Corte a laser O corte a laser é um processo de fabricação preciso e eficiente, amplamente utilizado em diversas indústrias para cortar e moldar materiais. Ele utiliza um feixe de laser focalizado para fundir, queimar ou vaporizar o material, criando cortes limpos e precisos. Esse método oferece inúmeras vantagens em relação às técnicas de corte tradicionais, incluindo alta precisão, velocidade e a capacidade de cortar formas complexas. Neste artigo, exploraremos o princípio do corte a laser, seus diferentes tipos, principais características e sua aplicação em metais.
O princípio do corte a laser
O corte a laser utiliza um feixe de laser concentrado de alta densidade de potência para escanear a superfície da peça de trabalho, aquecendo localmente o material a vários milhares ou dezenas de milhares de graus Celsius em um curtíssimo período de tempo. Dessa forma, o material irradiado derrete, vaporiza, sofre ablação ou atinge o ponto de ignição rapidamente. Simultaneamente, um fluxo de ar coaxial de alta velocidade, alinhado com o feixe, remove o material fundido e corta a peça, atingindo assim o objetivo de corte. Se o gás expelido reagir com o material cortado, essa reação fornecerá a energia adicional necessária para o corte. O fluxo de ar também tem a função de resfriar a superfície de corte, reduzindo a zona afetada pelo calor e garantindo que o espelho de focalização não seja contaminado. O corte a laser é, portanto, um processo de corte térmico.
Seja utilizando laser de CO2 ou laser Nd:YAG para corte, o princípio é basicamente o mesmo. Em aplicações práticas, uma lente é instalada na cabeça de corte a laser para focalizar o laser em um ponto focal muito pequeno (spot), onde a densidade de potência é extremamente alta, e o foco é ajustado à superfície da peça de trabalho para fundir ou vaporizar o material a ser cortado.
O processo de corte a laser ocorre na superfície ao final do corte, numa região denominada frente de ablação. O laser e o fluxo de ar penetram no corte por esse ponto, e parte da energia do laser é absorvida pela frente de ablação, enquanto outra parte atravessa o corte ou é refletida para o espaço resultante através da frente de ablação. A frente de ablação é aquecida, fundida ou vaporizada pelo laser absorvido e pela reação exotérmica durante o processo de corte, sendo posteriormente dissipada pelo fluxo de ar. Parte do calor é transferida para o material base por condução térmica, ou é transportada pelo fluxo de ar por meio de perdas por radiação e convecção.
Um fator importante no corte a laser é a absorção do laser incidente na frente de ablação da peça a ser cortada, o que é fundamental para um corte a laser eficaz. A absorção do laser é determinada pela polarização, modo e ângulo de convergência do laser, bem como pela forma e inclinação da frente de ablação, pelas propriedades do material e pelo grau de oxidação.
O corte a laser utiliza lasers de alta energia para fundir ou vaporizar o material no local do corte, e um fluxo de ar auxiliar de alta velocidade remove o material, completando o corte. A densidade de potência do corte a laser pode atingir 10^4~10^5 W/cm². A fonte de laser geralmente utiliza um feixe de laser de CO2 com potência operacional de 500~2500 W. Esse nível de potência é inferior à potência necessária para muitos aquecedores elétricos domésticos, mas o laser é focalizado em uma área muito pequena através de lentes e refletores. A alta concentração de energia permite aquecer rapidamente o material localmente e evaporá-lo.
Além disso, como a energia é muito concentrada, apenas uma pequena quantidade de calor é transferida para outras partes do material, causando pouca ou nenhuma deformação. Formas complexas podem ser cortadas com muita precisão usando lasers, e o material cortado não precisa de processamento posterior. Embora os lasers de CO2 de alta energia possam cortar chapas de aço carbono com 25 mm de espessura, para obter um corte de alta qualidade, a espessura da chapa geralmente não deve ser superior a 10 mm.
Classificação do corte a laser
O corte a laser pode utilizar gás auxiliar para ajudar na remoção de materiais fundidos ou vaporizados, ou pode ser realizado sem gás auxiliar. Dependendo do gás auxiliar utilizado, o corte a laser pode ser dividido em quatro categorias: corte por vaporização, corte por fusão, corte por fluxo oxidante e corte por fratura controlada.
