Corte a Laser

Raio Laser

Essa era a expressão para identificar uma arma futurística, por muito tempo foi usado apenas em filmes de ficção, lentamente foi se popularizando tendo uma forte aplicação em equipamentos médicos e odontológicos, e mais recentemente, passou a fazer parte da cadeia produtiva, sendo largamente utilizada nas indústrias metalúrgicas.

Laser é luz- O nome laser traduzido para o português quer dizer “amplificação da luz por emissão estimulada da radiação”. O uso do laser pode ser entendido mais facilmente se você imaginar o que acontece quando focalizamos raios de sol através de uma lente, para produzir uma fonte concentrada de energia, na forma de calor, sobre uma folha de papel.

Excitação- processo em que se transfere energia para um sistema

Veículo ativo

Material utilizado para converter energia elétrica em energia de radiação. Embora desse método resultem apenas uns poucos buracos queimados no papel, ele nos mostra que a luz é realmente uma fonte de energia com potencial e condições de ser processada e explorada do ponto de vista industrial. Laser é um sistema que produz um feixe de luz concentrado, obtido por excitação dos elétrons de determinados átomos, utilizando um veículo ativo que pode ser um sólido (o rubi) ou um líquido (o dióxido de carbono sob pressão). Este feixe de luz produz intensa energia na forma de calor. A incidência de um feixe de laser sobre um ponto da peça é capaz de fundir e vaporizar até o material em volta desse ponto.

Desse modo, é possível furar e cortar praticamente qualquer material, independentemente de sua resistência mecânica. Atualmente, o tipo mais comum de laser usado na indústria utiliza o dióxido de carbono (CO2) como veículo ativo. Outros gases, como o nitrogênio (N2) e o hélio (He), são misturados ao dióxido de carbono para aumentar a potência do laser. O grande inconveniente do laser é que se trata de um processo térmico e, portanto, afeta a estrutura do material na região de corte.

Como é gerado o laser?   Os elétrons dos átomos de carbono e oxigênio, que compõem o CO2, ocupam determinadas posições dentro da estrutura do átomo. Essas posições são chamadas de níveis energéticos, que podem ser entendidos como regiões ao redor do núcleo dos átomos. Um dispositivo chamado soprador faz circular CO2 dentro de uma câmara, onde existem dois eletrodos ligados a uma fonte de alta-tensão. Esses eletrodos criam um campo elétrico que aumenta a energia do gás dentro da câmara e em razão desse acréscimo, os elétrons dos átomos que formam o CO 2 se excitam e mudam de nível orbital, passando a girar em níveis mais externos. Após algum tempo, os elétrons voltam ao seu nível energético original e nesse retorno, eles têm de eliminar a energia extra adquirida. Mudança de nível energético do elétron (ganha energia). Existem duas maneiras de se perder energia: por colisão e por emissão espontânea. No primeiro caso, quando o elétron se choca com outro, sua energia é consumida. Na emissão espontânea, ocorre uma liberação de energia na forma de luz. Esta luz emitida estimula a emissão contínua, de modo que a luz seja amplificada.

Mudança de nível energético do elétron (perda de energia). Essa luz é guiada e novamente amplificada por meio de espelhos, até que no cabeçote da máquina, é concentrada através de lentes num único ponto: foco. O direcionamento permite a concentração de energia em um ponto inferior a 0,25 mm de diâmetro. O sistema de corte a laser combina o calor do raio focado com a mistura de gases (dióxido de carbono, nitrogênio e hélio) para produzir uma potência que chega a cerca de 5.000 watts por centímetro quadrado, capaz de vaporizar a maioria dos metais. O hélio auxilia ainda na dissipação do calor gerado pelo campo elétrico.

Equipamento de corte a laser: O futuro que já é presente Os sistemas de corte a laser não podem ser operados manualmente, pois o processo envolve alta concentração de energia, uma vez que o feixe deve ser muito concentrado e o corte ocorre a velocidades muito altas.   O equipamento mais comum consiste em mesas móveis, com capacidade de movimentação segundo os eixos x, y e z. Os eixos x e y determinam as coordenadas de corte, enquanto o eixo z serve para corrigir a altura do ponto focal em relação à superfície da peça, pois, durante o corte esta distância é afetada por deformações provocadas na chapa, pelo calor decorrente do próprio processo.

As coordenadas de deslocamento, geralmente, são comandadas por um sistema CAD. (Projeto assistido por computador), acoplado à mesa de corte. Nas máquinas de corte a laser, o material a ser cortado normalmente encontra-se em forma de chapas, embora existam máquinas que se destinem ao corte de tubos.

A chapa é colocada sobre uma espécie de "cama de pregos", apoiando-se em vários pontos. Sobre ela o cabeçote laser movimenta-se em duas direções: longitudinal e transversal. Esses movimentos são transmitidos por motores elétricos, controlados por computador. Pelo cabeçote laser flui um gás, chamado gás de assistência que tem por função, entre outras, remover o material fundido e óxidos da região de corte.

O gás normalmente usado para esta finalidade é o oxigênio, porque ele favorece uma reação exotérmica, isto é, libera calor, aumentando ainda mais a temperatura do processo e por conseqüência, a velocidade de corte. Entretanto, o nitrogênio pode ser preferido como gás de assistência quando forem necessárias superfícies livres de óxidos, como no corte de aços inoxidáveis.

