Caracteristica principală a procesului de sudare cu arc de înaltă precizie este toleranța operațională strânsă, pentru a menține funcționalitatea produsului și calitatea componentelor foarte mici în timpul îmbinării. Caracteristicile proceselor convenționale de sudare cu arc, cum ar fi sudarea cu arc cu tungsten și gaz (TIG), sudarea metalică cu gaz inert (MIG) și sudarea cu arc cu plasmă (PAW) sunt aportul ridicat de căldură, zona afectată de căldură mai mare (HAZ), dimensiunea cordonului de sudură mai mare și precizie scăzută a sudării. Aplicații precum bioimplanturi, etanșări ermetice speciale, componente electronice, formarea și repararea matrițelor și sculelor, ansamblurilor electrice de precizie și multe alte aplicații în care este necesară îmbinarea în miniatură de precizie necesită tehnici de sudare de înaltă precizie, cum ar fi micro arc, micro laser și sudare cu fascicul de electroni. Aceste operațiuni de sudare de înaltă precizie necesită adesea instrumente de vizualizare adecvate, cum ar fi microscoape și instrumente cu micromanipulare, cum ar fi instrumente complet sau semi-robotice, pentru a facilita asamblarea de precizie, încălzirea și adaosurile de umplere în timpul operării.
Pentru sudarea cu arc de precizie cu aport de energie ultrascăzută sunt dezvoltate versiuni în miniatură ale tehnicilor convenționale TIG, MIG și PAW . Matricele, uneltele și componentele cu toleranțe dimensionale strânse au nevoie de un aport de energie ultrascăzut, deoarece căldura excesivă poate provoca distorsiuni după sudare. În plus, cu un aport de energie ultrascăzut, dimensiunea cordonului de sudură poate fi controlată pentru a strânge toleranțele, componenta finală necesitând o prelucrare minimă după sudare. Sunt dezvoltate pistolete speciale, care pot fi acționate manual sau mecanic pentru a efectua încălzirea și depunerea metalului la locația îmbinării. Aportul de căldură ultrascăzut și foarte concentrat este folosit pentru a îmbina părțile metalice cu HAZ minim, fără a deteriora materialul sau componentele din jur. Pe lângă îmbinarea ansamblurilor complexe, repararea și construirea matrițelor scumpe din oțel înalt aliat, care sunt deteriorate și uzate, pot fi efectuate folosind aceste tehnici.

Sudarea cu gaz inert și tungsten (TIG), cunoscută și sub denumirea de sudare cu arc de tungsten cu gaz (GTAW), este o tehnică de sudare cu arc neconsumabil, în care un arc electric între un electrod de tungsten neconsumabil și piesa de prelucrat este utilizat ca sursă de încălzire. Materialul de umplere este alimentat sub formă de sârmă în baia de sudură, deși sudarea TIG autogenă fără materiale de umplere este, de asemenea, folosită mai frecvent. Un flux constant al gazului de protecție (Ar2 sau He) prin pistolet protejează metalul topit de oxidare în timpul sudării. Deși procesele de sudare micro TIG și TIG convenționale funcționează pe același principiu, există diferențe minore în ceea ce privește amperajul și dimensiunea sârmei de umplere. În sudarea micro TIG, se utilizează curent în intervalul 5–50 A și sârmă de umplere cu diametrul de 0,1–0,5 mm, spre deosebire de curentul de 50–300 A și sârmă cu diametrul de 1,5–3 mm în sudarea TIG convențională. În plus, micro TIG utilizează o configurație microscopică specială și pentru întreținerea strictă a interstițiului de arc datorită curenților mai mici care sunt utilizați în timpul sudării. Manipularea pistoletului poate fi atât manuală, cât și cu un braț robotic, în funcție de cerințele de precizie și de aplicare. Sistemele obișnuite de sudare micro TIG vin cu unelte automate de pregătire pre și post-sudare, împreună cu sursa de alimentare și configurația de manipulare a pistoletului controlată electronic.

