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Dr. L. O. Vilarinho Soldagem a Laser (LBW)Faculdade de Eng. Mecânica - UFU
UFU SOLDAGEM E USINAGEM A LASER – LBW e LBM
Prof. Louriel Oliveira VilarinhoE-mail: vilarinho@mecanica.ufu.br (transparências disponíveis via moodle)
Bibliografia
AWS, Welding Handbook: Welding Processes, Vol. 2, 8th ed., Miami, 1991, ISBN 0-87171-354-3, Chapter 22, pp. 713-738.
Benedict, G. F., Nontraditional Manufacturing Processes, Marcel Dekker Inc., NY, 1987, ISBN 0-8247-7352-7, Chapter 20, pp. 299-331.
Marques, P. V., Tecnologia da Soldagem, Ed. O Lutador, 2002, pp.301-307.
Groover, M. P., Fundamentals of Modern Manufacturing, 2th ed., John Wiley & Sons, 2004, ISBN 0-471-65654-2, pp. 717.
http://www.twi.co.uk
SOLDAGEM A LASER LBW
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1. INTRODUÇÃO
Definição
Soldagem a Laser (Laser Beam Welding –LBW) é o processo de soldagem por fusão de alta densidade de energia que produz a coalescência localizada de materiais através do calor gerado por um feixe concentrado de luz coerente e monocromática impactado sobre a junta a ser soldada.
(Groover, 2004)
SOLDAGEM A LASER - LBW
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LASER “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation"
(AWS, 1991)
• Conversor de energia Converte energia (elétrica) em um feixe de luz (fótons):
– Monocromática (teoricamente, um único comprimento de onda);
– Coerente (raios de luz em fase);
– Colimados (divergência menor que 2 mrad).
• Estas propriedades permitem que a luz laser seja focada, através de lentes, emum pequeno ponto resultando em altas densidades de energia.
Espelhos(Feedback)
100% 10-98%
MEIO
Fonte de energia
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• Não precisa de vácuo;• Feixe laser facilmente manipulado;• Não gera Raios-x;• Melhor cordão de solda;• Não é influenciado pela presença de campos magnéticos.
0.35 kJ/mm107 W/cm2EBW0.35 kJ/mm107 W/cm2LBW1.25 kJ/mm150 W/cm2TIG5.8 kJ/mm10 W/cm2Oxi-acetilênica
Aporte térmicoDensidade de EnergiaProcesso
Processo de alta densidade de energia
• Maior relação penetração/largura (20:1 contra 10:1);• Maior rendimento elétrico (60-70% contra 10-20%);• Penetração até 50 mm, enquanto que o LBW está limitado, normalmente a 19 mm.
Processos de alta densidade de energia
LBW x EBW
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• Alta relação penetração/largura (10:1);
• Alta velocidade de soldagem;
• Baixo aporte de calor ( níveis de
distorção e tensões residuais);
• Alta flexibilidade ( automatizável);
• Cordões com bom acabamento;
• Juntas com excelentes propriedades mecânicas;
• Não requer eletrodos;
• Soldagem de materiais dissimilares.
Vantagens:
Aço C-Mn, 12mm: 9kW Nd:YAG Laser a 0.7m/min (TWI, 2002)
(TWI, 2002)
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Limitações
• Requer posicionamento e alinhamento cuidadoso da junta;
• Penetrações da ordem de 19 mm para equipamentos de média potência;
• Problemas com materiais de refletividade (Al, p.ex.);
• Devido à solidificação, pode ocorrer porosidade e trincas;
• Baixa eficiência energética (~10%);
• Instalações são de dimensões;
• Alto investimento inicial.
(TWI, 2002)
(AWS, 1991)
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AltaAltaBaixaFlexibilidade
OpcionalOpcionalNecessáriaProteção gasosa
Transmissão e aquecimento em 0.1-10mm
Transmissão e aquecimentoem 0.1-10mm
Completa absorçãoaté 0.5mm
Interação com plásticos
100W: £0.1-0.21000W: £1-2
100W: £0.11000W: £2-4
100W: £0.2-0.51000W: £3-5
Custo de manutenção (£/hr)
100W: £15-20k1000W: £80-100k
100W: £40k1000W: £80k
100W: £20k1000W: £50k
Investimento inicial0.5x0.50.1-0.5 diam.0.2-0.7 diam.Dimens. Mín. (mm)
Fibra ópticaFibra ópticaSistema ópticoTransmissão do feixe
30%3%10%Eficiência
------(6 kW)
100W a 1kW(6 kW)
0,5 a 25kW(60 kW)
Faixa de potência(Potência máx.)
