Tanto a soldagem a laser quanto a soldagem a arco são utilizadas há muito tempo na produção industrial e permitem um amplo espectro de aplicações na área de tecnologia de união de materiais. Cada um desses processos possui áreas de aplicação específicas, descritas pelos processos físicos de transporte de energia para a peça de trabalho e pelos fluxos de energia que podem ser obtidos. A energia é transmitida da fonte de feixe de laser para o material a ser processado por meio de radiação coerente infravermelha de alta energia, utilizando um cabo de fibra óptica. O arco transmite o calor necessário para a soldagem por meio de uma alta corrente elétrica que flui para a peça de trabalho através de uma coluna de arco. A radiação laser resulta em uma zona termicamente afetada muito estreita, com uma grande relação entre a profundidade de soldagem e a largura da junta (efeito de solda profunda). A capacidade de preenchimento de folgas do processo de soldagem a laser é muito baixa, devido ao seu pequeno diâmetro de foco, mas, por outro lado, pode atingir velocidades de soldagem muito altas. O processo de soldagem a arco possui uma densidade de energia muito menor, mas produz um ponto focal maior na superfície da peça de trabalho e é caracterizado por uma velocidade de processamento mais lenta. Ao combinar esses dois processos, é possível obter sinergias úteis. Em última análise, isso possibilita alcançar vantagens em termos de qualidade e benefícios de engenharia de produção, além de maior eficiência de custos. Esse processo oferece aplicações interessantes e economicamente atrativas, principalmente na indústria automobilística, visto que permite tolerâncias mais elevadas nas soldas, possibilita maiores taxas de união e permite alcançar parâmetros mecânicos/tecnológicos muito bons.
1. Introdução:
Sabe-se como combinar luz laser e arco em um processo de soldagem híbrido desde a década de 1970, mas, por muito tempo, nenhum desenvolvimento adicional foi realizado. Recentemente, pesquisadores voltaram sua atenção para o tema e tentaram unir as vantagens do arco com as do laser em um processo de soldagem híbrido. Enquanto, no início, as fontes de laser ainda precisavam comprovar sua adequação para uso industrial, hoje em dia são equipamentos tecnológicos padrão em muitas empresas manufatureiras.
A combinação da soldagem a laser com outro processo de soldagem é denominada "processo de soldagem híbrida". Isso significa que um feixe de laser e um arco elétrico atuam simultaneamente em uma mesma zona de soldagem, influenciando-se e auxiliando-se mutuamente.
2. Laser:
A soldagem a laser exige não apenas alta potência do laser, mas também um feixe de alta qualidade para obter o desejado "efeito de solda profunda". A maior qualidade do feixe resultante pode ser explorada tanto para obter um diâmetro de foco menor quanto uma distância focal maior.
Para os projetos de desenvolvimento em andamento, está sendo utilizado um laser de estado sólido bombeado por lâmpada com potência de feixe de 4 kW. A luz do laser é transmitida por meio de uma fibra óptica de vidro de 600 µm.
A luz laser é transmitida por meio de uma fibra de vidro, na qual o início e o fim são resfriados a água. O feixe de laser é projetado na peça de trabalho por um módulo de focalização com uma distância focal de 200 mm.
3. Processo híbrido a laser:
Para soldagem de peças metálicas, o feixe de laser Nd:YAG é focalizado com intensidades acima de 10⁶ W/cm². Quando o feixe de laser atinge a superfície do material, ele aquece esse ponto até a temperatura de vaporização, e uma cavidade de vapor se forma no metal de solda devido à liberação do vapor metálico. A característica distintiva da junta de solda é sua alta relação profundidade/largura. A densidade de fluxo de energia do arco de combustão livre é ligeiramente superior a 10⁴ W/cm². A Figura 1 ilustra o princípio básico da soldagem híbrida. O feixe de laser
A soldagem híbrida, representada aqui, fornece calor ao metal de solda na parte superior da junta, além do calor do arco. Ao contrário de uma configuração sequencial, onde dois processos de soldagem separados atuam em sucessão, a soldagem híbrida pode ser vista como uma combinação de ambos os processos de soldagem atuando simultaneamente em uma mesma zona de processo. Dependendo do processo de arco ou laser utilizado e dos parâmetros do processo, os processos influenciarão um ao outro em diferentes graus e de diferentes maneiras [1, 2].