În sudarea metalului cu gaz inert (MIG), cunoscută și sub denumirea de sudare cu arc metalic cu gaz (GMAW), un electrod consumabil este furnizat continuu în arc ca metal de umplere. O bobină lungă de sârmă de umplere permite sudarea continuă fără prea multe întreruperi și este cea mai potrivită pentru sudarea manuală și robotică. Echipamentul de sudare Micro-MIG utilizează, de asemenea, configurații similare cu sudarea micro-TIG, cu excepția faptului că sârma de umplere acționează ca electrod în comparație cu electrodul de tungsten inert din pistoletul TIG. Figura 7 prezintă diagrama schematică care arată diferențele dintre sudarea TIG și MIG.

Sudarea cu arc cu plasmă (PAW) utilizează în mod obișnuit două tipuri de modele de pistolet, și anume, pistolete cu arc transferat și pistole cu arc netransferat. În PAW cu arc transferat, arcul este generat între un electrod din interiorul pistoletului și piesa de prelucrat, în timp ce în PAW cu arc netransferat, arcul este generat între cei doi electrozi plasați în interiorul pistoletului. În ambele cazuri, electrozii nu sunt consumabili. Deoarece PAW netransferat oferă flexibilitate pentru a menține un arc stabil fără complicații, cum ar fi întreținerea strictă a lungimii arcului, este preferat pentru modelul pistoletului micro PAW. În procesul cu arc netransferat cu plasmă, arcul este menținut între electrodul de tungsten și electrodul de cupru care este, de asemenea, o parte a ansamblului pistoletului. Concentrație superioară de energie, penetrare excelentă, stabilitate mai mare a arcului, și o bună flexibilitate operațională sunt avantajele sudării PAW față de TIG. Micro PAW utilizează curenți sub 20 A, ceea ce îl face potrivit pentru sudarea și repararea componentelor în care precizia este de maximă importanță. Piesele prelucrate pot fi asamblate cu cerințe minime sau fără cerințe de prelucrare post-sudare datorită eficienței termice ridicate și aportului de căldură ultra-scăzut în sudarea cu microplasmă. Plăcile foarte subțiri și ansamblurile de precizie pot fi îmbinate fără nicio distorsiune și deteriorare dimensională. Sudarea cu microplasmă poate fi utilizată pentru a suda materiale precum 316 L și Ti-6Al-4 V fără prea multe daune microstructurale (Tovar et al. 2011).

Pulsări de înaltă frecvență

Una dintre principalele cerințe ale sudării cu micro arc este o sursă de căldură cu concentrație mare de energie cu un aport scăzut de căldură. Lucrările de sudare efectuate cu un aport scăzut de căldură și o sursă de căldură cu concentrație mare de energie pot oferi beneficii precum zona scăzută afectată de căldură (HAZ), cicluri de încălzire și răcire mai rapide și deformarea minimă a piesei de prelucrat. Sudarea cu arc constrâns cu tungsten și gaz (GTCAW) a fost dezvoltată prin modificarea GTAW convențională. Forma de undă a arcului este modulată utilizând pulsații de foarte înaltă frecvență (20.000 Hz), care constrâng arcul pentru a obține o concentrație mare de energie și un aport general scăzut de căldură pentru aceeași viteză de depunere în comparație cu GTAW convențional. Câmpul magnetic generat în jurul arcului datorită formei de undă a curentului modulat de înaltă frecvență constrânge arcul, oferind energie foarte concentrată pentru a realiza suduri precise. Aliajele de titan, care sunt foarte predispuse la oxidare în timpul sudării, pot fi sudate în exteriorul camerei inerte, fără a fi protejate de gazul protector, datorită vitezei foarte mari de încălzire și răcire. Figura 8 arată diferența dintre formele arcului dintre GTCAW și GTAW la un curent mediu de 85 Amp.

