Para determinar a influência da potência modulada ao longo do tempo sobre a solidificação, foram selecionados materiais como titânio puro (titânio grau 1), alumínio puro (99,5% de pureza) e aço austenítico ao cromo-níquel (X5CrNi 18-9). A escolha se justificou pelo fato de que, nestes casos, a influência sobre a solidificação pode ser caracterizada metalograficamente pela determinação, por exemplo, do tamanho de grão para aplicações práticas. Assim, é possível visualizar os efeitos sobre as condições de solidificação com base na microestrutura. As medições do tamanho de grão foram feitas por meio de um processo adaptado com linha-teste e com base na medição do perímetro dos grãos. Para a determinação da distribuição global dos tamanhos de grão, foi feita uma análise estatística dos tamanhos de grão medidos. A figura 3 (pág. 14) mostra um exemplo das funções de densidade de probabilidade para tamanhos de grão presentes nos cordões de solda confeccionados em titânio, com profundidade de 0,5 mm, para diferentes valores de tempo de pulso. Foi constatado que, independentemente da duração do pulso, da potência máxima e do resultante volume da poça de fusão, no caso do titânio grau 1, é possível obter uma microestrutura homogênea com tamanho de grão refinado.

A monitoração da evolução da temperatura durante a soldagem pulsante a laser requer que se disponha de um pirômetro que apresente alta resolução temporal e local. Neste caso, a determinação da emissividade em função da temperatura e do comprimento de onda é um fator decisivo para garantir a qualidade dos dados. Na prática, os dispositivos somente podem fazer as medições supondo que a emissividade se mantenha constante. Portanto, a determinação da temperatura pela pirometria é relativa e somente pode ser considerada do ponto de vista qualitativo. Por isso, este estudo se concentra na evolução de temperatura durante a soldagem e na solidificação subsequente. Dessa forma foram estabelecidas relações entre o aporte de potência e a temperatura superficial, bem como os resultados da soldagem, permitindo que a influência do formato do pulso e de sua modulação fosse melhor entendida. A monitoração do processo foi feita posteriormente, em ensaios de soldagem, para determinar a influência da modulação do formato do pulso nas juntas soldadas resultantes.

Para determinar a emissividade “ε” no caso dos corpos de prova de titânio, uma chapa desse material foi aquecida num forno convencional, cuja temperatura

Fig. 1 – Aplicações para a soldagem com modulação do formato do pulso. Figura superior: na indústria relojoeira; figura inferior: na indústria eletrotécnica. Imagem pela Lasag AG.

foi determinada usando um termopar. Foi alterada a regulagem do valor de emissividade imposto ao pirômetro até que o valor de temperatura por ele medido correspondesse ao determinado pelo termopar. A partir desses ensaios foi constatado que o valor de emissividade a ser aplicado ao

Fig. 2 – Modulação do formato do pulso ⁽²⁾. Figura superior: formato de pulso “térmico” (formato de pulso com seção principal constante); figura inferior: formato de pulso “metalúrgico” (formato de pulso com seção principal variável).

pirômetro é igual a 40%. Esta investigação teve como objetivo a caracterização da evolução da temperatura durante a aplicação dos pulsos e o resfriamento da junta soldada.

Cada formato de pulso apresentou uma evolução característica de temperatura, decorrente do aporte de energia variável ao longo do tempo. Os pulsos tinham valores de energia (8,5 J) e duração (6 ms) iguais entre si. No caso do pulso com formato retangular, mostrado na parte superior da figura 4 (pág. 16), foi observada uma elevação de temperatura muito abrupta no início do pulso, a qual, em função da inércia térmica do material, somente foi observada após um atraso de aproximadamente 75 μs após a elevação da potência. A potência constante do pulso retangular atuou sobre a evolução da temperatura na forma de uma elevação lenta e quase linear, que alcançou seu valor máximo logo após o término do pulso, diminuindo em seguida. A figura 4 mostra a evolução de temperatura de um pulso com formato “metalúrgico”, em que a maior parte da energia foi introduzida nos segmentos iniciais ou intermediários. Neste caso, os pontos de modulação da potência ao longo da evolução da temperatura são claramente reconhecíveis. A modulação da potência atuou num nível constante sobre a evolução da temperatura.

