J. Miguel Rodrigues 45063

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Tecnologia de Estaleiros Navais - Soldadura por
Laser

• J. Miguel Rodrigues 45063
• Manuel Peixe 45067

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Introdução

• LASER Light Amplification by Stimulated
  Emission of Radiation (amplificação da luz por
  emissão estimulada de radiação)
• O laser tem diversas aplicações industriais
• Indústria automóvel
• Aeronáutica
• Microelectrónica

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Plano

• Tópicos a abranger
• Perspectiva histórica
• Principais características
• Aspectos típicos
• Vantagens
• Desvantagens
• Princípios físicos
• Fundamentos do processo
• Transferência de calor
• Variáveis do processo
• Soldadura em modo pulsado
• Comportamento dos materiais
• Variantes do processo

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Vocabulário

• ZTA zona térmicamente afectada
• ZT zona fundida

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Perspectiva histórica
T. Maimann,1960 (estado sólido)
Albert Einstein,1917
Bohr e Plank (mec. Quântica)
Javan, Benett e Harriot 1960 (estado gasoso)
Townes,1951(amp. Ondas ultracurtas)
Patel (CO2)
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Principais Características

• A soldadura a laser é um processo
• De elevada densidade de energia
• Realizado à temperatura ambiente
• Rápido
• Onde não há contacto físico (fonte calor mat.)

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Aspectos Típicos

• Principais aspectos
• Entregas térmicas muito baixas
• Distorções e ZTA mínimas
• Acabamentos e maquinação desnecessários
• Boa qualidade do cordão
• Flexibilidade e possibilidade de automação

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Vantagens I

• Principais vantagens
• Possibilidade de soldar materiais difíceis (ex
  ligas de titânio)
• Possibilidade de realizar juntas soldadas
  homogéneas
• Ausência de material de adição
• Utilização de geometrias diversas
• As peças não requerem fixações rígidas

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Vantagens II

• Outras vantagens
• Soldaduras estreitas, precisas e sem
  contaminações
• ZTA estreita ou inexistente
• Soldar formas complexas a alta velocidade
• Soldar componentes selados em materias
  transparentes à radiação incidente
• Possibilidade de automação em soldaduras
  bi-dimensionais e tri-dimensionais

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Desvantagens

• Algumas desvantagens do processo
• Elevado custo inicial do equipamento
• Elevada precisão na preparação das juntas
• Elevados custos dos consumíveis (O hélio é muito
  usado)
• Sistemas de manipulação e precisão

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Princípios Físicos
Os átomos, ao passarem ao estado fundamental
libertam energia na forma de fotões.
Emissão espontânea
Emissão estimulada
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Princípios Físicos II
Características da radiação laser -
Monocromática - Coerente - Direccional
Após sairem da cavidade, os fotões passam por uma
série de lentes e espelhos auxiliares de modo a
focar o feixe.
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Fundamentos do Processo I
- Variação da energia absorvida pelos metais com
a temperatura Se a densidade de ener- gia fôr
muito elevada ocorre a criação do Key-hole
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Fundamentos do Processo II

• O Key-hole
• Diminui a reflexão da luz
• Diminui a incidência da luz

Esquema
Feixe de Electrões
Laser
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Fundamentos do Processo III

• O feixe em movimento

Movimento do banho fundido (a)
Movimento do banho fundido (b)
Forma do Key-hole
Feixe
S4
S2
S3
S1
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Transferêcia de Calor

• Parâmetros intervenientes
• Propriedades termo-físicas do material
• Entrega térmica total
• Distribuição de energia e geometria do feixe
• Variáveis do processo de soldadura
• Geometria da junta

Existem algumas equações que constituem uma boa
aproximação no cálculo da distribuição de
temperaturas e velocidade de arrefe- cimento.
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Variáveis Intervenientes no Processo I

• Variáveis mais importantes
• Potência do feixe incidente
• Diâmetro do feixo na zona de interacção
• Absortividade do material
• Velocidade da soldadura
• Gás de protecção
• Preparação da junta e posicionamento
• Posição do ponto focal
• Desenho das juntas soldadas

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Variáveis Intervenientes no Processo II

• Desenho das juntas soldadas
• Topo a topo com penetração total - não é
  requerida qualquer preparação para a junta
• Juntas de canto - as peças devem ser rigidamente
  apertadas (separação entre elas inferior a 25 da
  espessura)
• Juntas de bordas dobradas - requerem arestas
  direitas e rectas, bom posicionamento,
  ajustamento e fixação

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Soldadura em Modo Pulsado

• Características
• Densidades de energia mais elevadas -gt key-hole
• Potência do feixe e zona de interacção escolhidos
  de modo a ter densidades de energia 105 Wcm-2
• Energia do pulso e cadência dos pulsos são
  parâmetros a considerar
• Realizada com lasers de estado sólido
• Uma regulação adequada permite realizar
  soldaduras práticamente contínuas e constantes

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Comportamento dos Materiais I

• As propriedas físicas dos materiais interveem em
  três fases

Condições de superfície afectam a forma como o
material absorve a energia
Quando a energia é absorvida, as propriedades
térmicas determinam a transferência do calor
O calor latente de transformação de fase
determina a quantidade consumida numa dada
transformação
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Comportamento dos Materiais II

• Características de soldabilidade de diferentes
  materiais quando soldados por laser CO2

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Variantes do Processo I

• Soldadura laser com material de adição
• Utilizado principalmente
• As chapas são espessas e a potência do laser
  insuficiente
• Material base não resistente às tensões residuais
• O desenho da junta não tem a geometria requerida
  na soldadura laser

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Variantes do Processo II

• Soldadura laser assistida com TIG
• Favoreçe a formação do key-hole
• Velocidade aumenta substâncialmente
• Permite soldar materiais mais espessos com a
  mesma potência disponível no equipamento laser

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Variantes do Processo III

• Soldadura a laser sub-aquática
• Necessário um espaço seco
• Profundidade máxima de 30 m

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Video
Laser com Metal de Adição
Laser com TIG
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Fontes

• Processos de soldadura, J. Santos, L. Quintino
• Joining Technologies Reference Center -
  www.accuparts.com