(1) Corte por vaporização
A peça é aquecida por um feixe de laser de alta densidade de energia, fazendo com que a temperatura da superfície do material suba rapidamente e atinja o ponto de ebulição em um curto período de tempo, o suficiente para evitar a fusão por condução de calor. O material começa a vaporizar, e parte dele evapora, desaparecendo em forma de vapor. O vapor é ejetado muito rapidamente. Simultaneamente à ejeção do vapor, parte do material é removida da base do corte pelo fluxo de gás auxiliar, formando uma incisão no material. Durante o processo de corte por vaporização, o vapor carrega as partículas fundidas e remove os detritos, formando orifícios.
Durante o processo de vaporização, cerca de 40% do material desaparece na forma de vapor, enquanto 60% são removidos pelo fluxo de ar na forma de gotículas fundidas. O calor de vaporização do material é geralmente muito alto, portanto, o corte a laser por vaporização requer muita potência e densidade de potência. Alguns materiais que não podem ser fundidos, como madeira, materiais de carbono e alguns plásticos, são cortados e moldados por esse método. O corte a laser por vaporização é usado principalmente para cortar materiais metálicos extremamente finos e materiais não metálicos (como papel, tecido, madeira, plástico e borracha, etc.).
(2) Corte por fusão
O material metálico é fundido pelo aquecimento com um feixe de laser. Quando a densidade de potência do feixe de laser incidente excede um determinado valor, o material dentro do feixe começa a evaporar e forma um orifício. Uma vez formado, esse pequeno orifício absorve toda a energia do feixe incidente, comportando-se como um corpo negro. O pequeno orifício é circundado por uma parede de metal fundido e, em seguida, um gás não oxidante (Ar, He, N, etc.) é pulverizado através de um bocal coaxial com o feixe. A forte pressão do gás é utilizada para expelir o metal líquido ao redor do orifício.
À medida que a peça se move, o pequeno orifício se desloca sincronizadamente na direção do corte, formando uma incisão. O feixe de laser continua a irradiar ao longo da borda frontal da incisão, e o material fundido é expelido da incisão de forma contínua ou pulsante. O corte por fusão a laser não exige que o metal seja completamente vaporizado, e a energia necessária é apenas 1/10 da energia do corte por vaporização. O corte por fusão a laser é usado principalmente para cortar materiais que não oxidam facilmente ou metais reativos, como aço inoxidável, titânio, alumínio e suas ligas.
(3) Corte com fluxo de oxidação
O princípio é semelhante ao do corte oxiacetilênico. Utiliza-se laser como fonte de calor para pré-aquecimento e oxigênio ou outros gases ativos como gás de corte. Por um lado, o gás ejetado reage com o metal a ser cortado, liberando uma grande quantidade de calor de oxidação; por outro lado, ele expulsa o óxido fundido e o metal derretido da zona de reação, formando uma incisão no metal. Como a reação de oxidação durante o processo de corte gera uma grande quantidade de calor, a energia necessária para o corte a laser com oxigênio é apenas metade da necessária para o corte por fusão, e a velocidade de corte é muito maior do que a do corte por vaporização a laser e do corte por fusão.
Os princípios básicos do corte com fluxo de oxidação são os seguintes:
①Utiliza-se oxigênio ou outros gases ativos. A superfície do material é rapidamente aquecida até a temperatura de ignição sob a irradiação do feixe de laser, e ocorre uma violenta reação de combustão com o oxigênio, liberando uma grande quantidade de calor. Sob a ação desse calor, pequenos orifícios cheios de vapor se formam no interior do material, e esses pequenos orifícios são circundados por paredes de metal fundido.
② O material em combustão é transferido para a escória para controlar a taxa de combustão do oxigênio e do metal. Quanto maior a taxa de fluxo de oxigênio, mais rápida será a reação química de combustão e a remoção da escória. Quanto maior a taxa de fluxo de oxigênio, melhor, pois uma taxa de fluxo muito alta levará ao resfriamento rápido dos produtos da reação (ou seja, óxidos metálicos) na saída do corte, o que não é bom para a qualidade do corte.