0,8-1,01,0610,6Comp. de onda (µm)Diodo (estado sólido)Nd:YAG (estado sólido)CO2 (gás)Tipo de Lasers
(TWI, 2004)
2. EQUIPAMENTO Cristal de Granada de Ítrio-Alumínio dopado com Neodímio (Nd:Y3Al5O12)
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Fabricantes
• Preco Laser Systems500 Laser Drive, Somerset, Wisconsin 54025 USA
Preços: R$ 100.000 a R$ 3.000.000 (US$ 40,000 a US$ 1,000,000)
• Trumpf Inc.111 Hyde Rd, Farmington, CT 06032, USA
• PRC LaserNorth Frontage Road, Landing, NJ 07850, USAComauto Commercial Ltda (representante)Rua Uruguai, 687 - Vila Frezzarin – Americana, SP
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UFU Aspectos Construtivos
Laser de Estado Sólido (Nd:YAG)
(AWS, 1991)
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UFU Aspectos Construtivos
Laser a gás (CO2)
(AWS, 1991)
(AWS, 1991)
(AWS, 1991)
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UFU Arranjo óptico de focalização
- É possível distribuir um feixe para várias estações de trabalho.
- No Laser CO2, os espelhos são metálicos e refrigerados a água.
(AWS, 1991)
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Laser Contínuo x Laser Pulsado
Pulsado (ms) Soldagem a ponto de materiais de pequena espessura (potência até 100 kW).
Contínuo (vários kW) Soldagem de juntas profundas e seções espessas.
(Lindberg, 1990)
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TEM00Transverse Electromagnetic Modes
(AWS, 1991)
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Ampliação (M)
Aumentando-se o valor de M, melhora-se o foco do laser e obtém-se um cordão de melhor qualidade.
(AWS, 1991)
(AWS, 1991)(AWS, 1991)
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UFU3. PARÂMETROS DO PROCESSO
• Potência do feixe;• Distância focal;• Velocidade de soldagem (2.5 a 80 m/min);• Duração do pulso (0,1 a 20 ms);• Refletividade das peças.
(Marques, 2002)
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Nd:YAG; Aço ao carbono (TWI, 2002)
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Keyhole
(AWS, 1991)
Condução
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UFU Técnica “Keyhole”
(Lindberg, 1990)
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Na LBW é possível utilizar gás de proteção (Ar, He, ...), que é inerte e tem a função de proteger a poça de fusão da contaminação atmosférica.
(AWS, 1991)
Gás de proteção (opcional)
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Tipos de Junta
(Benedict, 1987)
(AWS, 1991)
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“Tailor-Welded Blanks”
4. APLICAÇÕES E EXEMPLOS
Crescente utilização do LBW na indústria automobilística (redução do peso do chassis e aumento da segurança do veículo).
(Kalpakjian, 2001)
EXEMPLO
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Laser CO26kW
Indústria automotiva – Engrenagens e Transmissão
(Vários autores)
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Soldagem autógena Nd:YAG com junta de topo em uma tubulação de aço de 12mm na posição 2G (TWI, 2002).
Tubulações (pipelines)
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Metais Dissimilares
(AWS, 1991)
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Lâmina de barbear:13 pontos de soldagem (Ø = 0,5 mm) feitos com Nd:YAG a uma taxa de 3 milhões de soldas por hora (Kalpakjian, 2001)
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Processos Híbridos
Processo Híbrido Laser CO2 e MAG (TWI, 2002)
Laser CO2
MAG
Híbrido
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1. DEFINIÇÃO: Jato de gás auxiliar para facilitar a expulsão do material da região de corte. O gás pode ser inerte ou reativo.
(Benedict, 1987)
USINAGEM A LASER - LBM
Na indústria
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2. CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS
Capacidade de cortar qualquer metal e diversos materiais não - metálicos independentemente de sua dureza;
Espessura de corte e região afetada pelo calor mais fina do que qualquer outro processo de corte térmico;
Um Laser do tipo CO2 de alta potência pode cortar até 25 mm de aço carbono. Entretanto cortes de boa qualidade são realizados em menores espessuras – até9,5 mm – devido à limitação da profunidade de foco do feixe;
Facilmente adaptável para sistemas controlados por computador. O uso de CNC aproveita muito melhor a alta taxa de produção e qualidade oferecida pelo Laser;
Equipamento de Elevado custo (US$ 100.000 a US$ 1.000.000);
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3. PRINCIPAIS VANTAGENS
a) Muito Alta Velocidade de Corte;b) Pouca Perda de Material;c) Alta Qualidade;d) Baixa Energia;e) Mínima Distorção;f) Possibilidade de Cortar a maioria dos materiais;g) Alta Reprodutibilidade;
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A operação de furar materiais é similar ao corte, mas com feixe do tipo pulsado e empregando mais alta potência, aplicada a intervalos de tempo muito menores.
