Você já se perguntou como desenhos complexos são cortados com tanta precisão em vários materiais? Este artigo revela o fascinante mundo do corte a laser, explorando suas técnicas e aplicações. Ao final, você entenderá como essa tecnologia molda tudo, do metal aos tecidos, prometendo um futuro de infinitas possibilidades.
O corte a laser, introduzido pela primeira vez na década de 1970, revolucionou a produção industrial moderna. Essa tecnologia versátil agora é amplamente empregada para o corte de precisão de diversos materiais, incluindo chapas metálicas, plásticos, vidro, cerâmica, semicondutores, têxteis, madeira e papel. Sua capacidade de fornecer cortes limpos e precisos com o mínimo de desperdício de material tornou-a uma ferramenta indispensável em vários setores de fabricação.
Nos próximos anos, o corte a laser está pronto para um crescimento substancial, especialmente em aplicações de usinagem de precisão e microusinagem. Essa expansão é impulsionada por avanços na tecnologia laser, como melhor qualidade de feixe, maior potência de saída e sistemas de controle aprimorados. Esses desenvolvimentos estão permitindo que os fabricantes alcancem níveis sem precedentes de precisão e eficiência em operações de corte complexas.
O princípio fundamental do corte a laser envolve a aplicação concentrada de luz de alta energia para aquecer e processar materiais rapidamente. Quando o feixe de laser concentrado interage com a peça de trabalho, ele cria uma área localizada de calor intenso. Isso faz com que o material derreta, vaporize ou passe por uma combinação de ambos os processos, dependendo das propriedades do material e dos parâmetros do laser.
À medida que o feixe de laser penetra na peça de trabalho, o processo de corte real é iniciado. O feixe percorre o contorno predeterminado, derretendo ou vaporizando continuamente o material em seu caminho. Para melhorar a qualidade e a eficiência do corte, um gás de assistência de alta pressão (normalmente nitrogênio, oxigênio ou ar comprimido) é direcionado coaxialmente com o feixe de laser. Esse jato de gás tem várias funções essenciais:
O resultado é uma incisão precisa e estreita entre a peça cortada e o material restante. A largura dessas linhas de corte é extremamente pequena, muitas vezes quase igual ao diâmetro do próprio feixe de laser focalizado. Esse alto nível de precisão permite projetos complexos e tolerâncias estreitas, tornando o corte a laser ideal para aplicações que vão desde a fabricação industrial em larga escala até operações delicadas de microusinagem.
O corte por chama, também conhecido como corte oxi-combustível, é um processo de corte térmico amplamente utilizado, empregado principalmente para cortar aços de baixo e médio carbono. Essa técnica utiliza uma combinação de gás combustível (normalmente acetileno, propano ou gás natural) e oxigênio puro para criar uma chama de alta temperatura e facilitar o processo de corte.
Nesse método, o metal é primeiro pré-aquecido até a temperatura de ignição (aproximadamente 870°C ou 1600°F para aço doce) usando a chama de gás combustível. Quando o metal atinge essa temperatura, um fluxo de oxigênio de alta pureza é direcionado para a área aquecida. O oxigênio pressurizado, que normalmente varia de 3 a 6 bar (30 a 60 psi), é então aumentado para iniciar e sustentar a ação de corte.
Na zona de corte, o metal aquecido passa por uma rápida reação exotérmica com o oxigênio, causando sua queima e oxidação. Essa reação de oxidação gera uma quantidade significativa de calor adicional - até cinco vezes a energia da chama de pré-aquecimento. O óxido fundido e o metal resultantes são então expulsos do corte pela energia cinética do jato de oxigênio, criando um corte limpo.
A reação química e a geração de calor no corte por chama oferecem várias vantagens:
No entanto, é importante observar que o corte por chama é limitado principalmente a materiais ferrosos com alto potencial de oxidação. Para cortar outros metais ou obter maior precisão, métodos alternativos, como o corte a plasma ou a laser, podem ser mais adequados.