③ Existem duas fontes de calor no processo de corte por fluxo de oxidação: a energia de irradiação do laser e a energia térmica gerada pela reação química entre o oxigênio e o metal. Ao cortar aço, o calor liberado pela reação de oxidação representa cerca de 60% da energia total necessária para o corte. Comparado com gases inertes, o uso de oxigênio como gás auxiliar permite alcançar uma velocidade de corte maior.
④ No processo de corte por fluxo oxidante com duas fontes de calor, se a velocidade de combustão do oxigênio for maior que a velocidade de deslocamento do feixe de laser, o corte ficará largo e irregular; se a velocidade de deslocamento do feixe de laser for maior que a velocidade de combustão do oxigênio, o corte resultante será estreito e uniforme. O corte por fluxo oxidante a laser é usado principalmente para cortar aço e é o método de corte mais amplamente utilizado.
(4) Corte de fratura controlada
Para materiais frágeis que são facilmente danificados pelo calor, um feixe de laser de alta densidade energética é usado para escanear a superfície do material, criando um pequeno sulco por evaporação quando aquecido. Em seguida, aplica-se uma certa pressão para aquecer o material e o feixe de laser é usado para um corte controlável e de alta velocidade. O material frágil irá se romper ao longo do pequeno sulco. O princípio desse processo de corte é que o feixe de laser aquece a área localizada do material frágil, causando um grande gradiente térmico e severa deformação mecânica na região, resultando em fissuras no material. Contanto que o gradiente de aquecimento seja mantido equilibrado, o feixe de laser pode guiar a fissura, permitindo que ela se propague em qualquer direção desejada.
A fratura controlada utiliza a distribuição acentuada de temperatura gerada pelo sulcamento a laser para criar tensão térmica localizada no material frágil, fazendo com que ele se rompa ao longo do pequeno sulco. É importante ressaltar que esse método de corte por fratura controlada não é adequado para cortar ângulos agudos e fendas em cantos. Também não é fácil cortar com sucesso formas fechadas de grandes dimensões. O corte por fratura controlada apresenta alta velocidade de corte e não exige potência excessiva, caso contrário, a superfície da peça pode derreter e a borda da fenda pode ser danificada. Os principais parâmetros de controle são a potência do laser e o tamanho do ponto.
Características do corte a laser
A tecnologia de corte a laser apresenta vantagens evidentes em relação a outros métodos de corte térmico. Suas características gerais são a alta velocidade de corte e a alta qualidade. Suas características específicas podem ser resumidas da seguinte forma:
(1) Boa qualidade de corte
Devido ao pequeno ponto focal do laser, à alta densidade de energia e à rápida velocidade de corte, o corte a laser proporciona uma excelente qualidade de corte. A incisão do corte a laser é estreita e a precisão dimensional das peças cortadas pode atingir ±0,05 mm. A superfície de corte é lisa e esteticamente agradável, com uma rugosidade superficial de apenas dezenas de micrômetros (geralmente Ra entre 12,5 e 25 µm). O corte a laser pode até mesmo ser utilizado como processo final. A junta de corte geralmente não precisa ser processada novamente antes da soldagem, e as peças podem ser utilizadas diretamente. Após o corte a laser, a largura da zona afetada pelo calor é muito pequena e o desempenho do material próximo ao corte permanece praticamente inalterado. Além disso, a deformação da peça é pequena, a precisão do corte é alta, a forma geométrica da junta de corte é boa e a seção transversal da junta apresenta um formato retangular relativamente regular.
(2) Alta eficiência de corte
Devido às características de transmissão do laser, as máquinas de corte a laser geralmente são equipadas com múltiplas mesas de trabalho CNC, e todo o processo de corte pode ser totalmente controlado por CNC. Durante a operação, basta alterar o programa CNC para aplicá-lo ao corte de peças de diferentes formatos, podendo realizar cortes bidimensionais e tridimensionais.