Furos podem ser feitos com diâmetros de 0,0025 a 1,5 mm e profundidade em geral menores do que 25 mm (pois há limitação no comprimento do foco).
Os equipamentos industriais para essa aplicação são principalmente Nd:YAG.
4. TIPOS DE LASER UTILIZADOS EM LBM
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Laser no Estado Sólido (Nd:YAG)Corte realizado por volatização ocorrendo numa potência maior do que 105 W/mm2.
Laser a gás CO2Modo Pulsado ou Contínuo.Corte por fusão, com o material líquido removido por um gás auxiliar inerte;Similar a anterior mas com gás sendo oxigênio e ocorrendo por isso reação exotérmica;
Laser ExcimerA ligação molecular do material (geralmente polímero) possui energia menor do que a do feixe.
5. TIPOS DE LASER UTILIZADOS EM CORTE
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Ar Atmosférico: Alumínio (até 1,5 mm), Plásticos, Madeira, Compósitos, Vidro, Quartzo;
Argônio: Titânio e outros materiais que precisam ser isolados da atmosfera. O alumínio também pode ser cortado com vantagem;
Nitrogênio: Aço Inoxidável, Níquel, Alumínio;
Oxigênio: Aço ao Carbono, Aço Inoxidável, Cobre;
6. GASES AUXILIARES EM FUNÇÃO DO MATERIAL
A seleção do gás auxiliar e dos parâmetros do processo deve levar em conta:
Espessura da Peça.Acabamento da Superfície.
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(Cary, 1998)
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UFU7. PARTICULARIDADES DO PROCESSO
• Potência: a densidade de potência pode definir sua capacidade no feixe contínuo (preferido para aços de grande espessura).
• Modo: o TEM00 Gaussiano é o ideal para corte, apresentando o menor diâmetro e o maior comprimento do foco.
• Ciclo de Trabalho: Depende do tipo específico do equipamento e modo de operação (pulsado/contínuo).
• Focagem: diâmetro e profundidade de foco do feixe são controlados pelo comprimento do foco da lente.
• Gás Auxiliar.
• Diâmetro do Bocal: coaxial com o feixe devendo possuir alta razão entre seu comprimento e diâmetro.
• Distância do Bocal à Peça: controla a pressão exercida pelo gás auxiliar sobre o metal fundido.
• Ponto Focal: Geralmente na superfície da peça ou pequena distância abaixo da mesma.
• Alinhamento e Concentricidade do Feixe.
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UFU 8. EQUIPAMENTOS
Benedict (1987)
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UFU 9. APLICAÇÕES
Benedict (1987)
!!!!!!
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(Cary, 1998)
9. APLICAÇÕES
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UFU 9. APLICAÇÕES
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Parte 5 da Norma DIN 2310 trata do Corte a Laser.
Em geral o mesmo apresenta melhor acabamento, menor largura do rasgo, muito pouca distorção e superfície muito mais lisa (dependendo da espessura do material).
Largura do rasgo: deve ser o mais estreito possível. Diminui perda de material, a ZAC e a distorções são minimizadas;
Rugosidade Média da Superfície: é diretamente proporcional à espessura da peça e ao sistema de movimentação relativa feixe-peça. Tipo de gás tem influência.
Aderência do Material: Escória ou metal podem permanecer aderidos à parte inferior do rasgo. Isso ocorre quando:
(a) O foco está mal posicionado e/ou;
(b) A pressão do gás é muito baixa e/ou;
(c) A velocidade do corte é muito alta;
Nos aços inoxidáveis e alumínios alta pressão do gás é necessária para eliminar essa aderência e pode-se utilizar um anti-aderente tal como a grafita.
10. QUALIDADE DO CORTE
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UFU REQUISITOS DE SEGURANÇA(LBW e LBM)
• Norma ANSI Z136.1 – American National Standard for the Safe Use of Laser;
• Perigo para os olhos e pele (necessidade de óculos especiais para barrar o
comprimento de onda do laser e vestimenta adequada);
• Alta-tensão na geração do feixe laser;
• Choque elétrico;
• Queimaduras;
• Vapores metálicos e gases asfixiantes (Argônio).