BRPI0617708A2 - processo de soldagem por feixe laser com controle da formação do capilar de vapores metálicos - Google Patents

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Abstract

<B>PROCESSO DE SOLDAGEM POR FEIXE LASER COM CONTROLE DA FORMAçãO DO CAPILAR DE VAPORES METáLICOS <D>A invenção refere-se um processo de soldagem por feixelaser de pelo menos uma peça metálica, preferivelmente de duas peças metálicos uma com a outra, na qual se utiliza um feixe laser (10) , um primeiro fluxo de gás e um bocal de soldagem munido de um orifício de saída, o referido orifício atravessado pelo feixe laser e pelo primeiro fluxo de gás, e realiza-se uma soldagem da ou das peças por fusão do metal da ou das peças a serem soldadas, no ponto de impacto do feixe laser com a ou as peças a serem soldadas, com formação de um capilar (11) ou keyhole preenchido de vapores metálicos (12) . Durante a soldagem, dirige-se o primeiro fluxo de gás unicamente para a abertura do capilar de vapores metálicos e de acordo com uma direção perpendicular à ou às peças a serem soldadas de maneira aexercer uma pressão dinâmica gasosa.

Description

PROCESSO DE SOLDAGEM POR FEIXE LASER COM CONTROLE DAFORMAÇÃO DO CAPILAR DE VAPORES METÁLICOS
A invenção refere-se a um processo de soldagem laserno qual se controla a hidrodinâmica do banho líquido graçasa um débito gasoso focalizado sobre o capilar que se formano ponto de impacto do feixe laser, durante a soldagem.
Na soldagem por feixe laser, a realização de umasoldagem entre duas peças se baseia sobre o fenômeno defusão e vaporização da matéria no ponto de impacto do feixelaser.
Para densidades de potência específicas,suficientemente elevadas, ou seja, cerca de MW/cm2, umcapilar ou keyhole preenchido de vapores metálicos forma-seno material e permite uma transferência direta da energiaao núcleo da matéria.
As paredes do capilar são formadas de metal em fusão esão mantidas graças um equilíbrio dinâmico que seestabelece com os vapores internos. Em função do movimento,o metal derretido contorna o capilar para formar à traseiradeste último "banho líquido".
A presença desta cavidade ao núcleo do banho líquidoconstantemente em movimento é origem de instabilidades quedão nascimentos a numerosos defeitos susceptíveis dedegradar a qualidade da soldagem assim obtida.
Na realidade, observando a cena de soldagem através deuma câmera, constata-se que fortes instabilidadesdesenvolvem-se à superfície do banho de soldagem ao contatodos vapores ejetados, formando "ondulações". Os vaporesmetálicos ejetados do capilar provocam ocasionalmentetambém gotinhas de metal líquido. 0 banho líquido pode asvezes, sob a ação de seu peso, desmoronar e obstruirtemporariamente o capilar que provoca fortesinstabilidades.
Então, os aspectos de superfície das cordas sãofreqüentemente muito ásperos e turbulentos, as porosidadesaparecem e fragilizam o cordão de solda obtido.
Em outras palavras, os cordões de solda obtidos são demá qualidade.
O documento Kamimuki et al, Prevention of weldingdefect by side gas flow and its monitoring method incontinuous wave Nd:Yag laser welding, J. of Laser Appl., 14(3), p. 136-145, 2002, explica que um jato de gás lateralemitido através de um bocal cilíndrico clássico, de pequenodiâmetro e posicionado unicamente à traseira do keyhole,pode às vezes diminuir as projeções bem como as porosidadesnum cordão de solda.
No entanto, um problema essencial desta solução residena grande dificuldade de posicionamento do bocal. Narealidade, é suficiente que a pressão do jato de gases sejaligeiramente importante ou deslocada de alguns milímetros àtraseira do capilar para fechar novamente este último eaumentar as instabilidades do banho líquido, o que conduzao efeito inverso do procurado.
Além disso, com tal bocal, pode-se soldar apenas em umúnico sentido, o que não é prático ao plano industrial ondesoldas devem poder ser feitas de acordo com várias direçõesem função da complexidade das peças a serem soldadas.
