Como é que os lasers transformam metais sólidos em formas precisas e desenhos complexos? Este artigo analisa os fundamentos da perfuração e do corte a laser, explicando os mecanismos físicos, os factores que influenciam e as aplicações práticas destas técnicas avançadas. Desde a compreensão da energia dos impulsos até ao domínio da velocidade de corte, os leitores obterão informações sobre a forma como os lasers atingem uma elevada precisão em várias indústrias. Explore a forma como a tecnologia laser pode melhorar os seus processos de fabrico e desbloquear novas possibilidades na metalurgia.
Quando um material metálico é irradiado por um laser com uma densidade de potência de 106-109W/cm2Devido à alta densidade de potência do laser, a temperatura da superfície do material excederá o ponto de ebulição, resultando em fusão ou vaporização, e a mistura oxidada dividida na superfície será ejectada.
No final do impulso laser, a densidade de potência do laser diminui e o jato dividido enfraquece.
Com a injeção dos produtos de cisão, a vaporização ocorre a uma determinada velocidade.
O grau move-se em direção ao interior do material, o material é vaporizado e removido, e o furo é gradualmente aprofundado.
Com o aumento do diâmetro e da profundidade do furo, os produtos de cisão são removidos sucessivamente pela pressão do vapor e, finalmente, forma-se um furo profundo.
Classificação da perfuração a laser
(1) Energia de impulso
Profundidade de gaseificação primária:
Lm e Lv são os calores latentes de fusão e de vaporização dos materiais, respetivamente.
Nesse momento, a massa de remoção de material é πa02d'ρ.
C: Capacidade térmica específica
Tb: Temperatura do ponto de fusão
T0: Temperatura ambiente
E0: Energia de impulso
Ignorar a condução de calor e a emissão superficial.
(2) Largura do impulso
| Energia/J | Largura do impulso/ms | Profundidade do furo/mm | Abertura/mm | Rácio diâmetro-profundidade |
| 5.4 5.1 5.9 5.7 5.4 5.0 | 0.25 0.35 0.55 0.75 0.85 1.15 | 1.2 1.3 1.5 1.6 1.8 1.6 | 0.42 0.39 0.38 0.36 0.30 0.26 | 2.9 3.3 3.9 4.4 6.0 6.1 |
A seleção da largura de impulso depende dos requisitos do orifício:
Com o aumento da largura do impulso, é utilizado mais calor para o aquecimento não destrutivo dos materiais, o que resulta em grandes deformações dos materiais, grandes tensões térmicas e fissuras fáceis.
Geralmente, é utilizada uma largura de impulso de 0,3-0,7 ms.
(3) Forma de onda do impulso
Deve selecionar-se, na medida do possível, a forma de onda com bordos anteriores e posteriores acentuados e com um aumento gradual da intensidade da luz laser.
Geralmente, o bordo frontal do laser deve ser controlado a 8~10us para obter uma melhor entrada, e o bordo posterior mais curto do que 8us pode obter uma elevada qualidade da parede interior.
Especialmente para os pequenos orifícios inferiores a 50us, o gradiente do bordo posterior é aumentado para evitar que o orifício seja bloqueado por substâncias líquidas.
(4) Modo laser
O ângulo de divergência do laser afecta principalmente a diferença de abertura e a conicidade na entrada e na saída.
Geralmente, com o aumento do ângulo de divergência, a conicidade do furo aumenta, e o diâmetro do ponto focalizado do feixe laser também aumenta.
Fórmula aproximada do raio de focagem:
Fórmula aproximada da profundidade de focagem:
Quanto mais baixo for o modo, mais pequeno é o ângulo de divergência.
O ângulo de divergência da matriz de base é o mais pequeno.
O cone de perfuração da matriz de base deve ser pequeno.
(5) Condições de focagem (focagem, quantidade de desfocagem)
A influência da quantidade de desfocagem △∫ na forma da parede do orifício
(6) Características do material (características físicas, dimensões gerais)
Quando o potência do laser A densidade F é baixa, a perda por difusão térmica do alumínio é superior à do ferro e a profundidade do furo do alumínio é inferior à do ferro.
Com o aumento de F, o material atinge rapidamente o ponto de ebulição e a velocidade de aquecimento é rápida.
Neste momento, a perda por condução de calor pode ser ignorada.
Como o alumínio tem calor latente de vaporização, a quantidade de remoção de vaporização do alumínio é maior do que a do ferro, de modo que a profundidade do furo do alumínio é mais profunda do que a do ferro.
O pulso de laser com alta densidade de potência deve ser usado para perfuração.
