
No processo de soldagem de carrocerias, a brasagem a laser é utilizada principalmente para soldar peças que não exigem alta resistência da junta, como a soldagem entre a tampa superior e as laterais, ou entre as partes superior e inferior da tampa do porta-malas. A tampa superior de veículos VW, Audi e outros modelos de gama média e alta utiliza o processo de brasagem a laser.
Os principais defeitos em juntas brasadas a laser de carrocerias de automóveis incluem corrosão das bordas, porosidade, deformação da solda, etc., e esses defeitos podem ser significativamente reduzidos regulando os parâmetros do processo e utilizando o processo de brasagem a laser multifocal.
Processo de soldagem a laser-arco de compósitos para carroceria automotiva
O princípio do processo de soldagem composta a laser-arco é o seguinte: duas fontes de calor, laser e arco, atuam simultaneamente na superfície da peça a ser soldada, fundindo-a e solidificando-a para formar um cordão de solda. O diagrama abaixo ilustra o processo de soldagem a laser-arco.
A soldagem composta por laser e arco combina as vantagens da soldagem a laser e da soldagem a arco: primeiro, sob a ação de duas fontes de calor, a velocidade de soldagem pode ser aumentada, a entrada de calor é menor, a deformação da solda é pequena, mantendo as características da soldagem a laser; segundo, melhor capacidade de ponteamento, maior tolerância à folga de montagem; terceiro, a velocidade de solidificação da poça de fusão é mais lenta, o que é favorável à eliminação de poros, trincas e outros defeitos de soldagem, melhorando a organização e o desempenho da zona afetada pelo calor; quarto, devido ao arco, é possível soldar materiais com alta refletividade e alta condutividade térmica, com uma gama mais ampla de materiais aplicáveis.
No processo de fabricação de carrocerias, a soldagem composta a laser-arco é utilizada principalmente para soldar componentes de liga de alumínio e metais diferentes, como liga de alumínio e aço, em peças maiores, como as portas dos veículos, pois a folga entre elas favorece o desempenho da soldagem composta a laser-arco. Além disso, a tecnologia de soldagem composta a laser-arco MIG também é aplicada na seção lateral do teto da carroceria da Audi.
No processo de soldagem de carrocerias, a soldagem composta a laser-arco apresenta a vantagem de uma maior tolerância a folgas em comparação com a soldagem a laser convencional. No entanto, esse processo exige uma análise abrangente da posição relativa do laser e do arco, dos parâmetros de soldagem a laser, dos parâmetros do arco e de outros fatores. O comportamento da transferência de calor e massa no processo de soldagem a laser-arco é complexo, especialmente no que diz respeito à regulação da energia na soldagem de materiais heterogêneos e ao mecanismo de regulação da espessura e da estrutura da camada intermetálica (IMC), que ainda não estão totalmente esclarecidos e requerem pesquisas adicionais.
Outros processos de soldagem a laser para carrocerias automotivas
A soldagem por fusão profunda a laser, a soldagem a laser com material de enchimento, a brasagem a laser e a soldagem de compósitos por arco a laser, entre outros processos de soldagem, possuem uma teoria mais consolidada e uma ampla gama de aplicações práticas. Com o aumento das exigências da indústria automotiva em relação à eficiência na soldagem de carrocerias e a crescente demanda por soldagem de materiais dissimilares na fabricação de veículos leves, a soldagem a laser por pontos, a soldagem a laser oscilante, a soldagem com múltiplos feixes de laser e a soldagem a laser em voo têm ganhado destaque.
Processo de soldagem a laser por pontos
A soldagem a laser por pontos é uma tecnologia avançada de soldagem a laser com vantagens notáveis, como alta velocidade e precisão. O princípio básico da soldagem a laser por pontos consiste em focalizar o feixe de laser em um ponto da peça a ser soldada, de modo que o metal nesse ponto derreta instantaneamente. Ajustando a densidade do laser, obtém-se o efeito de soldagem por condução térmica ou por fusão profunda. Quando o feixe de laser para de funcionar, o metal líquido retorna, solidifica e forma uma junta.
Existem duas formas principais de soldagem a laser por pontos: soldagem a laser pulsada por pontos e soldagem a laser contínua por pontos. O feixe de laser na soldagem a laser pulsada por pontos possui alta energia de pico, mas o tempo de ação é curto, sendo geralmente utilizado para soldagem de metais leves, como ligas de magnésio e ligas de alumínio. Na soldagem a laser contínua por pontos, o feixe de laser possui alta potência média e um longo tempo de ação, sendo utilizado principalmente para soldagem de aço.
Na soldagem de carrocerias, em comparação com a soldagem por resistência a ponto, a soldagem a laser a ponto apresenta as vantagens de ser sem contato e permitir a projeção da trajetória, atendendo à demanda por soldagem de alta qualidade em diferentes folgas de sobreposição dos materiais da carroceria.
Processo de soldagem por oscilação a laser
A soldagem por oscilação a laser é uma nova tecnologia de soldagem a laser que foi proposta nos últimos anos e tem recebido grande atenção. O princípio dessa tecnologia consiste em obter uma oscilação rápida, ordenada e de pequena amplitude do feixe de laser, integrando um espelho oscilante à cabeça de soldagem a laser, conseguindo assim o efeito de agitar o feixe durante o movimento de avanço na soldagem a laser.
