Soldagem por feixe de laserA soldagem por resistência, com sua alta velocidade, alta precisão e características de soldagem sem contato, é amplamente aplicada em áreas como a automotiva, aeroespacial e de dispositivos eletrônicos, apresentando vantagens exclusivas na união de materiais diferentes. No entanto, as trincas de solidificação (Trincas de Solidificação) geradas durante o processo de soldagem são um dos principais defeitos que restringem sua aplicação industrial. Essas trincas geralmente ocorrem no final da solidificação, na zona de fusão (Zona de Fusão), desencadeadas pelos efeitos combinados da tensão térmica, da contração de solidificação e da película líquida nos contornos de grão, reduzindo significativamente as propriedades mecânicas e a vida útil à fadiga da junta.
1. Mecanismo de formação
O principal mecanismo de fissuração por solidificação reside na película líquida residual nos contornos de grão ao final do processo de solidificação. Durante a solidificação, a poça de fusão divide-se em três zonas: a zona líquida livre, a zona líquida restrita e a zona sólida, conforme ilustrado na Figura 1. Na zona líquida restrita, o fluxo de líquido é bloqueado e não consegue compensar a deformação gerada pela contração durante a solidificação, resultando na separação dos contornos de grão. A razão entre a energia do contorno de grão (γgb) e a energia da interface sólido-líquido (γsl) determina a estabilidade da película líquida: se γgb < 2γsl, a película líquida é instável e ocorre coalescência dos grãos; inversamente, se γgb < 2γsl, a película líquida é estável e a iniciação de fissuras é mais provável.
Além disso, a formação de trincas de solidificação também está relacionada às propriedades metalúrgicas dos materiais. Materiais diferentes apresentam características de solidificação distintas, como a faixa de temperatura de solidificação, a taxa de contração durante a solidificação e a distribuição dos elementos de liga, etc. Essas características influenciam a sensibilidade às trincas. Por exemplo, em materiais que contêm uma grande quantidade de fases eutéticas de baixo ponto de fusão, a sensibilidade às trincas de solidificação é maior porque essas fases eutéticas tendem a formar filmes líquidos contínuos durante a solidificação, intensificando assim a formação de trincas.
Durante oprocesso de soldagem a laserParâmetros de soldagem, como potência do laser, velocidade de soldagem e tamanho do ponto, também influenciam a formação de trincas de solidificação. Esses parâmetros afetam a entrada de calor e o gradiente de temperatura durante o processo de soldagem, alterando, assim, a estrutura de solidificação e a morfologia dos grãos. Por exemplo, maior potência do laser e menor velocidade de soldagem resultam em maior entrada de calor e menor taxa de resfriamento, o que promove o crescimento de cristais colunares e aumenta a sensibilidade a trincas. Por outro lado, menor potência do laser e maior velocidade de soldagem levam a menor entrada de calor e maior taxa de resfriamento, facilitando a formação de cristais equiaxiais e reduzindo a sensibilidade a trincas.
2. Medidas de supressão
Para suprimir eficazmente as fissuras de solidificação emsoldagem a laserPesquisadores propuseram diversas estratégias, que se concentram principalmente no controle da estrutura granular, na otimização dos parâmetros de soldagem e na melhoria das propriedades do material. Ao refinar a estrutura granular, é possível aumentar o número de contornos de grão e reduzir a concentração de tensões, diminuindo assim a formação de trincas. Estudos demonstraram que, utilizando a tecnologia de oscilação do feixe de laser, cristais colunares podem ser transformados em cristais equiaxiais finos sem a adição de outros materiais. A oscilação do feixe de laser dispersa a energia do laser, causando turbulência na poça de fusão, interrompendo assim a direção de crescimento dos cristais colunares e promovendo a formação de cristais equiaxiais, como mostrado na Figura 3. Além disso, a oscilação do feixe de laser também aumenta a largura da poça de fusão, reduz o gradiente de temperatura e prolonga o tempo de solidificação da poça, o que favorece a difusão de solutos e a formação de filmes líquidos, reduzindo significativamente a suscetibilidade a trincas de solidificação.