Fig.1 O feixe de laser derrete a peça de trabalho, enquanto o gás de corte sopra o material derretido e a escória na incisão
O corte por fusão, também conhecido como corte por fusão, é um processo térmico sofisticado amplamente empregado na fabricação de metais de precisão e pode ser estendido a outros materiais fusíveis, inclusive cerâmicas avançadas. Essa técnica utiliza uma fonte de calor de alta energia, normalmente um laser ou plasma, para derreter o material rapidamente. O processo é aprimorado por um jato de gás de alta pressão, geralmente nitrogênio ou argônio, que é direcionado através do kerf (caminho de corte) a pressões que variam de 2 a 20 bar (200 a 2000 kPa).
A escolha entre nitrogênio e argônio como gases de corte é fundamental e depende do material e do resultado desejado. Ambos são gases inertes, o que significa que não reagem quimicamente com o material fundido na fenda de corte. Essa inércia atende a duas funções cruciais:
O nitrogênio é geralmente preferido para o corte de aço carbono e aço inoxidável devido à sua relação custo-benefício e à capacidade de produzir bordas sem óxido. O argônio, por ser mais denso, é normalmente usado para materiais mais reativos ou quando são necessários cortes de altíssima pureza, como em aplicações aeroespaciais.
A pressão do gás de assistência é um parâmetro crítico que influencia a qualidade do corte, a largura do corte e a velocidade de corte. As pressões mais altas geralmente permitem velocidades de corte mais rápidas e podem produzir cortes mais estreitos, mas também podem aumentar o risco de formação de escória na parte inferior do corte. A otimização da pressão do gás, juntamente com outros parâmetros, como potência do laser e velocidade de corte, é essencial para alcançar o equilíbrio desejado entre produtividade e qualidade de corte em aplicações industriais.
O corte com ar comprimido é um processo de corte térmico eficiente, adequado para chapas metálicas finas, normalmente de até 3 a 6 mm de espessura, dependendo do material. Esse método utiliza um fluxo de ar de alta pressão para remover o metal fundido da zona de corte.
Nesse processo, o ar comprimido a pressões que variam de 5 a 7 bar (500-700 kPa) é direcionado por um bocal especialmente projetado. Esse fluxo de ar de alta velocidade expulsa efetivamente o metal fundido criado por uma chama de oxicombustível ou arco de plasma, resultando em um corte limpo e estreito.
O mecanismo de corte é principalmente térmico, pois o ar comprimido é composto de aproximadamente 78% de nitrogênio, 21% de oxigênio e 1% de outros gases. O teor de oxigênio contribui para a reação exotérmica, aumentando a eficiência do corte, enquanto o nitrogênio atua como um gás inerte, ajudando a proteger as bordas cortadas da oxidação excessiva.
As principais vantagens do corte com ar comprimido incluem:
Entretanto, é importante observar que, à medida que a espessura do material aumenta, a eficácia do corte com ar comprimido diminui, e métodos alternativos, como o corte a plasma ou a laser, podem ser mais adequados para chapas mais espessas.
Quando os parâmetros ideais são selecionados, nuvens de plasma se formam dentro do corte durante o corte por fusão a laser assistido por plasma. Essas nuvens consistem em vapor de metal ionizado e gás de corte ionizado, criando um ambiente altamente energético que aprimora o processo de corte.
A nuvem de plasma atua como um meio eficiente de transferência de energia, absorvendo a radiação do laser de CO2 e convertendo-a em calor localizado na peça de trabalho. Esse mecanismo melhora significativamente a eficiência do acoplamento de energia, resultando na fusão acelerada do metal e em velocidades de corte mais rápidas. Consequentemente, essa técnica avançada é frequentemente chamada de corte a plasma de alta velocidade.
O efeito sinérgico entre o laser e o plasma permite velocidades de corte até 300% mais rápidas do que o corte a laser convencional, especialmente em materiais mais espessos (>6 mm). Além disso, o processo assistido por plasma pode melhorar a qualidade do corte, reduzindo a formação de escória e minimizando a zona afetada pelo calor (HAZ).
É importante observar que o corte por fusão assistido por plasma é feito especificamente para sistemas de laser de CO2. A nuvem de plasma permanece transparente para lasers de estado sólido (como lasers de fibra ou de disco), o que torna essa técnica ineficaz com esses tipos de laser. Essa limitação se deve às características de absorção do plasma, que dependem do comprimento de onda.
Os principais parâmetros do processo para otimizar o corte assistido por plasma incluem:
Ao fazer o ajuste fino desses parâmetros, os fabricantes podem obter um desempenho de corte ideal para vários materiais e espessuras, maximizando a produtividade e mantendo cortes de alta qualidade.
