Modelagem de pulso a laser para união de materiais diferentes

A soldagem a laser de materiais diferentes é um processo dinâmico e sua hora chegou.

Onde tal soldagem é necessária – em eletrônicos, dispositivos médicos, bens de consumo, aplicações automotivas e aeroespaciais – a soldagem a laser de fibra se destaca como um processo superior. Reduz os custos de fabricação ao mesmo tempo que oferece flexibilidade de design.

Em teoria, um laser pode soldar qualquer material que possa ser unido por processos convencionais. No entanto, devido às suas diferenças nas propriedades físicas e químicas - como pontos de fusão e ebulição, condutividade térmica, densidade e coeficiente de expansão - podem ocorrer problemas durante a soldagem de materiais diferentes, tornando a junta resultante inaceitável.

Ilustrada na Tabela 1 está a soldabilidade dos pares de metal. Ao soldar metais diferentes, uma boa solubilidade sólida é essencial para obter boas propriedades de solda. Isto é conseguido apenas com metais com faixas de temperatura de fusão compatíveis. Se a temperatura de fusão de um material estiver próxima da temperatura de vaporização do outro, ocorre baixa soldabilidade e muitas vezes significa a formação de estruturas intermetálicas frágeis.

No passado, a maioria dos projetos de soldagem diferentes eram realizados com lasers Nd:YAG de lâmpada pulsada. Os lasers bombeados por lâmpada são capazes de produzir pulsos longos de vários milissegundos com potências de pico muitas vezes acima da potência média nominal do laser, desde que o ciclo de trabalho seja suficientemente baixo. Lasers Nd:YAG pulsados ​​e bombeados por lâmpada de alta potência de pico, juntamente com recursos de modelagem de pulso, tornam esses lasers ideais para soldagem de materiais diferentes. A profundidade de solda muito profunda - o que pode levar a juntas defeituosas e também a profundidades de solda insuficientes - pode ser evitada ajustando a potência inicial e a potência final correta à geometria da junta e às propriedades do material (Figura 1)

Na Prima Power Laserdyne, os especialistas em soldagem desenvolveram uma variedade de formatos de pulso para melhorar a qualidade da solda, reduzindo rachaduras e porosidade. Seu foco tem sido fornecer soluções de soldagem de materiais diferentes em aplicações de produtos propensos a defeitos de soldagem, como rachaduras, porosidade ou uma combinação de ambos. As indústrias mais comumente afetadas incluem automotiva, médica, eletrônica e aeroespacial. Uma variedade de formatos de pulso foram gerados usando o novo sistema LASERDYNE 811 com um controlador S94P, que inclui um complemento de recursos de hardware e software projetados para modelagem de pulso. Esses projetos foram realizados com lasers de fibra de onda contínua (CW) e de onda quase contínua (QCW).

A seguir estão dois exemplos onde a modelagem por pulso foi usada para melhorar a qualidade da solda durante a soldagem a laser de materiais diferentes.

O ferro fundido cinzento é amplamente utilizado na indústria automotiva. Uma limitação importante é a soldabilidade de um material diferente ao ferro fundido devido à trinca a quente e à formação de porosidade como resultado da falta de ductilidade do processo de grafite e fundição. No primeiro exemplo, uma parte de um componente automotivo exigia a união do aço inoxidável 304 ao ferro fundido cinzento em uma configuração de solda com sobreposição parcial. No processo anterior, a peça era soldada por soldagem por feixe de elétrons (EBW) para reduzir a formação de porosidade excessiva e eliminar trincas na interface. O usuário final estava interessado em substituir o EBW pela soldagem por feixe de laser (LBW) para reduzir o custo por solda e a preparação da solda. A maior diferença é que o EBW é realizado em vácuo, enquanto a soldagem a laser é realizada em ambiente de pressão de ar ambiente e o perigo dos raios X é eliminado do processo. O trabalho de desenvolvimento foi realizado para projetar parâmetros de laser que fossem capazes de produzir soldas de qualidade igual ou superior em comparação com EBW, ou seja, sem porosidade ou trincas na interface. O trabalho de desenvolvimento de parâmetros de laser, incluindo formato de pulso, foi realizado com o laser de fibra CW.

Exames microscópicos do metal de solda feitos com uma saída de laser CW padrão exibiram severa porosidade na porção de ferro fundido da solda (Figura 2). Não havia sinal de microfissuras na interface da junta. A solda feita com o controlador LASERDYNE S94P e a modelagem por pulso produziram soldas livres de porosidade (Figura 3).