Agora bem estabelecido na indústria automotiva, solda a laser continua a se desenvolver e se tornar mais amplamente aplicada
O aumento do uso de aços de alta resistência (HSS) e alumínio adicionou mais complicações para o processo de soldagem. "Os maiores desafios que enfrentamos são o design, as mudanças materiais impulsionadas pelas exigências de CAFE que estão impulsionando uma maior eficiência de combustível", diz Paul Denney, engenheiro e especialista em aplicações de laser no Lincoln Electric. "Isso significa que estamos usando aços de alta resistência e ligas de alumínio.
"Isto é mais desafiador do que foi no passado, quando soldávamos predominantemente aços de carbono de forças moderadas. Além do que os diferentes materiais em si são muitas vezes fortemente revestidos com zinco e ou imersão a quente ou galvanizados, o que faz uma soldagem interessante".
Uma opção que está sendo defendida por muitos fornecedores é a soldagem a laser híbrida. "Soldagem a laser tem existido por um tempo e soldagem a laser híbrida é apenas mais uma variante de soldagem usando um laser", acrescenta David Park, diretor do segmento de negócios global automotivo na Lincoln Electric.
Um futuro para o laser híbrido
Então, quais são as oportunidades para a soldagem a laser híbrido? "Solda a laser tem sido usada no setor automotivo em diferentes áreas há algum tempo e nós fazemos um pouco de tanto corte a laser como soldagem a laser para os OEMs e nível um", explica Denney. "Também estamos fazendo muito trabalho de laser híbrido onde combinamos arco de gás metal com laser e também com fio quente. Na maioria das vezes isso implica tentar e obter maior velocidade ou produtividade, mas em alguns casos, estamos trabalhando em materiais difíceis de soldar que seria um problema para a soldagem a arco.
"Há uma série de barreiras. Parte disso é o projeto e as mudanças de especificação. Automotive tende a ser peças padrão com grandes lacunas e ao mesmo tempo você pode jogar metal líquido na articulação de solda através do processo de soldagem, por vezes, as configurações de conjuntos são tais que não compra muito. Você pode dobrar a velocidade com laser híbrido sobre um processo de arco, mas quando você começa a olhar para o custo do sistema de laser híbrido sobre um conjunto que é mais difícil economicamente de justificar."
O caso do laser híbrido 
O objetivo é desenvolver processos de soldagem melhores e mais poderosos. "Ao aderir a tecnologia a alta velocidade de soldagem por um lado e a boa habilidade de soldar por outro lado desempenham um papel significativo", explica Herbert Staufer, Fronius International, líder da equipe de solda de alta potência. "No entanto, os dois recursos não podem ser alcançados por meio de processos de soldagem a laser convencionais. Portanto, um processo híbrido está sendo aplicado, a soldadura LaserHybrid, também chamada 'LaserBrazing'.
"Não há dúvida de que o feixe de laser e soldagem GMA tem sido bem estabelecido, permitindo um amplo campo de aplicação em tecnologia conjunta. No entanto, a nova possibilidades e efeitos sinérgicos se baseiam na combinação de ambos os processos.A radiação a laser provoca uma zona muito estreita, afetada termicamente com uma alta relação entre a profundidade e a largura da costura de soldagem.
"No caso de o processo de soldadura a laser, a capacidade de soldar entre espaços é muito baixa devido ao pequeno diâmetro do foco, no entanto, velocidades muito altas de soldadura podem ser alcançadas. O processo de soldadura GMA ou Tandem apresenta uma densidade de energia significativamente inferior, tem um ponto maior focado na superfície do material, e é caracterizada pela sua boa capacidade de fechar lacunas."
Uma questão de dólares
Uma vez que a qualidade e repetibilidade foram provadas, a adoção de novas tecnologias no setor automotivo se resume a custo. "Em um exemplo da indústria automotiva, nós mostramos, a amortização de quatro anos razoável sobre os custos incorridos ao adicionar a tecnologia para a sua produção existente", diz Ed Hansen, gerente de produto da ESAB. "Mas se a empresa fosse reprojetar o produto, amortização levaria menos de um ano, graças à redução do uso de material."
