Os avanços na soldagem a laser, devidos em grande parte à aplicabilidade e acessibilidade dos lasers de fibra de alta potência, tornaram-na cada vez mais comum em muitos ambientes de produção. A soldagem a laser é muito atraente devido ao seu impacto térmico mínimo, velocidade, precisão e repetibilidade.
Apesar da sua crescente ubiquidade, a soldagem a laser não está isenta de desafios nem é imune a defeitos de soldagem. Tal como acontece com qualquer forma de soldagem industrial – como soldagem a arco, soldagem por resistência e soldagem por feixe de elétrons – a soldagem a laser pode ser vulnerável a inconsistências no processo que resultam em uma soldagem de má qualidade.
Não é surpresa, então, que uma variedade de técnicas e tecnologias de garantia de qualidade (QA) de soldagem a laser tenham surgido para detectar e até mesmo prevenir soldas a laser defeituosas.
Neste artigo, apresentaremos uma visão geral da garantia de qualidade da soldagem a laser, desde as abordagens tradicionais até as técnicas atuais de monitoramento e medição direta.
Definindo uma solda a laser "ruim"
Em termos simples, uma solda a laser ruim ou defeituosa é aquela que compromete a forma, a função ou a segurança do produto final. A primeira não é um problema comum na soldagem a laser, pelo menos depois que os parâmetros do processo são definidos. No entanto, os fabricantes devem ser diligentes, especialmente em aplicações de microsoldagem, para garantir que os defeitos da solda a laser não afetem a eficiência elétrica, reduzam a resistência a longo prazo ou causem danos a componentes sensíveis.
Na melhor das hipóteses, os defeitos de soldagem interrompem o processo de fabricação antes que ele seja concluído, obrigando os fabricantes a refazer ou descartar produtos valiosos — medidas que custam tempo e dinheiro. Na pior das hipóteses, os defeitos de soldagem resultam em falhas no produto e recalls.
Como os defeitos de soldagem a laser podem assumir várias formas, é importante identificá-los e compreendê-los.
Falta de penetração: ocorre quando o feixe de laser não penetra suficientemente fundo no material alvo. A falta de penetração pode causar problemas de resistência e condutividade no produto final.
Penetração excessiva: ocorre quando o feixe de laser penetra profundamente demais no material alvo. Também chamada de queimadura, a penetração excessiva pode danificar componentes sensíveis em aplicações como soldagem de baterias.
Salpicos: causados pela instabilidade da poça de soldadura fundida, os salpicos são metal fundido que frequentemente cai e se funde com as superfícies ao redor da soldadura. Os salpicos podem causar curto-circuito em peças como baterias, levando potencialmente a um aquecimento excessivo e falhas catastróficas.
Porosidade: soldaduras a laser porosas são aquelas que têm bolhas de gás ou cavidades presas na soldadura arrefecida. A porosidade, que pode reduzir a resistência da soldadura, pode ser causada por agitação excessiva e arrefecimento rápido da poça de fusão.
Fissuras: causadas pelo arrefecimento rápido e outras tensões metalúrgicas, a soldadura a laser pode resultar em fissuras, visíveis ou não. As fissuras nem sempre são visíveis a olho nu.
Falta de fusão: também conhecida como fusão incompleta, a falta de fusão ocorre quando o metal de soldadura não se funde totalmente com o metal base e pode ser causada por mau alinhamento ou contaminação da superfície.
Os defeitos de soldagem podem ser amplamente evitados através da otimização dos parâmetros e das tecnologias do laser. Por exemplo, os lasers de feixe duplo utilizam um feixe central e um feixe anular para estabilizar a poça de fusão, eliminando praticamente os respingos e a porosidade.
No entanto, defeitos de soldagem ainda podem ser causados por problemas como mau encaixe, contaminação do material alvo ou da óptica e degradação dos componentes do laser.