(3) Velocidade de corte rápida
Ao cortar uma chapa de aço de baixo carbono com 2 mm de espessura e uma potência de laser de 1,2 kW, a velocidade de corte pode atingir 600 cm/min; ao cortar uma chapa de resina de polipropileno com 5 mm de espessura, a velocidade de corte pode atingir 1200 cm/min. Ao cortar uma chapa de aço carbono com 8 mm de espessura e uma potência de laser de 2 kW, a velocidade de corte é de 1,6 m/min, e ao cortar uma chapa de aço inoxidável com 2 mm de espessura, a velocidade de corte é de 3,5 m/min. A zona afetada pelo calor é pequena e a deformação é extremamente reduzida. O material não precisa ser fixado durante o corte a laser, o que economiza ferramentas, dispositivos de fixação e tempo auxiliar de carga e descarga.
(4) Limpo, seguro e livre de poluição
Durante o corte a laser, a tocha de corte não entra em contato com a peça de trabalho, e não há desgaste da ferramenta. Para processar peças de diferentes formatos, não é necessário trocar a ferramenta, basta alterar os parâmetros de saída do laser. O processo de corte a laser apresenta baixo ruído, baixa vibração e não gera poluição, o que melhora significativamente as condições de trabalho dos operadores.
(5) Uma ampla variedade de materiais de corte
Em comparação com o corte oxiacetilênico e o corte a plasma, o corte a laser pode cortar uma ampla variedade de materiais, incluindo metais, não metais, materiais compósitos à base de metal e não metal, couro, madeira e fibra. Diferentes materiais apresentam diferentes adaptações ao corte a laser devido às suas próprias propriedades termofísicas e diferentes taxas de absorção do laser.
A desvantagem do corte a laser é que ele só consegue cortar chapas e tubos de espessura média e fina devido à limitação da potência do laser e do tamanho do equipamento, e a velocidade de corte diminui significativamente à medida que a espessura da peça aumenta. O equipamento de corte a laser é caro e requer um grande investimento inicial.
Em termos de precisão de corte e rugosidade superficial, o corte a laser de CO2 não supera a usinagem elétrica; em termos de espessura de corte, dificilmente atinge o nível do corte a chama e plasma. No entanto, as vantagens significativas acima mencionadas são suficientes para comprovar que o corte a laser de CO2 substituiu e continua substituindo alguns métodos de corte tradicionais, especialmente no corte de diversos materiais não metálicos. Trata-se de um método de processamento avançado que está se desenvolvendo rapidamente e sendo cada vez mais utilizado.
Âmbito de aplicação do corte a laser
Na produção industrial, a tecnologia de corte a laser é um dos métodos de processamento a laser mais utilizados, representando cerca de 601 TP3T de toda a aplicação de processamento a laser de materiais.
A maioria das máquinas de corte a laser são controladas por programas CNC ou transformadas em robôs de corte. Como um método de processamento de precisão, o corte a laser pode cortar quase todos os materiais, incluindo o corte bidimensional ou tridimensional de chapas metálicas finas. O corte a laser é amplamente utilizado na fabricação de componentes elétricos, máquinas de transporte, petroquímica, indústria automobilística, máquinas de engenharia, equipamentos médicos, decoração, embalagens, etc. No setor automotivo, a tecnologia de corte a laser para curvas espaciais, como as janelas do teto dos carros, tem sido amplamente utilizada. A Volkswagen da Alemanha utiliza um laser de 500W para cortar painéis de carroceria complexos e diversas peças curvas.
Na área aeroespacial, a tecnologia de corte a laser é utilizada principalmente para cortar materiais especiais para aviação, como ligas de titânio, ligas de alumínio, ligas de níquel, ligas de cromo, aço inoxidável, óxido de berílio, materiais compósitos, plásticos, cerâmicas e quartzo. Entre as peças aeroespaciais processadas por corte a laser, incluem-se tubos de combustão de motores, revestimentos de liga de titânio de paredes finas, estruturas de aeronaves, revestimentos de liga de titânio, seções de asas, painéis de cauda, rotores principais de helicópteros, placas de isolamento cerâmico de ônibus espaciais, etc.