Soldagem a laser híbrida é particularmente adequada para a soldagem de produção em massa de elevada capacidade de utilização. "Dependendo da aplicação, a soldagem a laser híbrida pode ser três a dez vezes mais rápida do que os processos convencionais", Hansen acrescenta. "A tecnologia pode diminuir a entrada de calor em até 90%, o que reduz a distorção macroscópica típica. "Além disso, temos visto benefícios em aplicações sensíveis ao peso e também melhorias quanto a resistência à fadiga significativa em produtos expostos à carga cíclica, como suspensões de automóveis, vasos de pressão, e componentes de soldagem."
O desenvolvimento contínuo de alta potência a lasers de estado sólido com formatos menores, maior eficiência e menor custo teve um grande efeito sobre a soldagem a laser híbrida. "Nossa transição para os lasers de estado sólido, em 2001, tornou possível aplicar a tecnologia para ambientes industriais", Hansen continua. "Novas tecnologias, particularmente entrega de fibra, permite-nos integrar o processo em sistemas de movimento convencionais - robôs, pórticos e automação - o que aumentou a aceitação.
"Hoje estamos tendo desafios em aços de alta resistência, alumínio e materiais revestidos para a força e resistência à fadiga"
– David Park, Lincoln Electric
"Os novos padrões de eficiência e altos preços dos combustíveis estão impulsionando uma maior eficiência estrutural. Soldagem a laser híbrida é uma tecnologia que possibilita a redução da distorção, redução de massa e ligas importantes de alta resistência de aço e alumínio para a construção de veículo. Em um projeto recente, um fabricante de automóveis reprojetou produto para a soldagem a laser híbrido e materiais de alta resistência. Ela não só melhora a resistência ao choque da estrutura; também reduz o peso em 40%. Geralmente, os fabricantes de automóveis percebem que o custo por quilo sobe ao utilizar materiais de alta resistência, mas quando o peso total cai, o mesmo acontece com o custo total".
Balançando o peso carros
Solda a laser remota é bem estabelecida como escolha número um da indústria automotiva para os processos de adesão. Uma vez que o laser de solda identifica e costura geometrias diferentes rapidamente, com precisão e de forma flexível, flanges podem ser menores, o que reduz o peso. Mas soldagem a laser remota sempre teve uma desvantagem: ela não pode soldar através de costuras da junta traseira como não há nenhuma maneira de adicionar material de enchimento. Mas, agora, um novo método de oscilação tem encontrado aceitação dentro do setor automotivo.
Este novo método supera esse problema, porque o feixe de laser não se move ao longo da lacuna em uma linha reta; mas oscila de um lado para o outro. Ao mover o feixe de um movimento em espiral, isto derrete o material para a esquerda e para a direita da lacuna e alarga a piscina de fusão. O metal líquido substitui materiais de enchimento adicionais, como arame e pontes e lacunas ainda maiores de soldagem. Isso dá aos desenvolvedores mais liberdade de design e ajuda a reduzir o peso. E eliminar a necessidade de material adicional economizando tempo, também.
Um dos requisitos técnicos para a soldagem a laser é a presença do scanner 3D óptico, como segunda geração PFO 3D da Trumpf. O processo de soldagem remoto oscilante pode ser programado através da foco de ótica. Dois espelhos internos posicionam o feixe de laser ao longo de eixos X e Y. Uma lente móvel localizada entre o colimador e o primeiro espelho scanner também foca o feixe ao longo do eixo Z, proporcionando ainda uma maior liberdade de movimento. Esta flexibilidade permite que as geometrias de oscilação sejam executadas em qualquer parte do componente, mesmo em seções inclinadas, como a pequena lente pode posicionar o ponto focal em três dimensões onde quer que seja necessário.
O novo método remoto está sendo bem recebido pela indústria automotiva - o que não surpreende, já que é rápido, preciso, economiza em material de enchimento e ainda exige menos preparação para a costura. Os testes mostraram que a velocidade do efeito de oscilação (a velocidade à qual o feixe de laser agita a piscina de fusão para uma dada taxa de alimentação) afeta a ponte da lacuna; quanto mais lenta a velocidade de oscilação, menos costuras menos solda e corte inferior ocorre, aumentando a capacidade de ligação para cada espessura da chapa testada. Variando a geometria da oscilação alterando as larguras dos círculos, por outro lado, não fazendo diferença.