(7) Perfuração multipulsos
A profundidade do furo da perfuração de pulso único é limitada, apenas 3 a 4 vezes o diâmetro do furo, e a precisão e a repetibilidade são difíceis de controlar.
Geralmente, é utilizada a perfuração de múltiplos impulsos.
A perfuração multipulsos pode controlar factores instáveis, como a distorção da forma do furo, a expansão da zona afetada pelo calore fissuração da superfície.
(8) Tecnologia auxiliar de perfuração a laser
Melhorar a forma do buraco:
(a) A película líquida com baixa tensão superficial é revestida para reduzir o depósito e a conicidade do furo.
(b) Cobrir a camada de proteção de modo a que o cone da perfuração laser fique sobre a camada de proteção.
(c) Soprar ar comprimido para melhorar a qualidade da superfície.
(d) É instalado um refletor sob a peça a trabalhar.
(e) Perfuração de múltiplos impulsos, focando periodicamente o feixe laser numa determinada posição no fundo do furo.
(f) Após a perfuração a laser, correção auxiliar.
| Vantagem da qualidade | Características técnicas | Paplicação prática |
| 1. O laser pode efetuar pequenos furos profundos | Focalização por laser o diâmetro pode atingir 0,3 mm | Bicos especiais e canais de arrefecimento |
| 2. Efetuar furos oblíquos e furos com formas especiais no plano inclinado | Transmissão de ar por laser | Perfuração de lâminas de motores de turbina |
| 3. Punção de peças cerâmicas extremamente duras | Nenhuma dificuldade técnica na perfuração a laser de furos em cerâmica | Bocal de chama resistente a altas temperaturas para a indústria do aço |
| 4. Elevada precisão de perfuração e desempenho fiável | Sem desgaste da ferramenta durante a perfuração a laser | Perfuração de bicos de motores a gás |
| 5. Perfuração a laser de pequenos orifícios de alta densidade | O laser pode ser utilizado para perfurar com o método de voo de alta velocidade | Placa de peneiração de precisão para a indústria química e farmacêutica |
Exemplos de aplicações de perfuração a laser:
Cerâmica- Φ 0,5 mm de orifício
Lâmina do motor - Φ 0,5 mm furo pequeno
Perfuração a laser de componentes de aeronaves:
O corte a laser consiste em irradiar a peça de trabalho com um feixe de laser de alta densidade e potência.
Se a densidade de potência do laser exceder o limiar do laser, a energia do feixe laser e a energia térmica da reação química adicionada no processo de corte assistido por gás ativo são todas absorvidas pelo material, o que provoca um aumento acentuado da temperatura do ponto de funcionamento do laser.
Depois de atingir o ponto de ebulição, o material começa a vaporizar e forma buracos.
Com o movimento relativo do feixe e da peça de trabalho, o material forma finalmente uma fenda e a escória na fenda é soprada por uma certa quantidade de gás auxiliar.
O corte a laser pode ser dividido em corte por vaporização, corte por fusão e corte por combustão de oxigénio.
O corte por combustão de oxigénio é o mais utilizado.
A partir do corte de diferentes materiais, pode ser dividida em corte laser de metais corte por laser de metais e não metais.
Leitura relacionada: Noções básicas de corte a laser
(1) Corte por vaporização
O corte por vaporização refere-se ao facto de o raio laser aquecer a peça de trabalho a uma temperatura superior ao ponto de ebulição.
Alguns materiais escapam sob a forma de vapor e outros são soprados para fora do fundo de corte sob a forma de jactos.
A energia necessária para o corte a laser é 10 vezes superior à do corte por fusão.
O mecanismo é o seguinte:
① O laser aquece o material, reflectindo-o parcialmente e absorvendo-o parcialmente, e a refletividade do material diminui com o aumento da temperatura.
② O aumento da temperatura na zona de ação do laser é suficientemente rápido para evitar a fusão causada pela condução de calor.
③ O vapor escapa rapidamente da superfície da peça de trabalho a uma velocidade aproximada do som.
O corte por vaporização aplica-se apenas a materiais como a madeira, o plástico e o carbono que não podem ser fundidos.
Femtosegundo O corte a laser pertence ao corte por gaseificação.
(2) Corte por fusão
O corte por fusão consiste em que, quando a densidade de potência do feixe laser excede um determinado valor, a parte interna da peça de trabalho evapora-se para formar um orifício e, em seguida, sopra gás inerte auxiliar com o eixo ótico para afastar os materiais fundidos em torno do orifício.
O mecanismo de fusão e corte é:
① Quando o raio laser irradia a peça de trabalho, o resto da energia, exceto a reflexão, aquece o material e evapora-se em buracos.