Graças à combinação do processo a laser e do processo a arco, há também um aumento tanto na profundidade de penetração da solda quanto na velocidade de soldagem (em comparação com cada um dos processos usados isoladamente). O vapor metálico que escapa da cavidade de vapor reage retroativamente ao plasma do arco. A absorção da radiação do laser Nd:YAG no plasma de processamento permanece desprezível. Dependendo da proporção escolhida entre as duas potências de entrada, o caráter do processo geral pode ser determinado, em maior ou menor grau, pelo laser ou pelo arco [3,4].
Figura 1: Representação esquemática: Soldagem híbrida a laser
A absorção da radiação laser é substancialmente influenciada pela temperatura da superfície da peça. Antes que o processo de soldagem a laser possa ser iniciado, a refletância inicial deve ser superada, especialmente em superfícies de alumínio. Isso pode ser alcançado iniciando a soldagem com um programa de inicialização específico. Após a temperatura de vaporização ser atingida, forma-se a cavidade de vapor, permitindo que quase toda a energia da radiação seja absorvida pela peça. A energia necessária para isso é, portanto, determinada pela absorção dependente da temperatura e pela quantidade de energia perdida.
por condução para o resto da peça. Na soldagem LaserHybrid, a vaporização ocorre não apenas na superfície da peça, mas também no arame de enchimento, o que significa que há mais vapor metálico disponível, o que, por sua vez, facilita a entrada da radiação laser. Isso também evita a perda de processo [5, 6, 7, 8, 9].
4. Aplicação automotiva:
Ao utilizar a tecnologia de estrutura espacial, é possível uma redução de peso de 43% em comparação com uma carroceria de aço.
Figura 2: Conceito Audi Space Frame A2
A estrutura espacial do Audi A2 consiste em 30 m de solda a laser (faixas amarelas na figura 2) e 20 m de solda MIG. Além disso, são utilizados 1700 rebites.
Figura 3: Comparação de perfis e técnicas de junção no Audi-A2
A Figura 4 mostra uma junta soldada por LaserHybrid de um material fundido de ALMg3 com uma chapa de AlMgSi. O arame de solda é de AlSi5 e o gás de proteção utilizado é o argônio. Com o aumento da potência do laser, é possível obter uma penetração mais profunda. A combinação do feixe de laser com o arco elétrico dessa forma resulta em uma poça de fusão maior do que com o processo de soldagem a laser isoladamente. Isso possibilita a soldagem de componentes com folgas maiores.
Figura 4: Junta sobreposta com uma folga de 0,5 mm
Na indústria automotiva, existem muitas aplicações de soldagem por sobreposição sem preparação prévia da junta. Atualmente, o processo mais moderno para essa soldagem é a soldagem a laser com arame de adição frio, devido à fissuração a quente da liga AA 6xxx. Quando a junta é soldada com arame de adição, grande parte da energia do laser é perdida para fundir esse arame.
A próxima figura representa as diferenças entre a soldagem LaserHybrid e a soldagem a laser em uma junta sobreposta com velocidade de soldagem de 2,4 m/min. No caso da soldagem a laser, não há possibilidade de preenchimento do cordão de solda, resultando em mordedura. Além disso, a penetração no material base é muito pequena. A largura do cordão de solda é muito pequena e, portanto, espera-se uma baixa resistência à tração. No caso da soldagem LaserHybrid,
Material adicional é transportado para a poça de fusão. O rebaixo é preenchido com o arame do processo MIG, e uma parte da energia do laser é economizada. Essa energia economizada pode ser usada para aumentar a penetração no material base, e a largura do cordão de solda é maior que a espessura do material, conforme exigido pela simulação numérica.
Figura 5. Comparação entre soldagem LaserHybrid e soldagem a laser sem arame de enchimento.
Com o processo de soldagem LaserHybrid, é possível soldar materiais de alumínio, aços e aços inoxidáveis com espessura de até 4 mm. Se a espessura for muito grande, a penetração total não é possível. Para unir materiais revestidos com zinco, também é preferível utilizar o processo de brasagem a laser.