Além disso, os documentos JP-A-61229491, JP-A-04313485e US-A-4684779 propõem os processos de soldagem a laser comgases auxiliares. Um ou vários fluxos gasosos são enviadospara as peças a serem soldadas para eliminar as impurezasgasosas que se encontram na atmosfera ambiente a nível dazona de soldagem. Em outros termos, nesses documentos, osfluxos gasosos são liberados sob fraca pressão e servemunicamente para estabelecer uma atmosfera gasosa protetorada zona de soldagem.
Tais processos não permitem melhorar a qualidade doscordões de soldagem produzidos porque o ou os fluxosgasosos exercem uma pressão única sobre o banho desoldagem, forçando o metal fundido para o capilar,provocando assim uma desestabilização do capilar ousimplesmente a sua obstrução.
O problema que se coloca então é melhorar os processosde soldagem a laser existentes de maneira a aumentar aqualidade dos cordões de solda, evitando fenômenos nefastossupracitados.
A solução da invenção deve igualmente ser utilizávelno plano industrial, ou seja, ser de arquitetura simples eapresentar uma grande flexibilidade de utilização, emespecial não ser limitada a um sentido de soldagem.
A solução da invenção é um processo de soldagem porfeixe laser de pelo menos uma peça metálica,preferivelmente de duas peças metálicas uma com a outra, noqual :
a) utiliza-se um feixe laser, um primeiro fluxo degases e um bocal de soldagem munido de um orifício desaída, o referido orifício estando atravessado pelo feixelaser e o primeiro fluxo de gás, e
b) realiza-se uma soldagem da ou das peças por fusãodo metal da ou das peças a serem soldadas, no ponto deimpacto do feixe laser com a ou as peças a serem soldadas,com formação de um capilar ou keyhole preenchido de vaporesmetálicos.
De acordo com a invenção, durante a soldagem, dirige-se o primeiro fluxo de gases unicamente para a abertura docapilar de vapores metálicos e de acordo com uma direçãoperpendicular a ou as peças a serem soldadas de maneira aexercer uma pressão dinâmica gasosa e manter o keyholeaberto alargando.
No âmbito da invenção, chama-se "abertura do capilar(ou keyhole) de vapores metálicos", a zona do capilar quese encontra à superfície da chapa a serem soldadas e pelaqual escapam-se os vapores metálicos. A este título, oesquema da Figura 5 ilustra uma vista em corte longitudinalda zona de soldagem no curso de processo de soldagem porfeixe laser 10. Distingue-se, de uma parte, umarepresentação do capilar 11 do qual se escapam vaporesmetálicos 12 e, de outra parte, as paredes de metal líquido14 que formam um banho na traseira 13. A seta designa osentido S da soldagem.
Segundo o caso, o processo da invenção podecompreender uma ou várias das características seguintes:
- utiliza-se o primeiro fluxo de gás para exercer umapressão dinâmica gasosa contínua e constante sobre aabertura do capilar de vapores.
- utiliza-se o primeiro fluxo de gás para operar umaestabilização do escoamento do banho líquido de metal emfusão.
- utiliza, além disso, um segundo fluxo de gás deproteção distribuído perifericamente ao primeiro fluxo degás.
utiliza-se um segundo fluxo de gás de proteçãodistribuído coaxialmente ao primeiro fluxo de gás emrelação ao eixo do feixe laser.
- a vazão do primeiro gás é da ordem de 10 à 20 l/mine a vazão do segundo gás é da ordem de 2 0 à 3 0 l/min.
- o bocal é um bocal coaxial.
- o primeiro e o segundo gás são escolhidos entre oargônio, hélio, nitrogênio e suas misturas, e eventualmenteuma menor proporção de CO2, oxigênio ou hidrogênio.
- o feixe laser é gerado por um gerador laser do tipoNd:YAG, fibra Ytterbium ou de CO2.
o bocal de soldagem é levado por um braçorobotizado.
- a ou as peças metálicas a serem soldadas são de açocarbono, coberto ou não, em alumínio ou aço inoxidável.
- o bocal de soldagem que emite o primeiro fluxo degás tem uma seção de passagem do gás compreendida entre 0,1e 10 mm2.