O corte por gaseificação vaporiza o material e minimiza o efeito térmico no material ao redor.
CO2 contínuo processamento a laser pode obter esse efeito ao evaporar materiais com baixo calor e alta absorção, como filmes plásticos finos e materiais que não derretem, como madeira, papel e espuma.
Os lasers de pulso ultracurto permitem que essa técnica seja aplicada a outros materiais.
Os elétrons livres no metal absorvem o laser e se aquecem significativamente.
O pulso de laser não reage com partículas fundidas e plasma, e o material sublima diretamente sem transferir energia para o material circundante na forma de calor.
Não há nenhum efeito térmico aparente em picossegundo ablação por pulso do material, e não ocorre fusão ou formação de rebarbas.
Fig.3 Corte por gaseificação: o laser faz o material evaporar e queimar. A pressão do vapor expele a escória da incisão
Vários parâmetros afetam a processo de corte a laserAlguns dependem do desempenho técnico do gerador de laser e da máquina de corte a laser, enquanto outros são ajustáveis.
O grau de polarização indica a porcentagem do laser que é convertida.
Normalmente, o grau de polarização está em torno de 90%, o que é suficiente para obter um corte de alta qualidade.
O diâmetro do foco afeta a largura da incisão e pode ser modificado alterando-se a distância focal da lente de foco. Um diâmetro de foco menor resulta em incisões mais estreitas.
A posição focal determina o diâmetro do feixe, a densidade de potência e a forma da incisão na superfície da peça de trabalho.
Fi.4 Posição do foco: interior, superfície e lado ascendente da peça de trabalho.
O potência do laser deve ser compatível com o tipo de usinagem, o tipo de material e a espessura.
A potência deve ser alta o suficiente para que a densidade de potência na peça de trabalho ultrapasse o limite de processamento.
Fig.5 Maior potência do laser pode cortar material mais espesso
O modo contínuo é usado principalmente para cortar contornos padrão em metais e plásticos com espessuras que variam de milímetros a centímetros.
Para derreter furos ou produzir contornos precisos, são usados lasers pulsados de baixa frequência.
A potência do laser e a velocidade de corte devem ser compatíveis entre si. Uma velocidade de corte muito rápida ou muito lenta pode levar ao aumento da rugosidade e formação de rebarbas.
Fig.6 A velocidade de corte diminui com a espessura da chapa
O diâmetro do bocal determina o fluxo de gás e a forma do fluxo de ar do bocal.
Quanto mais espesso for o material, maior será o diâmetro do jato de gás e, portanto, maior será o diâmetro da abertura do bocal.
O oxigênio e o nitrogênio são comumente usados como gases de corte.
A pureza e a pressão do gás têm impacto sobre a eficácia do corte.
Ao cortar com uma chama de oxigênio, a pureza do gás deve ser de 99,95%.
Quanto mais espessa a chapa de açoquanto menor a pressão de gás necessária.
Ao cortar com nitrogênio, a pureza do gás deve ser 99,995% (idealmente 99,999%), o que exige maior pressão ao derreter e cortar chapas de aço mais espessas.
Durante os estágios iniciais do corte a laser, o usuário deve determinar os parâmetros de usinagem por meio de operações de teste.
Atualmente, os parâmetros de processamento maduros são armazenados no dispositivo de controle do sistema de corte, com dados correspondentes para cada tipo e espessura de material.
Os parâmetros técnicos permitem que as pessoas que não conhecem bem a tecnologia operem o equipamento de corte a laser sem problemas.
Vários critérios determinam a qualidade das bordas de corte a laser.
Por exemplo, o padrão de formação de rebarbas, flacidez e granulação pode ser avaliado a olho nu.
O retidãoA espessura, a rugosidade e a largura da incisão exigem medição com instrumentos especializados.
A deposição de material, a corrosão, a região de influência térmica e a deformação também são fatores críticos a serem considerados ao avaliar a qualidade do corte a laser.
Você também pode conferir o 9 padrões para verificar a qualidade do corte a laser.
Fig.7 Corte bom, corte ruim
O sucesso contínuo do corte a laser é incomparável com a maioria das outras técnicas, e essa tendência persiste até hoje. No futuro, o aplicações de corte a laser se tornará cada vez mais promissor.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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