A tecnologia de corte a laser também é amplamente utilizada no campo de materiais não metálicos. A potência necessária para o corte a laser é relativamente baixa. Geralmente, um laser de CO2 contínuo com potência inferior a 1 kW é suficiente para cortar peças finas. Ele pode cortar não apenas materiais com alta dureza e fragilidade, como nitreto de silício, cerâmica, quartzo, etc., mas também materiais flexíveis como tecido, papel, placas de plástico, borracha, couro, etc. Por exemplo, o uso de lasers para o corte de roupas pode economizar de 10¹³ a 12¹³ toneladas de material têxtil e aumentar a eficiência em mais de 3 vezes.
A densidade de energia do feixe de laser é ligeiramente inferior à do feixe de elétrons, e as capacidades de corte desses dois feixes de energia são basicamente as mesmas. Comparado ao corte por feixe de elétrons, o corte a laser pode cortar metais com até 25 mm de espessura em atmosfera ambiente e pode ser realizado em alta velocidade utilizando equipamentos de corte automáticos. A incisão é muito estreita, o ângulo de corte é quase vertical e a qualidade do corte é excelente.
Além das aplicações acima mencionadas, corte a laser Além disso, está expandindo continuamente suas áreas de aplicação, conforme segue:
① Utilizar um sistema de corte a laser 3D ou configurar um robô industrial para cortar curvas espaciais e desenvolver vários softwares de corte 3D para acelerar o processo desde o desenho até o corte das peças.
② Para melhorar a eficiência da produção, diversos sistemas especiais de corte, sistemas de transporte de materiais, sistemas de acionamento por motor linear, etc., são estudados e desenvolvidos. Atualmente, a velocidade de corte do sistema já ultrapassou 100 m/min.
③ Para expandir a aplicação em máquinas de engenharia, indústria naval, etc., a espessura de corte de chapas de aço de baixo carbono ultrapassou 30 mm, e a tecnologia de processo de corte de chapas de aço de baixo carbono com nitrogênio está sendo especialmente estudada para melhorar a qualidade do corte de chapas grossas.
Expandir o campo de aplicação do corte a laser de CO2 e solucionar alguns problemas técnicos em novas aplicações ainda são tópicos importantes para engenheiros e pessoal técnico.
Corte a laser de diferentes materiais metálicos
(1) Corte a laser de materiais metálicos. Embora quase todos os materiais metálicos apresentem alta refletividade à energia de ondas infravermelhas à temperatura ambiente, os lasers de CO2 que emitem feixes na faixa do infravermelho distante (10,6 µm) são utilizados com sucesso para o corte a laser de muitos metais. Os materiais metálicos apresentam baixa absorção de feixes de laser de 10,6 µm, com uma taxa de absorção inicial de apenas 0,5% a 10%. A taxa de absorção da maioria dos metais no estado fundido aumenta acentuadamente, geralmente entre 60% e 80%.
① Aço carbono. A espessura das chapas de aço carbono cortadas a laser pode chegar a 25 mm. O corte das chapas de aço carbono por máquinas de corte com fluxo de oxidação pode ser controlado dentro de uma faixa de largura satisfatória, e o corte de chapas finas pode ter uma largura de até cerca de 0,1 mm.
② Aço-liga. A maioria dos aços-liga estruturais e aços-liga para ferramentas podem atingir boa qualidade de corte por meio do corte a laser. Quando o oxigênio é usado como gás de processamento, a aresta de corte sofrerá uma leve oxidação. Para chapas de até 4 mm de espessura, o nitrogênio pode ser usado como gás de processamento para corte de alta pressão. Nesse caso, a aresta de corte não será oxidada. Para chapas com espessura superior a 10 mm, melhores resultados podem ser obtidos utilizando placas especiais no laser e aplicando óleo na superfície da peça durante o processamento. Para aços de alta resistência, desde que os parâmetros do processo sejam controlados adequadamente, também é possível obter arestas de corte retas e sem escória. No entanto, para aços-liga para ferramentas de alta velocidade e aços para matrizes de forjamento a quente contendo tungstênio, a fusão e a formação de escória são propensas durante o corte a laser.