- a pressão do primeiro fluxo de gás é compreendidaentre 1 e 10 kPa. A presente invenção se baseia então sobreuma estabilização do escoamento do banho líquido durante asoldagem, agindo sobre a abertura do keyhole via umprimeiro jato ou fluxo de gás "rápido" orientado para ousobre a referida abertura do capilar de forma a exercer umapressão dinâmica gasosa neste lugar para estabilizar aforma, ou mesmo aumentá-la, e assim resolver os problemassupracitados.
Na realidade, graças a esta pressão dinâmica, ocapilar permanece aberto porque a pressão do primeiro gás oalarga e os vapores metálicos gerados no capilar podemescapar sem ser perturbados pelo banho de metal em fusãocontígua.
o número de projeções encontra-se notavelmentereduzido e o escoamento hidrodinâmico do metal líquidofacilitado, conduzindo a um aspecto dos cordões de soldagemmelhorado e uma redução das porosidades na soldagem dadoque os vapores metálicos não se encontram mais ou muitomenos presos.
Em adição, um segundo jato de gás de proteção comvazão mais lenta, como habitualmente utilizado em soldagema laser, é distribuído em periferia de forma a proteger obanho de soldagem da oxidação formando uma proteção oucobertura gasosa ao redor da zona de soldagem.
Em outras palavras, a solução da invenção utilizapreferencialmente um primeiro jato de gás "rápido" deestabilização distribuído de maneira simétrica em relaçãoao eixo do feixe laser dirigido ou focalizado sobre aabertura do keyhole e um segundo jato de gás "lento" decobertura ou proteção da zona de soldagem.
o gás focalizado é dito "rápido" se possui ou adquireuma energia cinética suficiente para exercer uma pressãodinâmica suficiente sobre do keyhole a fim de mantê-loaberto. Por oposição, o gás de cobertura é dito "lento"porque não deve perturbar o escoamento do banho líquido,mas prevenir o contato deste último com o oxigênio do arambiente.
As vazões são da ordem de 10 a 20 l/min para oprimeiro gás rápido e de 2 0 a 3 0 l/min para o segundo gáslento de cobertura. A seção de passagem do gás "rápido" écompreendida tipicamente entre 0,1 e 10 mm2. Na realidade,o diâmetro de passagem do gás é exatamente superior aalguns IOe de milímetro do qual o feixe laser a saída dobocal.
As vazões de gases estabelecidas dependem diretamenteda densidade do gás utilizado para obter uma pressãodinâmica eficaz. Esta pressão é tipicamente da ordem dealguns kPa.
A escolha específica das vazões gasosas mais adequadaspara uma operação de soldagem dada pode por conseguinte serfeita empiricamente por um de habilidade na técnica emfunção das condições de soldagem que desejam serutilizadas, especialmente do tipo de material que devesoldar, da natureza do gás do que é disposto, da potênciado gerador laser que será utilizado.
Os jatos ou fluxos de gases podem ser distribuídos porum bocal único do tipo "duplo fluxo", ou seja, quedistribui dois fluxos de gases coaxiais um em relação aooutro, ainda chamado bocal "coaxial", como mostrado nasFiguras 1 a 4. Este princípio pode ser estendido aos váriosfluxos gasosos concêntricos, especialmente três.
De maneira alternativa, o gás rápido de focalizaçãopode ser liberado assim por vários bocais arranjados demaneira adequada, por exemplo, quatro bocais de menordiâmetro, tipicamente inferior a 3 mm, concorrentes com umângulo entre 20° e 45° em relação ao eixo do feixe,posicionados regularmente sendo repartido à periferia de umbocal anular de proteção clássica que distribui o gás"lento".
É necessário notar que utiliza-se de preferência gasesidênticos como primeiro e segundo fluxo de gás. No entanto,estes gases podem também ser diferentes.
Assim, em soldagem a laser do tipo Nd: YAG, utiliza-seem geral argônio como gás de proteção do feixe laser,enquanto que em soldagem a laser do tipo CO2, o hélio énecessário para evitar o fenômeno de ruptura.