Sudare cu micro arc pentru reparații

Pe lângă îmbinarea pieselor metalice cu o precizie ridicată și mai puțin HAZ într-un ciclu de producție obișnuit, tehnicile de sudare cu micro-arc sunt utilizate frecvent și în sudarea de reparare a sculelor, matrițelor, structurilor și componentelor mașinii scumpe uzate. Restaurarea dimensiunilor componentelor la toleranța specifică prin sudură de reparație nu numai că economisește costul de înlocuire, dar economisește și timpul necesar pentru a procura sau produce noi componente pentru înlocuire, ceea ce poate crește substanțial costul de întreținere a instalației. Pregătirea zonei de sudură și selecția materialului de umplere joacă un rol major în calitatea componentei finale în timpul sudării de reparație. Resturile de coroziune, alte materiale nemetalice prezente în zona de sudură și alte uleiuri sau depozite grase trebuie curățate temeinic. Curățarea chimică, încălzirea pentru evaporarea solvenților organici, și curățarea mecanică sunt frecvent utilizate ca parte a procesului de pregătire prealabilă în timpul sudării de reparație. Aliajele de aluminiu, în special, sunt foarte sensibile la prezența depunerilor de oxizi, la contaminarea cu materiale organice și la umiditate, deoarece poate duce la porozitatea materialului depus. De cele mai multe ori, aceste componente care sunt reparate nu sunt ușor de sudat și deseori este necesară preîncălzirea înainte de sudare. Însă, modificările metalurgice datorate preîncălzirii trebuie de asemenea avute în vedere înainte de a decide temperatura de preîncălzire. Selectarea materialelor de umplere este o altă provocare majoră în sudarea de reparații, deoarece depozitele făcute din materiale de umplere cu exact aceeași compoziție a componentei ar putea să nu producă proprietăți mecanice și chimice similare metalului de bază. Microstructura turnată și micro-segregarea în metalul depus oferă adesea proprietăți inferioare în comparație cu componenta care este reparată. Pentru sudarea aliajelor de aluminiu AA6082 nu se folosesc niciodată materiale de umplere cu aceeași compoziție; în schimb, se folosesc materiale de umplere AA4043 sau A5356. Figura 9 prezintă componenta uzată reparată prin sudare micro TIG.

Fabricare cu formă liberă sau micro sudare 3D

Nevoile tehnologice în creștere necesită dezvoltarea de materiale avansate și componente cu proprietăți specifice de înaltă calitate. Dar, există limitări în producția de componente care sunt fabricate din compuși intermetalici, metale refractare și metale ușoare din cauza costurilor ridicate ale materialelor și a altor dificultăți de producție. Ca rezultat, mai multe tehnici, cum ar fi modelarea rețelelor proiectate cu laser (LENS), turnarea prin injecție a metalelor (MIM), stereo-litografie (SLA), modelarea prin depunere fuzionată (FDM), sinterizarea selectivă cu laser (SLS) etc., cunoscute ca fabricație solidă în formă liberă sau prototipare rapidă, sunt dezvoltate pentru a produce componente în formă aproape netă din metale, ceramică și polimeri (Terakubo și colab. 2007; Horii și colab. 2008). Procesul de fabricație în formă liberă utilizează controlul computerizat dintr-un sistem de proiectare și producție asistată de computer (CAD/CAM) pentru a produce componente tridimensionale fără matrițe. În această metodă, materialul este depus/imprimat conform unui model computerizat pentru a produce obiecte în formă netă. Materialul care este depus poate fi sub formă de pulbere sau sârmă, iar o sursă de căldură este folosită pentru a forma o baie de topire. Aceste tehnici de fabricație în formă liberă sunt mai potrivite pentru a produce componente gradate funcțional cu proprietăți personalizate în diferite locații ale unei singure componente. Toate aceste metode sunt cunoscute în mod popular ca procese de fabricație aditivă și mai frecvent numite „imprimare 3D”. Mulți cercetători au dezvoltat o tehnică de sudare pentru a produce componente în formă aproape netă ca una dintre metodele de fabricație liberă (Choi și colab. 2001; Zhang și colab. 2002; Ouyang și colab. 2002). O combinație de sudare micro TIG și metoda de fabricație stratificată a fost dezvoltată ca una dintre metodele de fabricație liberă care utilizează arcul de sudare ca sursă de căldură (Horii et al. 2007).

Pe un substrat, dintr-o sârmă de umplere metalică subțire, se formează o microcusătură de metal topit folosind micro arc TIG pulsat. Cusăturile metalice ulterioare vor fi depuse strat cu strat folosind sistemul CAD/CAM pentru a construi obiectul 3D necesar (Fig. 10a). Aliajele metalice, metalele refractare, intermetalicele etc., pot fi depuse cu succes prin microsudura TIG. Un nivel ridicat de acuratețe dimensională poate fi obținut prin controlul curentului arcului, frecvenței impulsurilor, selecției gazului de protecție și grosimii sârmei de umplere. Un exemplu de model 3D fabricat liber construit din aliaj intermetalic pe bază de Ti–Al este prezentat în Fig. 10b.