Outras aplicações na indústria automotiva incluem sistemas de transmissão, eixos e carrocerias, onde o processo de soldagem híbrida a laser pode ser adequado.
Cabeçote de soldagem:
A cabeça de soldagem deve ter dimensões geométricas reduzidas para garantir boa acessibilidade aos componentes a serem soldados, especialmente na área de funilaria e pintura automotiva. Além disso, deve ser projetada para permitir uma conexão destacável adequada à cabeça do robô e o ajuste de variáveis do processo, como distância focal e distância da tocha, em todas as coordenadas cartesianas. A Figura 5 mostra a cabeça de soldagem durante o processo. Os respingos que ocorrem durante a soldagem levam ao aumento da sujeira no vidro de proteção. O vidro de quartzo é revestido em ambos os lados com um material antirreflexo e tem como objetivo proteger o sistema óptico do laser contra danos.
Dependendo do grau de sujidade, os respingos que se acumulam no vidro podem reduzir a potência do laser que efetivamente incide sobre a peça de trabalho em até 90%. Sujidade mais intensa geralmente leva à destruição do vidro protetor, pois uma grande proporção da energia radiante é absorvida pelo próprio vidro, causando tensões térmicas. Com esse cabeçote e equipamento de soldagem, é possível utilizá-lo para soldagem LaserHybrid, soldagem a laser, soldagem MSG e outros.Brasagem a laser com fio quente.
Figura 6: Cabeçote e processo de soldagem
5. Vantagens da soldagem híbrida a laser:
A fusão do feixe de arco e do feixe de laser resulta nas seguintes vantagens: Vantagens da soldagem LaserHybrid em relação à soldagem a laser:
• maior estabilidade do processo
• maior capacidade de ponteamento
• penetração mais profunda
• custos de investimento de capital mais baixos
• maior ductilidade
Vantagens da soldagem LaserHybrid em relação à soldagem MIG:
• velocidades de soldagem mais altas
• Penetração mais profunda em velocidades de soldagem mais altas
• menor entrada térmica
• maior resistência à tração
• cordões de solda mais estreitos
Figura 7: Vantagens de combinar os dois processos
O processo de soldagem a arco é caracterizado por uma fonte de energia de baixo custo, boa capacidade de ponteamento e pela facilidade de influenciar a estrutura pela adição de metais de enchimento. As características distintivas do processo de soldagem a laser, por outro lado, são a grande profundidade de soldagem, a alta velocidade de soldagem, a baixa carga térmica e os cordões de solda estreitos que ele proporciona. Acima de uma certa densidade de feixe, o laser produz um "efeito de solda profunda" em materiais metálicos, o que permite a soldagem de componentes com maiores espessuras de parede – desde que a potência do laser seja suficientemente alta. A soldagem híbrida a laser, portanto, proporciona maiores velocidades de soldagem, estabilização do processo devido à interação entre o arco e o feixe de laser, maior eficiência térmica e maiores tolerâncias da peça. Como a poça de fusão é menor do que no processo MIG, há menos aporte térmico e, consequentemente, uma zona afetada pelo calor menor. Isso significa menos rebarbas na solda.
distorção, o que reduz a quantidade de trabalho subsequente de endireitamento pós-soldagem que precisa ser feito.
Quando existem duas poças de fusão separadas, a entrada térmica subsequente do arco faz com que a área soldada pelo feixe de laser – especialmente no caso do aço – receba um tratamento de têmpera pós-soldagem, distribuindo os valores de dureza de maneira mais uniforme ao longo da junta. A Figura 6 resume as vantagens do processo combinado (ou híbrido).
Analisando agora as vantagens econômicas da soldagem híbrida em relação à soldagem a laser, podemos afirmar o seguinte: o cordão de solda é composto em parte por solda a laser e em parte por solda MIG. O processo híbrido permite reduzir a potência do feixe de laser, o que significa que o consumo de energia da fonte de laser pode ser significativamente reduzido, visto que o equipamento de laser possui uma eficiência de apenas 3%. Em outras palavras: uma redução de 1 kW na potência do feixe de laser que incide sobre a peça de trabalho leva a uma redução de aproximadamente 35 kVA na potência consumida da rede elétrica.