No entanto, para certas aplicações, pode-se tambémutilizar misturas gasosas de tipo hélio/nitrogênio,hélio/argônio ou qualquer outra mistura à base de héliopara os feixes procedentes de geradores laser do tipo CO2bem como todo gás neutro para os feixes procedentes degeradores laser do tipo YAG ou do tipo laser a fibra.
Do mesmo modo, pode-se utilizar argônio, nitrogênio,hélio ou as misturas destes gases, adicionados além de umou vários constituintes adicionais em baixo teor (alguns %)como o oxigênio, CO2, hidrogênio.
As Figuras 1 a 4 esquematizam vários modos derealização de bocais "coaxiais" de acordo com a invenção.
Como vê-se sobre estas Figuras 1 a 4, um bocal coaxialé um bocal formado de pelo menos dois circuitos dedistribuição de gases concêntricos.
A figura 1 apresenta uma primeira versão de bocalcoaxial. 0 jato de gás rápido é distribuído ao centro dobocal através de um orifício 1 de diâmetro compreendidoentre 0,2 e 3 mm para a abertura do keyhole.
0 gás de cobertura quanto a ele é difundido na coroa 2concêntrica a abertura 1. 0 perfil da coroa 2 pode serescolhido tal como um efeito de parede seja obtido, isto é,que a direção de escoamento do gás lento siga a curvaturada parede como mostra o vetor 3.A figura 2 apresenta uma versão de bocal na qual oefeito de parede é utilizado para focalizar o escoamento dogás rápido ao longo do eixo do feixe laser. Neste modo derealização, três circuitos de passagem do gás sãoprevistos: um circuito axial 4 para uma distribuição de gáslento e de baixa vazão, servindo principalmente para evitaro aumento de poluições para as lentes do laser, um primeirocircuito 5 periférico que canaliza o gás rápido para aabertura do keyhole e um segundo circuito 6 que distribui o
gás lento de cobertura.
A figura 3 ilustra uma realização na qual a coberturagasosa do gás lento é alargada graças a uma distribuição em"turbilhão", ou seja com uma componente de rotação quetende a eliminar o gás horizontalmente na saída do bocal.
A figura 4 apresenta um bocal no qual o gás rápido éacelerado através de uma tubulação, ou seja, de um orifícioconvergente-divergente.
Um interesse principal da utilização de um bocalcoaxial reside na sua facilidade de posicionamento e sua
independência em relação ao sentido de deslocamento da
cabeça de soldagem que porta o bocal. Isto implica quepode, por exemplo, pôr-se diretamente à extremidade dobraço de um robô no caso de uma soldagem com laser do tipoNd: YAG onde o feixe laser é gerado por um gerador do tipo
Nd:YAG antes de ser encaminhado via uma fibra óptica atécabeça laser que porta o bocal.
Em todos os casos, utilizando o processo da invençãocom tal bocal coaxial, um primeiro jato de gás é aceleradoe confinado em direção da abertura do capilar, o que
permite alterar o escoamento à traseira do capilar.O capilar está então mais aberto ao longo da direçãode soldagem e o escoamento do banho líquido é regular,contínuo e sem nenhuma oscilação na superfície.
No caso de uma soldagem com oscilador laser do tipo Nd: YAG, o cordão de solda é muito liso e a "estrutura emviga" característica da soldagem por laser Nd:YAG, pode sersuprimida completamente.
Naturalmente, a vazão do jato de gás deve ser maiselevada que um escoamento clássico, mas não tão importante a fim de evitar a ejeção de metal fundido.
Uma aplicação da invenção apresenta também a vantagemde conduzir um aumento notável a profundidade de penetraçãode soldagem.
Assim, ensaios realizados com um jato de gás dirigido e confinado sobre a abertura do capilar mostraram um ganhoem penetração de 25%.
Isto pode explicar-se pelo fato de que, se considerarque o capilar é alongado pelo jato de gás de acordo com ainvenção, o feixe laser é muito menos interrompido pelas flutuações da frente traseira do capilar.
Além disso, pelo fato da abertura mais importante docapilar devido ao jato de gás, obtém-se um plasma menosdenso e por conseqüência absorve-se menos o feixe laserquando uma soldagem com oscilador laser do tipo CO2 porexemplo.
