Soldagem a laser

Solda a laser

O nome LASER é a abreviatura da descrição do processo em inglês: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

Traduzindo para o português: Amplificação da luz através da emissão estimulada de radiação.

Os primeiros trabalhos de pesquisa que conduziram à invenção do feixe de laser foram realizados por Albert Einstein e datam de 1917, versão sobre os fenômenos físicos de emissão espontânea e estimulada subjacentes ao funcionamento do laser.

Townes confirmou experimentalmente em 1954 o fenômeno através da aplicação da emissão estimulada à amplificação de ondas ultracurtas.

O primeiro LASER, um sólido de rubi, excitado por uma lâmpada fluorescente de vapor de mercúrio e filamento helicoidal, foi construído em 1960 por Maimann.

Poucos meses depois os Laboratórios da AT&T Bell desenvolveram um laser gasoso de He-Ne, e somente alguns anos depois surgiria um LASER de CO2.

O feixe LASER se propaga no ar com pouca divergência, orientando-se por óticas sem perder ou alterar suas características físicas, fato este que impulsionou seu desenvolvimento.

Existem hoje vários tipos, indo do sólido ao gasoso, com comprimentos de onda na faixa do Infravermelho (IF) até o Ultravioleta (UV).

Em uma rápida definição, podemos dizer que o LASER é um dispositivo que produz um feixe de radiação.

EQUIPAMENTOS

Para que se possa utilizar a radiação de forma otimizada, necessita-se uma definição do comprimento de onda e uma direção de propagação do feixe.

O equipamento laser é composto basicamente de três sistemas, que são apresentados a seguir.

FONTE DE ALIMENTAÇÃO

Esta parte do equipamento é a que fornece a energia primária para a excitação dos átomos e principalmente é responsável pelo processo de produção da inversão de população, devido a um sistema de popular preferencialmente um nível específico de energia. Assim, a fonte de alimentação é na verdade uma fonte excitadora.

MEIO ATIVO

Por meio ativo entende-se o material utilizado (gás, líquido, sólido ou semi-condutor), para fazer a conversão de energia elétrica em radiante, uma vez que, devido a excitação e inversão de população, pode-se provocar emissão estimulada nestes materiais.

CAVIDADE RESSONANTE

É o local onde ocorre o processo de amplificação da radiação.

Este processo é mantido, devido a realimentação que ocorre em função da própria construção da cavidade, pois esta tem dois espelhos que refletem e amplificam o feixe, que após refletido escapa por um pequeno orifício.

Este mecanismo, garante que o feixe seja extremamente direcionado.

CONSTRUÇÃO DO LASER DE CORPO SÓLIDO (LASER A RUBI, LASER YAG)

O cristal de rubi usado consiste de uma estrutura básica de Al2 O3

Se o cristal de rubi receber, de fora, energia em forma de radiação eletromagnética (luz visível), irão ocupar um nível mais alto de energia; interrompido o estimulo, os elétrons ocuparão um nível de energia metaestável.

A geração do feixe laser propriamente dito ocorre então deste nível de energia para o nível básico, liberando luz coerente.

Forma-se então o ressonador ótico, mostrado na figura abaixo.

O raio de luz surgido desta forma é concentrado numa superfície muito pequena por apenas uma lente e serve como fonte de energia. O laser a rubi tem um grau de rendimento de aproximadamente 0,1%.

O laser YAG de ítrio-alumínio-granada é mais apropriado para solda. Seu grau de rendimento está entre 0,2% a 3%.

CONSTRUÇÃO DE LASER GASOSO ( LASER DE CO2)

O laser a CO2, chamados de Lasers de alta potência, largamente empregados para solda e corte.

O ressonador ótico, neste caso, consiste de um tubo de descarga de gás pelo qual passa o gás de laser, aqui uma mistura de CO2, N2, He.

Neste é aplicada uma tensão contínua da ordem de dezenas de KV. O meio laser tem uma pressão de operação de aproximadamente 100 mbar.

Por meio de descarga luminosa elétrica o CO2 é estimulado, gerando uma potencia de ate 700 w/m de comprimento de ressonador.

Devido à sua potência alta e do bom grau de rendimento, pode ser usado para soldar chapas mais espessas, no caso de aço, chega-se hoje até 38,0 mm com um laser de 45 KW

PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO PROCESSO

De posse de um feixe LASER, a soldagem ocorre da seguinte maneira: a radiação do feixe ao interagir com a materia é parte absorvida, parte refletida.

A parte absorvida é de tal ordem de grandeza que aquece o material levando-o a fusão ou vaporização dependendo da densidade de energia.

