A evolução da tecnologia de soldagem a laser

A tecnologia de soldagem a laser progrediu e se tornou o processo preferido dos fabricantes e fabricantes de metal devido à sua incrível variedade de aplicações.

Nota do editor: O texto a seguir é baseado em “Introdução à soldagem a laser industrial”, 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 precisão de alta qualidade. A tecnologia desempenha um papel vital na fabricação automotiva, de dispositivos médicos e em peças para eletrônica aeroespacial e de precisão. Agora ele 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 verdadeiramente incompreensível. Compreender como os lasers realizam tudo isso começa com o conhecimento dos fundamentos – como um feixe de luz funde dois metais.

Os metais, em geral, refletem muito a 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 isto começa quando a óptica – seja um espelho curvo ou uma lente de superfície curva – foca a luz até um tamanho de ponto que pode variar de dezenas a algumas centenas de mícrons de diâmetro. Essa focagem cria uma densidade de potência extrema.

A óptica 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, e é por isso que esses lasers usam materiais de lente alternativos, como o seleneto de zinco (ZnSe). Lasers de um mícron – incluindo fibra, disco e YAG – usam sílica fundida ou vidro.

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

Aplicações de soldagem que exigem altas potências de laser podem criar alguns detritos inevitáveis. Nestes casos, são utilizados espelhos para focar o feixe em vez de óptica transparente. Espelhos de foco são comuns em aplicações de soldagem a laser CO2 usando 5 kW ou mais de potência do laser. Lasers de um mícron, incluindo fibra e disco, também usam espelhos para potências de laser mais altas. Uma configuração comum envolve um feixe (horizontal à superfície de trabalho) atingindo um espelho parabólico que reflete o feixe para baixo.

A óptica do laser foca 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 for a distância focal, menor será o tamanho do ponto e menor será a profundidade do foco. E cada um desses parâmetros pode ser ajustado para otimizar o 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 estão todas inter-relacionadas.

Outro fator é a qualidade do feixe, ou a capacidade de foco inata do feixe de laser. Isso não pode ser ajustado – varia de acordo com o tipo e design do laser – mas o parâmetro afeta a maneira como se inicia o processo geral. Os lasers com a mais alta qualidade de feixe são chamados de lasers monomodo, que possuem um feixe puramente gaussiano ou TEM00 com um perfil de densidade de potência que é 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 de laser comuns possuem versões monomodo 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 do 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.