Garantia de qualidade da soldagem a laser tradicional
A garantia de qualidade tradicional da soldagem a laser pode ser dividida em dois tipos básicos: destrutiva e não destrutiva.
Os testes destrutivos dependem da destruição de uma peça soldada para inspecionar visualmente e medir a qualidade da solda. Por exemplo, em testes de tração, uma peça é puxada até se partir, a fim de medir a resistência da solda. Embora menos dramático fisicamente, o ataque ácido é uma técnica destrutiva usada para compreender melhor a penetração, fusão ou porosidade de uma solda.
Os testes destrutivos são normalmente demorados, caros ou ambos. Além disso, embora sejam muito eficazes na medição da qualidade de uma soldadura, os testes destrutivos, por definição, não podem ser aplicados a todas as peças ou conjuntos. Isto significa que os seus resultados devem servir de base para conclusões sobre um lote inteiro, resultando em riscos e incertezas inevitáveis.
Em comparação, a garantia de qualidade da soldagem a laser não destrutiva inclui métodos pós-processo, como testes ultrassónicos ou radiográficos, que não danificam as soldas ou peças. O teste ultrassónico utiliza vibrações mecânicas que passam pela solda sem perda significativa de sinal, a menos que seja detetada uma anomalia, com uma perda maior indicando normalmente defeitos mais preocupantes. O teste radiográfico utiliza radiação para penetrar na solda e criar uma imagem da sua estrutura interna, que deve então ser analisada.
Tecnicamente, estes métodos tradicionais não destrutivos podem ser aplicados a todas as soldaduras. No entanto, isso quase nunca é viável, pois é muito caro e demorado. Tal como acontece com os ensaios destrutivos, os ensaios não destrutivos devem ser utilizados para inferir a qualidade de lotes inteiros de peças.
O que é monitorização de soldadura a laser?
A monitorização da soldadura a laser é um termo abrangente que se refere a uma variedade de métodos utilizados para examinar ou recolher informações sobre a soldadura à medida que é feita, também conhecida como «em processo» ou «em tempo real».
A monitorização da soldadura a laser é atraente porque é capaz de fornecer dados sobre cada soldadura sem retardar o processo e, ao mesmo tempo, elimina a necessidade de etapas tradicionais de controlo de qualidade dispendiosas e demoradas. As técnicas durante o processo podem reduzir significativamente a incerteza e são surpreendentemente económicas.
Tipos de monitorização de soldadura a laser
Existem vários métodos de monitorização da soldadura a laser, com várias vantagens e desvantagens.
Monitorização de emissões acústicas: um método utilizado para avaliar a qualidade da soldadura a laser, convertendo as ondas sonoras geradas durante o processo de soldadura em sinais elétricos. A monitorização de emissões acústicas utiliza normalmente sensores nas superfícies das peças soldadas, mas também podem ser utilizados sensores sem contacto. A análise dos dados acústicos pode ser correlacionada com indicadores-chave da qualidade da soldadura, como a penetração e a fissuração.
Embora seja relativamente versátil e fácil de integrar, a monitorização por emissão acústica é suscetível ao ruído ambiental e fornece informações limitadas sobre as características e geometrias reais da soldadura.
Radiografia durante o processo: equivalente em «tempo real» à radiografia tradicional de soldaduras, a radiografia durante o processo pode ajudar a visualizar o comportamento da poça de fusão, bem como a soldadura final.
A radiografia em processo é utilizada principalmente para fins de investigação, uma vez que esta abordagem é dispendiosa e difícil de utilizar em ambientes de produção industrial.
Processamento de imagens: utilizando luz visível ou câmaras térmicas e visão artificial, é possível produzir imagens do processo de soldagem a laser em tempo real. Isso pode produzir imagens detalhadas das soldas, mas pode exigir várias câmaras para capturar detalhes adequados. Mesmo assim, o processamento de imagens não fornece uma visão detalhada das geometrias internas da solda.
