A evolução da tecnologia de soldagem a laser

A tecnologia de soldagem a laser progrediu para se tornar o processo de escolha para fabricantes de metal e fabricantes devido à sua variedade incompreensível de aplicações.

Nota do editor: o texto a seguir é baseado em "Introduction to Industrial Laser Welding", apresentado por Tom Kugler, gerente de sistemas de fibra, Laser Mechanisms Inc., na FABTECH, de 13 a 16 de setembro de 2021, Chicago.

A soldagem a laser permeou a fabricação de metais de alta precisão. A tecnologia desempenha um papel vital na fabricação de dispositivos médicos e automotivos e em peças para aeroespacial e eletrônica de precisão. Agora está aparecendo em mais lugares do que nunca, desde o maior OEM até a oficina de chapas metálicas de precisão.

À medida que a soldagem a laser evoluiu, ela se tornou extraordinariamente flexível. A enorme variedade de soldagem que os lasers podem realizar é realmente impressionante. Entender como os lasers realizam tudo isso começa com o conhecimento dos fundamentos – como um feixe de luz funde dois metais.

Os metais, em geral, são muito reflexivos à luz. Um laser concentra e focaliza essa luz para superar a refletividade. Quando energia suficiente do feixe é absorvida, o metal começa a se liquefazer.

Tudo isso começa quando a ótica – seja um espelho curvo ou uma lente de superfície curva – focaliza a luz em um tamanho de ponto que pode variar de dezenas a algumas centenas de mícrons de diâmetro. Essa focalização cria uma densidade de potência extrema.

A ótica transparente a ser usada depende do laser e de seu comprimento de onda. Os lasers de CO2 emitem um comprimento de onda de 10,6 mícrons. O vidro padrão não é transparente para isso, e é por isso que esses lasers usam material de lente alternativo, como seleneto de zinco (ZnSe). Lasers de um mícron - incluindo fibra, disco e YAG - usam sílica fundida ou vidro.

As lentes de ZnSe que focalizam o feixe de 10,6 mícrons de um laser de CO2 têm excelente condutividade de calor, o que torna a ótica um pouco mais tolerante a detritos. Infelizmente, não há nenhum material econômico que exiba condutividade de calor semelhante ao laser de 1 mícron, o que significa que o ambiente de foco deve permanecer limpo e ter vidro de boa qualidade ou ótica de sílica fundida.

Aplicações de soldagem que requerem altas potências de laser podem criar alguns detritos inevitáveis. Nesses casos, espelhos são usados ​​para focalizar o feixe em vez de lentes transparentes. Espelhos de foco são comuns em aplicações de soldagem a laser de CO2 usando 5 kW ou mais de potência de laser. Lasers de um mícron, incluindo fibra e disco, também usam espelhos para maiores potências de laser. Uma configuração comum envolve um feixe (horizontal à superfície de trabalho) atingindo um espelho parabólico que reflete o feixe para baixo.

A ótica do laser focaliza o diâmetro bruto do feixe para criar uma profundidade de foco, onde o feixe tem intensidade suficiente para processar o material. O ponto mais estreito na cintura da viga é o tamanho do ponto. A distância focal é a distância entre a lente e o ponto focal (veja a Figura 1).

Todas essas variáveis ​​se inter-relacionam. Quanto menor a distância focal, menor o tamanho do ponto e menor a profundidade de foco. E cada um desses parâmetros pode ser ajustado para otimizar um processo de soldagem. Por exemplo, estender a distância focal pode alterar a posição do foco e aumentar a profundidade do foco, o que pode aumentar a penetração da solda.

FIGURA 1. Variáveis ​​como diâmetro do feixe, profundidade de foco, tamanho do ponto e distância focal se inter-relacionam.

Outro fator é a qualidade do feixe ou a focalização inata do feixe de laser. Isso não pode ser ajustado - varia de acordo com o tipo e o design do laser -, mas o parâmetro afeta a maneira como se disca o processo geral. Os lasers com a mais alta qualidade de feixe são chamados de lasers de modo único, que possuem um feixe puramente gaussiano ou TEM00 com um perfil de densidade de potência altamente intenso no centro e menos intenso próximo às bordas. A alta qualidade do feixe ajuda a alcançar uma maior profundidade de foco, o que, por sua vez, abre uma série de possibilidades de processamento.

Todos os tipos comuns de laser têm versões de modo único com alta qualidade de feixe, mas o impacto dessa alta qualidade de feixe depende do comprimento de onda do laser. Um laser monomodo de CO2 de 10,6 mícrons terá um tamanho de ponto 10 vezes maior que um laser de fibra com comprimento de onda de 1 mícron. Em geral, um comprimento de onda mais curto também significa um tamanho de ponto de foco menor.