Distribuição de filmes líquidos nos contornos de grãos sob diferentes formatos de poças.
Diagrama esquemático da poça de fusão da soldagem: a, b) sem oscilação; c, d) com oscilação lateral; e, f) com oscilação longitudinal; g, h) com oscilação circunferencial.
Além dofeixe de laserA tecnologia de oscilação, utilizando fontes de laser duplas, também é um dos métodos eficazes para suprimir fissuras de solidificação. As fontes de laser duplas podem promover a transformação de cristais colunares em cristais equiaxiais, otimizando o ciclo térmico e, consequentemente, reduzindo o tamanho dos grãos e a concentração de tensão. Por exemplo, ao utilizar um laser de CO₂ como fonte de calor principal e um laser pulsado Nd:YAG como fonte de calor auxiliar, um ciclo térmico otimizado pode ser formado durante a soldagem, promovendo a formação de cristais equiaxiais e reduzindo a sensibilidade a fissuras de solidificação, conforme ilustrado na Figura 4.
A otimização dos parâmetros de soldagem também é um meio importante para suprimir trincas de solidificação. Ajustando parâmetros como potência do laser, velocidade de soldagem e tamanho do ponto, é possível controlar a entrada de calor e o gradiente de temperatura durante o processo de soldagem, influenciando assim a estrutura de solidificação e a morfologia dos grãos. Estudos demonstraram que o pré-aquecimento pode reduzir a taxa de resfriamento, promover a formação de cristais equiaxiais e, consequentemente, reduzir a sensibilidade a trincas de solidificação, como ilustrado na Figura 5. Além disso, métodos como a soldagem a laser pulsado e o aumento da velocidade de soldagem também podem promover a transformação de cristais colunares em cristais equiaxiais, alterando a entrada de calor e a taxa de resfriamento, reduzindo assim a sensibilidade a trincas.
Figura 5. a) Grãos equiaxiais não aquecidos, b) grãos equiaxiais pré-aquecidos a 300°C.
Na soldagem a laser de materiais dissimilares, devido às diferenças significativas nas propriedades físicas e químicas entre os materiais, compostos intermetálicos frágeis tendem a se formar, sendo uma das principais causas de trincas de solidificação. Portanto, o ajuste dos parâmetros e configurações do laser para reduzir a formação ou a quantidade de compostos intermetálicos também é uma estratégia importante para suprimir trincas de solidificação. Por exemplo, na soldagem a laser de materiais dissimilares de cobre e alumínio, controlando o deslocamento do feixe de laser e a velocidade de soldagem, a proporção de mistura de cobre e alumínio na poça de fusão pode ser reduzida, diminuindo assim a formação de compostos intermetálicos frágeis e reduzindo a suscetibilidade a trincas. Além disso, o uso de materiais de adição também pode melhorar o desempenho da junta soldada e reduzir a formação de trincas. Os materiais de adição podem reduzir a formação de compostos intermetálicos alterando a composição e a microestrutura da junta soldada e melhorando a tenacidade da mesma.
Trincas de solidificação são um dos defeitos comuns em processos de soldagem a laser. Seu mecanismo de formação é complexo e envolve a interação de múltiplos fatores, como calor, mecânica e metalurgia. O estudo aprofundado do mecanismo de formação de trincas de solidificação fornece uma base teórica para a supressão dessas trincas. Nos últimos anos, pesquisadores têm proposto diversas estratégias para suprimir trincas de solidificação, com foco principal no controle da estrutura granular, na otimização dos parâmetros de soldagem e na melhoria das propriedades do material. A prática comprovou que essas estratégias podem reduzir efetivamente a sensibilidade às trincas de solidificação até certo ponto e melhorar a qualidade e a confiabilidade da soldagem a laser. No entanto, devido à complexidade e diversidade do processo de soldagem a laser, ainda existem algumas lacunas na pesquisa atual. Por exemplo, são necessárias pesquisas mais aprofundadas sobre os mecanismos de inibição de trincas de solidificação em diferentes materiais e condições de soldagem.
Data da publicação: 20 de março de 2025