Uma vez formado o buraco, este absorve toda a energia luminosa com um corpo negro, e o buraco é rodeado por uma parede de metal fundido. A parede fundida é mantida relativamente estável pelo fluxo de vapor a alta velocidade.
③ A isotérmica de fusão percorre a peça de trabalho e o material fundido é soprado por sopro auxiliar.
④ Com o movimento da peça de trabalho, o pequeno orifício desloca-se horizontalmente por uma fenda.
(3) Combustão de oxigénio para apoio ao corte
O mecanismo de fusão e corte assistido por oxigénio é:
Sob a irradiação laser, o material atinge a temperatura Tm, e depois entra em contacto com o oxigénio, o que provoca uma violenta reação de combustão e emite muito calor.
Sob a ação combinada do laser e deste calor, forma-se no material um pequeno orifício cheio de vapor e a sua envolvente é rodeada por gás fundido;
② O fluxo de vapor faz com que a parede de metal fundido circundante se mova para a frente, e ocorre a transferência de calor e material;
③ A velocidade de combustão do oxigénio e do metal é limitada pela conversão dos materiais de combustão em escória.
A velocidade de difusão do oxigénio através da escória até à frente de ignição. Quanto maior for o caudal de oxigénio, mais rápida é a reação química da combustão;
④ Na área que não atinge a temperatura de combustão, o fluxo de oxigénio actua como arrefecimento para reduzir a zona afetada pelo calor de corte.
⑤ Existem duas fontes de calor, radiação laser e o calor da reação química, no corte assistido por oxigénio.
Leitura relacionada: Tipos de métodos de corte a laser
(1) Propriedades dos materiais
RESUMO DA CAPACIDADE DE PROCESSAMENTO
(2) Modo laser
(a) Modo gaussiano (b) Modo de baixa ordem (c) Multimodal
(3) Potência do laser e velocidade de corte
Relação entre a velocidade de corte e a potência do laser, espessura da chapa
Para uma determinada espessura de chapa, a velocidade de corte a laser aumenta normalmente de forma linear com a potência do laser.
(4) Entalhe e rugosidade
Relação entre rugosidade do entalhe e espessura de corte
Para a rugosidade da incisão do corte a laser de metal, a metade superior é geralmente a melhor, a secção intermédia é a segunda e a secção inferior é fraca.
A rugosidade do entalhe está relacionada com o corte do entalhe.
(5) Posição de focagem
A relação a0 entre a distância da peça à lente de focagem e a distância focal é de 0,988<a0<1,003.
Por exemplo, ao cortar a laser 2,3 mm com baixo teor de carbono chapa de açoSe a câmara de vídeo não estiver a funcionar, é preferível utilizar uma desfocagem negativa de 0,3 a 0,7 mm.
(6) Espelho de focagem
(7) Diâmetro do bocal
O fluxo de oxigénio deve ser um fluxo de ar convergente supersónico para evitar a expansão da secção inferior da incisão.
Existe um diâmetro de bocal ótimo para um corte a laser específico. Na figura, 1,5 mm é o melhor diâmetro de bocal.
(8) Pressão de sopro do oxigénio
Relação entre a pressão de sopro de oxigénio e a velocidade de corte
Em diferentes potências de laser e diferentes espessuras, existe um valor ótimo de pressão de sopro de oxigénio.
(9) Polarização do laser
O estado da incisão obtido por diferentes luzes polarizadas
(a) Luz polarizada linearmente;
(b) Luz polarizada linearmente;
(c) Luz polarizada linearmente;
(d) Luz polarizada circularmente.
Como se pode ver na figura, é utilizada luz polarizada circular e a incisão é rectilínea, independentemente da direção de corte.
O sistema de corte está geralmente equipado com um polarizador circular com reflexão de 45 graus.
Leitura relacionada: Factores que afectam a qualidade do corte a laser
| Vantagem da qualidade | Características técnicas | Aplicação prática |
| 1. A zona afetada pelo calor na extremidade da junta de corte é pequena | Menos energia total necessária para o corte a laser | Corte de núcleo de aço silício para motor de grandes dimensões |
| 2. A fenda de corte a laser é estreita | Elevada concentração de energia no corte a laser | Corte da junta do filtro do tubo de óleo |
| 3. Elevada precisão de corte e pequena deformação da peça de trabalho | O diâmetro do ponto de focagem do laser é pequeno | Corte e moldagem da junta do cilindro |
| 4. Boa repetibilidade de corte e pequeno erro | Corte de precisão CNC | Corte de peças com formas complexas |
| 5. A superfície de corte a laser está limpa, sem escórias | Aperfeiçoamento do processo físico metalúrgico de corte | Corte com lâmina de serra de diamante para decoração |
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
PT 
EN 
DE 
ES 
FR 
NL 
RU 