A dinâmica desejada em função do formato do pulso, o qual pode ser observado em imagens de vídeo capturadas sob alta velocidade, se reflete nas evoluções de temperatura, em que é observada uma proporcionalidade entre o comportamento da abertura de capilares e as evoluções de temperatura registradas. Os capilares tiveram sua máxima abertura nos mesmos instantes em que foram registrados os valores máximos de temperatura. Também ficou claro que o formato do pulso levou a uma abertura prematura dos capilares de vapor e proporcionou resfriamento mais rápido. De fato, as taxas de resfriamento foram da ordem de 80°C/ms (ou 8 x 10 ⁵ °C/s) até ser obtida a temperatura de 1.000°C.

Os ensaios de soldagem foram feitos usando uma fonte pulsante de laser fabricada pela Lasag, modelo “FLS 1042C”, e foram adotados procedimentos normalizados ⁽⁴⁾. Foram usados os materiais AlSi1,5Mg0,4 (AW 6016-T4), TiAl6V4 (titânio grau 5), tântalo e nitinol (liga titânio-níquel), mais conhecida pelas suas características de memória de forma, e designada pelo acrônimo de “Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratory” (Liga Níquel-Titânio do Laboratório do Arsenal Naval). A confecção de juntas soldadas de ligas de níquel-titânio e similares (nitinol) é considerada um processo muito complexo. É verdade que os resultados em termos de caracterização mecânica que foram obtidos a partir das juntas soldadas a laser mostraram que a dispersão dos valores de resistência foi pequena; porém, elas apresentaram limite de resistência de 50 a 60% menor em comparação com o material que não foi submetido à soldagem. A literatura informa que isso resulta da formação do composto intermetálico Ti₂Ni ao longo dos contornos de grão. A modulação dos pulsos de uma fonte de laser Nd:YAG pode ser usada para elevar os valores de resistência mecânica das juntas soldadas de topo. Nesse caso, os resultados dos testes de soldagem mostraram claramente que o uso da modulação do formato dos pulsos possibilitou a obtenção dos mesmos valores de resistência

Fig 3 – Função de densidade de probabilidade do tamanho médio de grão para uma junta soldada com 0,5 mícrons de profundidade, em titânio.

mecânica, mesmo para pulsos com baixa potência, em comparação ao uso de pulsos não modulados com formato retangular. Também ocorreu o refino do tamanho de grão na zona termicamente afetada. Além disso, ficou bem caracterizada a tendência ao crescimento de grãos em função da presença do metal fundido na região de transição rumo à zona termicamente afetada (figura 5, pág. 17).

As características anti-oxidação e anti-corrosão sob temperaturas moderadas predestinam o tântalo a aplicações na indústria química. Esse metal também apresenta biocompatibilidade muito boa, o que explica por que ele é usado em aplicações médicas. Para esta investigação foram confeccionadas juntas soldadas similares em tântalo. Foram soldadas duas chapas, tanto de topo como em sobreposição (figura 6, pág. 17). Foi de- terminado um conjunto otimizado de parâmetros de processos por meio de experimentos em que eles foram criteriosamente variados, e confeccionado por soldagem um cadinho para aplicação médica.

No caso de uniões térmicas plenas de diferentes materiais, a nível molecular, feitas com laser, é necessário considerar múltiplos fatores de processo. Além das características físicas do metal-base (absorção do feixe, ponto de fusão, calor latente, condutividade e expansão térmica e tensões superficiais) e da preparação da superfície das peças a serem unidas, o processamento até a obtenção do produto final é relevante. A posição focal do laser, o posicionamento do seu feixe e a localização da peça, bem como a folga utilizada, exercem influências consideráveis.

Foram analisadas diferentes combinações de materiais com o auxílio de simulações numéricas dos campos de temperatura. Em função das diferentes características físicas, o par de materiais alumínio-titânio impõe desafios especiais. É possível influenciar o aporte de energia particularmente pela variação da posição ortogonal do feixe de laser em relação à direção de avanço. Assim, é possível minimizar o crescimento da orla de fases, o qual depende da ocorrência de difusão. Essa orla de fases que surge durante a soldagem deve apresentar espessura de, no máximo, dez mícrons, para que a união apresente boas características de utilização.

Conclusões

Os estudos experimentais e analíticos sobre a interação do fluxo de calor ao longo do tempo com a superfície da poça de fusão constituíram o tópico central deste projeto.

As investigações experimentais permitiram demonstrar que, para juntas normalizadas é possível obter uma microestrutura homogênea e com tamanho de grão refinado na união soldada usando modulação de pulso.