As principais trajetórias de oscilação no processo de soldagem por oscilação a laser incluem: oscilação transversal, oscilação longitudinal, oscilação circular e oscilação infinita. O processo de soldagem por oscilação a laser apresenta vantagens significativas na soldagem de carrocerias, pois o estado de fluxo da poça de fusão é alterado significativamente pela oscilação do feixe de laser. Dessa forma, o processo pode eliminar defeitos de não fusão, obter refinamento de grãos e suprimir a porosidade na soldagem de materiais da mesma carroceria, além de solucionar problemas como a mistura insuficiente de diferentes materiais e as propriedades mecânicas deficientes da junta de solda na soldagem de materiais distintos.
Processo de soldagem com múltiplos feixes de laser
Atualmente, os lasers de fibra podem ser usados para dividir um único feixe de laser em múltiplos feixes, utilizando um módulo de divisão de feixe instalado na cabeça de soldagem. A soldagem com múltiplos feixes de laser equivale à aplicação de múltiplas fontes de calor no processo de soldagem. Ao ajustar a distribuição de energia do feixe, diferentes feixes podem desempenhar funções distintas, tais como: o feixe com maior densidade de energia é o feixe principal, responsável pela soldagem por fusão profunda; o feixe secundário, com menor densidade de energia, pode limpar e pré-aquecer a superfície do material e aumentar a absorção da energia do feixe de laser pelo material.
O processo de soldagem com múltiplos feixes de laser pode melhorar o comportamento de evaporação do vapor de zinco e o comportamento dinâmico da poça de fusão durante a soldagem de chapas de aço galvanizado, atenuando o problema de respingos e aumentando a resistência à tração da junta de solda.
Processo de soldagem a laser em voo
A tecnologia de soldagem a laser por voo é uma nova tecnologia de soldagem a laser com alta eficiência e projeto autônomo da trajetória de soldagem. O princípio básico da soldagem a laser por voo consiste em controlar o ângulo dos espelhos X e Y do sistema de varredura por espelhos, através de programação autônoma, para obter a deflexão do feixe de laser em qualquer ângulo.
Tradicionalmente, a soldagem a laser de carrocerias depende principalmente de um robô de soldagem para acionar o cabeçote de soldagem a laser, realizando movimentos síncronos para obter o efeito desejado. No entanto, o movimento repetitivo e alternado do robô limita severamente a eficiência da soldagem de carrocerias devido ao grande número de soldas e ao comprimento das mesmas. Em contraste, a soldagem a laser em voo pode ser realizada dentro de uma determinada faixa, simplesmente ajustando o ângulo do refletor. Portanto, a tecnologia de soldagem a laser em voo pode melhorar significativamente a eficiência da soldagem e possui um amplo potencial de aplicação.
Resumo
Com o desenvolvimento da indústria automotiva, o futuro da tecnologia de soldagem de carrocerias continuará a evoluir tanto no processo de soldagem quanto na tecnologia inteligente.
A carroceria de automóveis, especialmente a de veículos de novas energias, está evoluindo na direção da redução de peso. Ligas leves, materiais compósitos e materiais heterogêneos serão cada vez mais utilizados na fabricação de carrocerias. O processo convencional de soldagem a laser apresenta dificuldades para atender aos requisitos de soldagem, portanto, processos de soldagem eficientes e de alta qualidade se tornarão a tendência futura.
Nos últimos anos, os processos emergentes de soldagem a laser, como a soldagem por oscilação a laser, a soldagem com múltiplos feixes de laser e a soldagem a laser em voo, têm se concentrado em pesquisas teóricas e na exploração de processos relacionados à qualidade e eficiência da soldagem. O futuro exige uma estreita integração entre esses processos emergentes de soldagem a laser e os cenários de soldagem de materiais leves para carrocerias automotivas, incluindo a soldagem de materiais heterogêneos. É fundamental aprofundar as pesquisas em aspectos como o projeto da trajetória de oscilação do feixe de laser, o mecanismo de ação da energia dos múltiplos feixes de laser e a melhoria da eficiência da soldagem em voo, a fim de desenvolver um processo maduro de soldagem de carrocerias leves.
A tecnologia de soldagem a laser para carrocerias está sendo profundamente integrada à tecnologia inteligente. O monitoramento em tempo real do status da soldagem a laser e o controle de feedback dos parâmetros do processo desempenham um papel decisivo na qualidade da soldagem. Atualmente, a tecnologia de soldagem a laser inteligente é utilizada principalmente para o planejamento e rastreamento da trajetória de soldagem e para a inspeção de qualidade pós-soldagem. A pesquisa nacional e internacional sobre a detecção de defeitos de soldagem e a regulação adaptativa de parâmetros ainda está em seus estágios iniciais, e a tecnologia de controle adaptativo dos parâmetros do processo de soldagem a laser ainda não foi aplicada na fabricação de carrocerias.
Portanto, para a aplicação da tecnologia de soldagem a laser nas características do processo de soldagem de carrocerias, o futuro deve ser desenvolvido com um sistema avançado de sensoriamento inteligente para soldagem a laser com múltiplos sensores e um sistema de controle de robôs de soldagem de alta velocidade e precisão para garantir que a tecnologia de soldagem a laser inteligente funcione em tempo real e com precisão em cada etapa, através da etapa "planejamento da trajetória de pré-soldagem - controle adaptativo dos parâmetros de soldagem - inspeção online da qualidade pós-soldagem", para garantir um processamento eficiente e de alta qualidade.
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Data da publicação: 09/12/2022