③ Aço inoxidável. O corte a laser é um método de processamento eficaz para a indústria de manufatura, principalmente para a produção de chapas finas de aço inoxidável. Sob rigoroso controle da entrada de calor no corte a laser, a largura da zona afetada pelo calor da aresta de corte pode ser limitada, garantindo assim a boa resistência à corrosão do aço inoxidável. Oxigênio pode ser usado quando a oxidação da borda não for um problema, e nitrogênio pode ser usado para obter uma borda livre de oxidação e rebarbas, sem necessidade de tratamento adicional. A aplicação de uma camada de óleo na superfície da chapa proporciona um melhor efeito de perfuração sem comprometer a qualidade do processamento.
④ Alumínio e suas ligas. O corte a laser de alumínio e suas ligas pertence ao mecanismo de corte por fusão. O gás auxiliar utilizado serve principalmente para remover o produto fundido da área de corte, geralmente obtendo-se uma boa qualidade de incisão. Para algumas ligas de alumínio, deve-se ter cuidado para evitar a geração de microfissuras intergranulares na superfície de corte. Embora as ligas de alumínio apresentem alta refletividade e boa condutividade térmica, o corte a laser ainda pode ser utilizado para cortar materiais de alumínio com espessura inferior a 6 mm, dependendo do tipo de liga e da potência do laser. Quando se utiliza oxigênio, a superfície de corte fica áspera e dura; quando se utiliza nitrogênio, a superfície de corte fica lisa. O alumínio puro é muito difícil de cortar. Só é possível cortá-lo quando um dispositivo de "absorção de reflexão" é instalado no sistema, caso contrário, a reflexão danificará os componentes ópticos.
⑤ Cobre e suas ligas. O cobre puro (cobre vermelho) não pode ser cortado com um feixe de laser de CO2 devido à sua alta refletividade. O latão (liga de cobre) deve ser cortado com uma potência de laser maior. Ar ou oxigênio são usados como gases auxiliares, e chapas mais finas podem ser cortadas. Tanto o cobre puro quanto o latão possuem alta refletividade e excelente condutividade térmica. Chapas de latão com espessura inferior a 1 mm podem ser cortadas com nitrogênio; chapas de cobre com espessura inferior a 2 mm podem ser cortadas, e oxigênio deve ser usado como gás de processamento. O cobre puro e o latão só podem ser cortados quando um dispositivo de “absorção de reflexão” estiver instalado no sistema; caso contrário, a reflexão destruirá os componentes ópticos.
⑥ Titânio e suas ligas. O titânio puro absorve muito bem a energia térmica convertida pelo feixe de laser focalizado. Quando o oxigênio é usado como gás auxiliar, a reação química é violenta e a velocidade de corte é alta, mas há facilidade na formação de uma camada de óxido na aresta de corte, o que pode causar superaquecimento. O uso de ar como gás auxiliar garante a qualidade do corte. A qualidade do corte a laser de ligas de titânio comumente usadas na indústria aeronáutica é boa. Embora possa haver um pouco de escória aderente no fundo do corte, ela é fácil de remover. As placas de titânio são cortadas com xenônio e nitrogênio como gases de processo.
⑦ Ligas à base de níquel. Também conhecidas como ligas de alta temperatura, existem muitas variedades, a maioria das quais pode ser oxidada a laser e cortada com fluxo.
A qualidade do corte é boa. O equipamento de corte a laser consegue cortar chapas de aço inoxidável com menos de 4 mm de espessura, e a adição de oxigênio ao feixe de laser permite cortar chapas de aço carbono com 25 mm de espessura, porém uma fina película de óxido se forma na superfície de corte após o corte com oxigênio. A espessura máxima de corte a laser pode chegar a 30 mm, mas o erro dimensional das peças cortadas é grande.
A taxa de absorção do feixe de laser pelo material desempenha um papel importante no estágio inicial de aquecimento. Uma vez formado o pequeno orifício na peça, o efeito de corpo negro desse orifício faz com que o material absorva o feixe a uma taxa próxima de 100%. Na prática de corte a laser, a influência do estado da superfície do material na taxa de absorção do feixe pode ser utilizada para melhorar o desempenho do corte. Por exemplo, revestir a superfície do alumínio com uma camada de material absorvente pode aumentar significativamente a velocidade de corte.