As máquinas de corte a laser podem cortar chapas de aço-carbono de até 25 mm de espessura.

Ao contrário do que se poderia pensar, sua capacidade de corte de chapas de alumínio, por exemplo, é bem menor: corta chapas de 10 mm, no máximo. Isso se explica pela tendência do alumínio ao empastamento e à reflexão da luz. Fatores que afetam o corte a laser

Os gases para corte normalmente são fornecidos em cilindros de gases puros, mas, também podem ser entregues pré-misturados. As impurezas na mistura de gases podem baixar o desempenho do laser de CO2, diminuindo a potência de saída, tornando a descarga elétrica instável ou aumentando o consumo dos gases. A potência do feixe é outro fator que determina a capacidade do laser de interagir com o material a ser cortado e iniciar o corte. Em geral, o aumento da potência permite cortar com velocidades maiores, mantendo a qualidade de corte inalterada.

A velocidade de corte deve ser determinada em conjunto com a potência, a pressão e vazão do gás de assistência. Valores muito elevados de velocidade tendem a produzir estrias na superfície de corte, rebarbas na parte posterior da superfície atingida pela radiação e até mesmo impossibilidade de realizar o corte. Velocidades baixas, por outro lado, produzem um aumento da zona termicamente afetada e um decréscimo na qualidade do corte. O gás de assistência deve ter vazão suficiente para remover o material fundido proveniente do corte.

Materiais como plásticos, madeiras ou borrachas, permitem utilizar vazões mais elevadas. O ponto focal é o ponto de concentração máxima de energia do feixe. No caso de chapas finas, deve ser colocado na superfície. Se as chapas forem grossas, o ponto focal deve ser ajustado para regiões ligeiramente abaixo da superfície, desde que não ultrapasse 1/3 da espessura da chapa.

Quando usar e não usar o corte a laser? O uso de máquinas de corte a laser é recomendado quando as peças apresentarem formas complicadas e for exigido um acabamento de superfície praticamente livre de rebarbas na região de corte. Como esse processo não requer “estampo de corte”, é possível produzir rapidamente lotes pequenos e diversificados. O fato de o laser de CO2 gerar uma imensa intensidade de calor não significa que ele possa vaporizar e cortar todos os metais conhecidos, pois, cada material reage de forma diferente a esse tipo de energia.

A seguir são apresentados comentários sobre o comportamento de alguns materiais em relação ao corte a laser.

Aços não ligados: Podem ser facilmente cortados a laser, principalmente se o gás de assistência for o oxigênio. A qualidade de corte é boa, produzindo pequenas larguras de corte e bordas retas, sem rebarbas e livre de óxidos.

Aços inoxidáveis: Chapas finas podem ser cortadas com excelente resultado. Não é possível cortar chapas tão espessas como as de aços não ligados.

Aços-ferramenta: São difíceis de cortar por outros métodos convencionais, por causa do alto teor de carbono, mas, apresentam boa qualidade de superfície quando cortados a laser.

Alumínio e suas ligas: A espessura máxima que pode ser cortada a laser situa-se por volta de 10mm a 12mm, pois, como já foi dito, o alumínio reflete a luz e é bom condutor de calor, dificultando a concentração de energia.

Cobre e suas ligas: Assim como o alumínio, também apresenta tendências a refletir a luz. Para o corte de peças não planas, é extremamente importante a proteção contra radiação refletida.

Titânio e suas ligas: Pode ser cortado a laser, desde que a zona de corte seja protegida por um gás inerte (CO2, He, N2), que evita a oxidação pelo ar. Na face posterior do corte deve ser injetado um gás igualmente inerte, que ajuda a eliminar as gotas ardentes de metal fundido.

Outros materias: O laser corta ainda vários outros materiais não metálicos como: polímeros, têxteis, couro, cerâmica, rochas etc.

Vantagens e desvantagens do laser

Vantagens: Por ser uma forma de energia concentrada em pequena área, o corte a laser proporciona cortes retos, pequena largura de corte, zona mínima afetada pelo calor, mínima distorção e arestas de excelente qualidade. Por ser uma luz, não entra em contato direto com a peça, não causando distorções e não se desgastando. É um sistema de fácil automatização, permite cortar peças de formas complexas e não requer a troca de "ferramenta de corte" cada vez que é substituído o material a ser cortado.

Desvantagens: Pode-se destacar: o alto custo inicial do sistema; a pequena variedade de potências disponíveis que limitam o corte a espessuras relativamente baixas e a materiais que apresentem baixa reflexão da luz; a formação de depósitos de fuligem na superfície no corte de materiais não-metálicos como madeira e couro; a formação de produtos tóxicos (ácido clorídrico), no corte de PVC.

O laser representa uma tecnologia nova e pouco familiar para uma boa parte das empresas metalúrgicas, acostumadas aos sistemas convencionais de corte. Mas a superação das limitações atuais e a construção de sistemas mais adequados às necessidades e disponibilidades financeiras das pequenas e médias empresas são perspectivas que tornam o laser uma tecnologia de grande potencial para o futuro próximo.