Detecção ótica: os métodos de detecção ótica, que normalmente dependem de espectrometria, pirómetros ou fotodíodos, capturam a luz e convertem-na em dados sobre o processo de soldagem a laser. Embora esses métodos produzam mais dados do que alguns métodos de monitoramento de soldagem a laser, eles dependem de indicadores indiretos de soldagem, como luz refletida, temperatura e pluma de soldagem, em vez de examinar detalhadamente as geometrias reais da soldagem.
Imagem coerente em linha (ICI): a imagem coerente em linha — um tipo de tomografia de coerência óptica (OCT) — é um método comprovado de medição direta in situ de soldas a laser (em oposição ao monitoramento de soldas a laser).
Os sistemas IPG LDD utilizam uma versão patenteada do ICI, desenvolvida e utilizada numa ampla gama de aplicações de soldagem a laser. Os sistemas LDD utilizam um feixe de laser de baixa potência disparado juntamente com o feixe de soldagem para medir diretamente geometrias críticas da solda, como a profundidade da solda. Apesar de operar em tempo real juntamente com o processo de soldagem, o LDD fornece medições extremamente precisas (com uma margem de erro de poucos mícrons) de cada solda.
Os benefícios da medição por laser em soldagem em comparação com o monitoramento
A medição da soldadura a laser é um tipo de monitorização da soldadura a laser. No entanto, nem toda a monitorização da soldadura a laser pode ser considerada medição, pelo menos no que diz respeito à geometria real da soldadura.
Em última análise, qualquer abordagem que não meça diretamente a geometria de cada soldadura obriga os fabricantes a fazer concessões em termos de rendimento, eficiência ou tolerância ao risco.
Por exemplo, técnicas de monitorização que dependem de indicadores como a pluma de soldadura podem fornecer uma estimativa semi-precisa da profundidade da soldadura. Mas essas estimativas estão longe de ser perfeitas, tornando necessária uma margem de segurança. Embora os dados de monitorização possam sugerir que uma soldadura está boa, se ela estiver próxima dos limites da aceitabilidade, é mais seguro refazer ou descartar essa peça. Dependendo da tolerância ao risco do fabricante, centenas de peças por dia podem ser perdidas desnecessariamente.
O objetivo da medição da soldadura a laser é reduzir drasticamente essa margem de segurança. Ao fornecer uma medição direta da soldadura ao nível do mícron, a janela de aceitabilidade pode ampliar-se drasticamente, proporcionando tranquilidade e dados históricos sobre cada soldadura.
Indústrias que se beneficiam da medição de soldagem a laser em tempo real
Em indústrias como soldagem de baterias, veículos elétricos e fabricação de dispositivos médicos, as implicações de segurança são elevadas e a garantia de qualidade é fundamental. Para aplicações de alto risco, a medição em tempo real da soldagem a laser pode não só fazer a diferença na redução de desperdícios e custos, mas também no aumento da segurança.
Além disso, produtos eletrónicos de consumo, como smartphones, tablets e computadores portáteis, que exigem inspeção em linha de precisão, podem se beneficiar da medição de soldas a laser.
Com o avanço constante da tecnologia de medição de soldas a laser em tempo real, os setores que privilegiam a resistência em detrimento da velocidade também podem se beneficiar. Por exemplo, setores como o de construção naval, onde as soldas de suporte de carga têm padrões rigorosos de requisitos de qualidade, se beneficiam das vantagens da medição direta da profundidade das soldas a laser de penetração profunda.
Introdução a uma solução a laser
A medição de soldadura a laser em tempo real da IPG ajuda os fabricantes a detectar defeitos de soldadura, evitar recalls de produtos e reduzir o desperdício e o retrabalho desnecessários.
Começar é fácil – envie-nos algumas peças de amostra, visite um dos nossos laboratórios de aplicação globais ou simplesmente conte-nos sobre a sua aplicação.