O refino do tamanho de grão, em função da redução do caminho livre que ele promove, aumenta a resistência à propagação da trinca através da microestrutura, podendo elevar a vida útil ou a resistência à fadiga das juntas soldadas.

A pirometria e a gravação de imagens de vídeo sob alta velocidade viabilizam o desenvolvimento de investigações com alta qualidade.

Fig 4 – Evolução da potência e temperatura ao longo do tempo sob diferentes tipos de pulsos (duração t_puls igual a 6 ms, energia de pulso E_puls igual a 8,5 J). Figura superior: pulso com formato retangular; figura inferior: pulso com formato “metalúrgico” (formato de pulso com seção transversal variável).

Devido aos fundamentos proporcionados pelos resultados, foi obtido entendimento profundo sobre a soldagem usando fonte de laser com pulso modulável, a qual apresenta etapas e relações complexas. Isso confirmou o potencial dessas fontes de laser.

O aporte de calor, que pode ser minimizado arbitrariamente durante soldagem pulsante, pode ser aplicado de maneira precisa e eficiente, fator que pode aumentar o interesse por fontes de laser, as quais, sob condições favoráveis, são adequadas para a confecção de juntas soldadas mistas.

Pôde ser constatado que a modulação do for mato do pulso abre múltiplas possibilidades para superar diversos problemas metalúrgicos e de processo.

Foi possível comprovar a influência relevante da modulação do formato do pulso sobre a temperatura e os resultados do processo de soldagem.

O potencial assim revelado ainda é pouco utilizado e precisa ser desenvolvido por meio de projetos suplementares e de pesquisa interdisciplinar cooperativa.

Fig. 5 – Micrografia de um corpo de prova de junta soldada oculta em NiTi, polida eletroliticamente e submetida a ataque metalográfico colorido com precipitação

Agradecimentos

O projeto IGF 15.637 N/DVS-Nummer 01.060, desenvolvido pela Associação de Pesquisa em Soldagem e Processos Aplicados da Associação Alemã para Soldagem e Processos Aplicados (Foschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren des Deutscher Verband für Schweißen und verwandt Verfahren – D.V.S.), com sede em Düsseldorf, Alemanha, foi apoiado pela Associação dos Grupos de Trabalho em Pesquisa Industrial (Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen, A.i.F.), por meio da Associação Industrial de Pesquisa e Desenvolvimento ( Industrielle Gemeinschaftsforschung, I.G.F.) do Ministério Federal Alemão para Economia e Tecnologia (Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie), com base numa resolução do Parlamento Alemão.

Fig. 6 – Juntas soldadas similares confeccionadas em tântalo: a) seção transversal da junta de sobreposição entre chapas; e b) componente experimental soldado, feito com tântalo. Parâmetros de soldagem: pulso com formato “metalúrgico” (seção principal variável); frequência de pulsação, 13,5 Hz; duração do pulso, 3,5 ms; potência de pico, 5,95 kW; avanço, 180 mm/min; preparação da amostra: eletrólito composto de 78% de ácido acético e 22% de ácido perclórico, 6 V e 0,5 A, tempo de polimento em torno de 20 s; ataque colorido com precipitação de Beraha I e 14 g de sulfeto de potássio.

Referências

1. Wilden, J., u. a.: Synergie von Laserprozesstechnik und Metallurgie. 7. Jenaer Lasertagung, 25.-26. November2010, Jena.
2. N. N.: Schweiss-Strategien mit gepulsten Nd:YAG-Lasern in der Mikrotechnik. Firmenschrift Lasag AG, Thun/Schweiz. Internet http://www.optomat.de/Vortrag%20Industriearbeitskreis%20LASAG.pdf.
3. Wilden, J., u. a.: Eff ect of pulse shape modulation in Nd:YAG laser beam welding on the weld pool flow and solidification. Proceedings of the 2009 ASME International Manufacturing Science and Engineering Conference, MSEC 2009, October 4-7, 2009, West Lafayette, Indiana, USA
4. Wilden, J., u. T. Neumann: Moderne Strahlquellen im Einsatz – Welche metallurgischen Ansatze ergeben sich? DVS Forschungsseminar: Strahlschweisen von Aluminium. DVS Berichte, Band 266, Dusseldorf 2010, ISBN: 978-3-87155-591-6.

 

 

 

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