No caso de ter-se a vaporização do material, forma-se uma coluna de vapores metálicos partindo do ponto de interação do feixe com o material e avançando em direção ao interior da peça.

Esta coluna,semelhante a um furo, recebe o nome de Key-hole e absorverá grande parte da radiação incidente na peça distribuindo-o posteriormente.

Como o processo é dinâmico, o deslocamento da peça garantirá a sustentação do key-hole, porém existirá uma velocidade de avanço mínima para que o processo se sustente.

Com o deslocamento do key-hole, a massa de material líquido vai se solidificando ocorrendo assim a soldagem.

Em oposição ao caso acima citado, quando a densidade de energia não for suficiente para a vaporização(e for apenas para fusão), ocorrerá a soldagem por condução, que terá um mecanismo extremamente semelhante aos processos de soldagem convencionais, com o calor sendo dissipado lateralmente.

PARÂMETROS DE CONTROLE DO PROCESSO

PARÂMETROS DA FONTE LASER

Sem dúvida, a potência do feixe é o fator mais importante a ser considerado neste grupo, uma vez que, está diretamente ligado com a espessura máxima a ser soldada.

Além deste, é importante também conhecer o comprimento de onda da radiação emitida uma vez um mesmo comprimento de onda apresentará facilidade em soldar alguns materiais e dificuldade para outros.

O modo do feixe é a forma como a potência é distribida ao longo do feixe.

O sistema ótico é o que determinará a diferença entre a potência gerada e a que efetivamente vai atingir a peça, uma vez que o feixe perde potência em cada espelho refletor utilizado.

Além disto, este sistema atua também na determinação do diâmetro do feixe na zona de interação.

Por último o modo de funcionamento do LASER determinará a potência máxima e a simetria do feixe.

PARÂMETROS DO PROCESSO DE SOLDAGEM

As principais variáveis primárias independem do tipo de LASER e são as seguintes:

• Potência do Raio LASER

• Diâmetro do Raio incidente

• Absorção

• Velocidade de Soldagem

• Outros Parâmetros, como: Proteção gasosa, distância focal, pulso, geometria e abertura da junta

As variáveis secundárias são consideradas:

• Profundidade da Penetração

• Propriedade físicas e metalurgicas.

Potência do raio LASER

A penetração é diretamente relacionada com a densidade de potência, a qual esta relacionada com a potência e o diâmetro do raio.

Diâmetro do raio incidente

É o parâmetro mais importante pois determina a densidade de energia, porem muito difícil de medir-se para altas potências de laser.

Absorção

A absorção é a que determina a eficiência do feixe de luz incidente na peça, qualquer cálculo da energia transferida para a soldagem laser é baseada na energia absorvida pela peça, para superfícies polidas determinou que absorção é proporcional a raiz quadrada da resistividade elétrica.

Velocidade de soldagem

Para uma dada potência, um decrécimo na velocidade de soldagem , origina um aumento da penetração.

Elevadas velocidades podem originar insuficientes penetrações, enquanto baixas velocidades conduzem a fusões excessivas do metal, provocando vaporização e perda de material com a consequente formação de defeitos.

O Gás de Proteção

O gás de proteção serve para remover o plasma formado na fusão (ou vaporização) do material.

Caso não seja feita esta remoção, o plasma absorve e desvia o raio laser, sendo necessário remover o plasma formado.

A Posição Focal, é considerada como o máximo ponto de convergência do feixe, considera-se como um ponto ótimo 1 mm abaixo do nível da superfície da peça, mas pode variar dependendo da espessura a ser soldada.

O Pulso, muito empregado na soldagem, é usado principalmente para aumentar a penetração, os parâmetros de pulso são a duração, geralmente em m/s, e a frequência de pulso em Hz.

PARÂMETROS DO MATERIAL E SUA PREPARAÇÂO.

A localização da peça a soldar na direção perpendicular ao feixe é extremamente importante pois a focalização do feixe faz com que este tenha sua densidade ótima em uma dada distância.

Fora dela, o feixe já não é tão concentrado e consequentemente, para a mesma potência, apresentará maior dimensão de sangria e menor penetração.

A configuração das juntas a ser soldadas e as tolerâncias dimensionais da preparação assumem fundamental importância neste processo, uma vez que, como o feixe é extremamente colimado, qualquer falha na preparação da junta a soldar fará com que o feixe passe pela falha sem interagir com a peça.

O material a ser soldado apresenta diferentes propriedades e entre elas a absortividade do material é extremamente importante pois dará uma indicação para determinar quanto de radiação será refletida ou absorvida pelo material e com isto qual a potência de feixe necessária e se será pulsado ou não.