Anteriormente, as lacunas de 0.2 milímetros eram maiores do que poderia ser soldada. "Hoje em dia nós soldamos blocos de montagem com lacunas de até 0.5 mm" Hammer acrescenta. A empresa utiliza a nova tecnologia para juntar subconjuntos, tais como suportes de assento e blocos de montagem para o motor do Golf e motor e transmissão. Os suportes de assento são feitos a partir de 0.7 milímetros, chapa de aço de força média estampada. Para criar os blocos de montagem, a Volkswagen solda 3mm, folha de fluxo formado em uma casca de 3 mm de espessura. "A capacidade de mover-se na terceira dimensão nos permite soldar laser com retenções", diz Hammer.
A montadora já vê o potencial do método para uso na fabricação de outros componentes da transmissão. Os testes iniciais estão em andamento e novamente se concentram em determinar a forma de usar o método de balanço de forma eficiente para produzir esses componentes. O próximo grande desafio da indústria automobilística é encontrar aplicações adequadas.
Indução encontra laser
Muitos processos de soldagem bem sucedidos hoje fazem uso de indução, especialmente em aplicações que exigem pré aquecimento. A entrada de calor mínima do laser tem uma desvantagem quando se trata de soldadura de penetração profunda de aços-carbono. A peça fria gela a costura de solda, e isso pode levar ao endurecimento e defeitos de qualidade como rachaduras na zona afetada pelo calor. Convencionalmente, o pré-aquecimento significava aquecer um componente inteiro num forno. Com o indutor, no entanto, o calor é gerado em uma questão de segundos sobre uma área muito limitada.
"À primeira vista, usando indução em tratamento com laser nem sempre é uma escolha óbvia", diz Georg Schneider, representante de vendas de indução, na subsidiária Trumpf Hüttinger Elektronik. "Mas, enquanto lasers programáveis pelo usuário removem as limitações de processos mecânicos, os sistemas de indução controlados por pirômetro substituem os sistemas convencionais de aquecimento, tais como fornos e coloca processos térmicos exatamente onde eles pertencem. Em motorizações, por exemplo, eles estão localizados diretamente na articulação de soldagem."
A indústria automotiva agora está descobrindo que isso pode ser útil, tanto para tornar juntas soldadas possível como para influenciar ativamente como as partes da funilaria de alta resistência deformam em caso de um acidente. Embora essas peças precisem ser rígidas, o aço não deve quebrar se ocorrer um acidente. A energia é dissipada apenas se a parte for deformada. Por esta razão, os fabricantes estão começando a amolecer as áreas que estão em risco de quebrar em um acidente, com o objetivo de aumentar sua ductilidade em áreas definidas. Mais uma vez, isto acontece diretamente na célula de tratamento a laser, na qual o laser perfura e apara o componente prensados e endurecidos. Uma vez feito isso, indutores suavizam as áreas que dobrariam em caso de um acidente.
O caminho a seguir
"Estamos nos estágios iniciais de desenvolvimento do próximo veículo e é sobre a tentativa de resolver os desafios de trazer eficiência, custo-benefício", Park acrescenta. "Isso ainda é um desafio para todos nós e traz desafios para unir materiais de todos os tipos diferentes. Hoje nós estamos tendo desafios em aços de alta resistência, alumínio e materiais revestidos para a força e resistência à fadiga.
"Os desafios vêm de ambos os lados. Em termos de tecnologia de soldagem, nos concentramos em muitos outros setores além do automotivo. Nossos departamentos de P&D estão sempre fazendo esforços, procurando pontos comuns para transferir essa tecnologia para outros setores. O que estamos fazendo é tanto reativo como pró-ativo. Os novos materiais são um bom exemplo reativo no qual temos de responder com novas tecnologias e fios de soldadura. Ao mesmo tempo, estamos trabalhando em novas tecnologias.
"E se amanhã pudéssemos soldar alumínio ao aço?" Agora isto é algo que realmente abre uma mudança radical para designers automotivos; uma tecnologia que oferece oportunidades que não existiam antes. Com a quantidade de P&D em curso no setor de soldagem, não aposte que não fará uma aparição em um futuro próximo.
