Investigação experimental dos fenômenos de formação e estabilidade da poça de fusão em modo keyhole na soldagem a laser do aço AISI 304

Abstract

Este trabalho investiga experimentalmente os mecanismos de instabilidade do keyhole e a dinâmica da poça de fusão na soldagem a laser do aço inoxidável AISI 304, e como estes fenômenos (governados pelos parâmetros de processo e gás de proteção) impactam a morfologia, dimensão e integridade do cordão de solda. Inicialmente, a utilização de argônio como gás de proteção resultou em porosidade, causada pela instabilidade do keyhole. A substituição por nitrogênio eliminou de forma efetiva as descontinuidades, uma melhoria atribuída às distintas propriedades físico-químicas dos gases e à alta solubilidade do nitrogênio no aço líquido. Utilizando o processo sem descontinuidades com nitrogênio, o estudo correlacionou a dinâmica da poça de fusão com a morfologia e as dimensões do cordão de solda e da poça de fusão. As principais descobertas incluíram a comprovação de que a energia de soldagem é um parâmetro insuficiente, visto que condições de idêntica energia produziram resultados físicos e morfológicos opostos. Adicionalmente, foi proposto um novo regime híbrido, o Modo Quasi-Keyhole, baseado em uma contradição experimental entre as métricas de eficiência de fusão e a estabilidade visual da poça de fusão em 1 kW de potência do laser. Por fim, foram identificadas e quantificadas instabilidades dinâmicas, como a queda de eficiência por absorção da pluma de plasma através do mecanismo de Bremsstrahlung Inversa e uma oscilação periódica do comprimento da poça de fusão, que foi diretamente correlacionada à formação de irregularidades no cordão de solda. O trabalho estabelece, portanto, as correlações diretas entre as instabilidades dinâmicas e a morfologia final, propondo um novo regime de processo para a soldagem a laser.

Abstract: This work experimentally investigates the keyhole instability mechanisms and the melt pool dynamics in the laser welding of AISI 304 stainless steel, and how these phenomena (governed by process parameters and shielding gas) impact the morphology, dimensions, and integrity of the weld bead. Initially, the use of argon as a shielding gas resulted in porosity, caused by keyhole instability. The substitution with nitrogen effectively eliminated the discontinuities, an improvement attributed to the distinct physicochemical properties of the gases and the high solubility of nitrogen in the molten steel. Using the discontinuity-free process with nitrogen, the study correlated the melt pool dynamics with the morphology and dimensions of the weld bead and the melt pool. The main findings included the confirmation that welding energy is an insufficient parameter, since conditions of identical energy produced opposite physical and morphological results. Additionally, a new hybrid regime was proposed, the Quasi-Keyhole Mode, based on an experimental contradiction between the melting efficiency metrics and the visual stability of the melt pool at 1 kW of laser power. Finally, dynamic instabilities were identified and quantified, such as the efficiency drop due to plasma plume absorption through the Inverse Bremsstrahlung mechanism and a periodic oscillation of the melt pool length, which was directly correlated to the formation of irregularities in the weld bead. Therefore, the work establishes the direct correlations between the dynamic instabilities and the final morphology, proposing a new process regime for laser welding.