O alongamento do capilar permite igualmente fortementediminuir as porosidades geradas no cordão de solda, durantea soldagem a laser.
Quando o escoamento do banho líquido é estabilizadovia jato de gás convergente da invenção, atenua-se asenlameaduras de metal em fusão e o fenômeno de ejeção degotinhas metálicas pode ser completamente eliminado.
A utilização de um bocal coaxial que confina o jato degás rápido sobre a abertura do capilar pode eficazmentecontrolar a hidrodinâmica do banho líquido.
0 escoamento deste último pode ser então muito bemestabilizado e as projeções de gotinhas metálicascompletamente suprimidas, o que permite chegar muito a umaboa qualidade de cordão de solda com uma profundidade depenetração melhorada, à baixa velocidade de soldagem, ouseja, menos de 3 m/min.
Este processo de soldagem com jato rápido, porconseguinte, é adaptado às aplicações de soldagem a laserdas espessuras médias, ou seja de 1 a cerca de 5 mm.

Claims (13)

1. Processo de soldagem por feixe laser de pelo menosuma peça metálica, preferivelmente de duas peças metálicasuma com a outra, no qual:a) utiliza-se um feixe laser, um primeiro fluxo de gáse um bocal de soldagem munido de um orifício de saída, oreferido orifício atravessado pelo feixe laser e peloprimeiro fluxo de gás, eb) realiza-se uma soldagem da ou das peças por fusãodo metal da ou das peças a serem soldadas, no ponto deimpacto do feixe laser com as peças a serem soldadas, comformação de um capilar ou keyhole preenchido de vaporesmetálicos,caracterizado pelo fato de que, durante a soldagem,dirige-se o primeiro fluxo de gás unicamente para aabertura do capilar de vapores metálicos e de acordo comuma direção perpendicular a ou as peças a serem soldadas demaneira a exercer uma pressão dinâmica gasosa e manter okeyhole aberto.
2. Processo, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que utiliza-se o primeiro fluxode gás para exercer uma pressão dinâmica gasosa contínua econstante sobre a abertura do capilar de vapores.
3. Processo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2,caracterizado pelo fato de que utiliza-se o primeiro fluxode gás para operar uma estabilização do escoamento do banholíquido de metal em fusão.
4. Processo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2 ou 3, caracterizado pelo fato de queutiliza-se, além disso, um segundo fluxo de gás de proteçãodistribuído perifericamente ao primeiro fluxo de gás.
5. Processo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2, 3 ou 4, caracterizado pelo fato de queutiliza-se um segundo fluxo de gás de proteção distribuídocoaxialmente ao primeiro fluxo de gás em relação ao eixo dofeixe laser.
6. Processo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2, 3, 4 ou 5, caracterizado pelo fato deque a vazão do primeiro gás é da ordem de 10 a 20 l/min e avazão do segundo gás é da ordem de 2 0 a 3 0 l/min.
7. Processo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caracterizado pelo fatode que o bocal é um bocal coaxial.
8. Processo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, caracterizado pelofato de que o primeiro e o segundo gás são escolhidos entreo argônio, o hélio, o nitrogênio e as suas misturas, eeventualmente além de baixa proporção de CO2, do oxigênioou do hidrogênio.
9. Processo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ou 8, caracterizado pelofato de que o feixe laser é gerado por um gerador laser dotipo Nd:YAG, a fibra de Ytterbium ou de CO2.
10. Processo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 ou 9, caracterizadopelo fato de que o bocal de soldagem é levado por um braçorobotizado.
11. Processo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ou 10,caracterizado pelo fato de que as peças metálicas a seremsoldadadas são de aço carbono, coberto ou não, em alumínioou aço inoxidável.
12. Processo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 ou 11,caracterizado pelo fato de que o bocal de soldagem quelibera o primeiro fluxo de gás tem uma seção de passagem dogás compreendida entre 0,1 e 10 mm2.
13. Processo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 ou 12,caracterizado pelo fato de que a pressão do primeiro fluxode gás é compreendida entre 1 e 10 kPa.
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