Um aparelho de feixe de laser custa cerca de 0,1 milhão de euros por cada 1 kW de potência.potência do feixe de laserPara dar apenas um exemplo, num caso em que a utilização do processo híbrido permita usar um equipamento de laser de 2 kW em vez de um com 4 kW de potência, isso resulta numa economia de 0,2 milhões de euros em despesas de investimento. No entanto, é importante lembrar que, para o processo híbrido, será necessária uma máquina MIG com um custo aproximado de 20.000 euros.
Graças à maior velocidade de soldagem, tanto o tempo de fabricação quanto os custos de soldagem podem ser reduzidos.
6. Brasagem a laser com fio quente:
Outra possibilidade para combinar o feixe de laser com um fio de enchimento é o processo LaserHotwire [10]. Neste procedimento, o fio de enchimento é pré-aquecido com a mesma fonte de energia, que pode ser usada para oProcesso de soldagem híbrida a laserO fio de solda suporta uma corrente de 100 A a 220 A. A velocidade de alimentação do fio depende da seção transversal do cordão de brasagem e da velocidade de brasagem. A brasagem, através da quantidade de metal de adição, oferece um material de moldagem que pode ser acabado com mais facilidade do que cordões de solda comparáveis. Através da brasagem de peças em chapa, os trabalhos de reparo podem ser realizados de forma mais simples do que seria no caso de juntas soldadas. Uma vantagem da brasagem a laser com fio quente é a boa resistência à corrosão da zona brasada.
Como metais de enchimento, são utilizadas ligas baratas à base de cobre, como o SG-CuSi3, e o argônio serve como gás de proteção.
Figura 8: Representação esquemáticaBrasagem a laser com fio quente:
A próxima figura mostra a seção transversal de um material brasado a fio quente por laser. O material revestido de zinco é brasado a uma velocidade de 3 m/min e o fio de enchimento tem uma corrente de 205 A. A entrada de calor é muito baixa, resultando em baixa distorção no processo de brasagem.
7. Resumo:
A soldagem híbrida a laser é uma tecnologia totalmente nova que oferece sinergias para uma ampla gama de aplicações na indústria metalúrgica, especialmente onde não é possível ou viável financeiramente atingir as tolerâncias de componentes exigidas por outros métodos.soldagem por feixe de laserA gama de aplicações muito mais ampla e a alta capacidade do processo combinado levam a uma maior competitividade em termos de redução de investimentos, tempos de fabricação mais curtos, custos de produção mais baixos e maior produtividade.
O processo LaserHybrid também oferece uma nova abordagem para a soldagem de alumínio. No entanto, um processo estável e viável na prática só se tornou possível relativamente recentemente, graças à maior potência de saída disponível dos lasers de estado sólido. Numerosos estudos examinaram os fundamentos dos processos de soldagem híbrida laser-arco. Por "processo de soldagem híbrida", entendemos a combinação da soldagem a laser com o processo de soldagem a arco, com apenas uma única zona de processo (plasma e fusão). Estudos de pesquisa básica demonstraram que é possível um processo no qual – pela combinação dos dois processos – sinergias podem ser alcançadas e as desvantagens de cada processo separado podem ser compensadas, resultando em maiores possibilidades de soldagem, soldabilidade e confiabilidade para diversos materiais e construções. Isso foi demonstrado, em particular, para ligas de alumínio. Ao escolher parâmetros de processo favoráveis, é possível influenciar seletivamente propriedades da solda, como geometria e constituição estrutural. O processo de soldagem a arco aumenta a capacidade de ponteamento pela adição de metal de enchimento; ele também determina a largura do cordão de solda e, assim, reduz a quantidade de preparação da peça necessária. Além disso, as interações que ocorrem entre os processos levam a um aumento substancial na eficiência do processo. Esse processo combinado também requer custos de investimento consideravelmente menores do que o processo de soldagem a laser.
O processo de brasagem a laser com fio quente pode ser usado especialmente em materiais revestidos com zinco para obter uma boa resistência à corrosão.
Data da publicação: 18/04/2025
