Em meados do século 20, surgiu a tecnologia laser. Ao longo dos anos, devido ao trabalho árduo e à dedicação de gerações de cientistas e técnicos, a tecnologia laser evoluiu e foi refinada. Desde os seus estágios iniciais de desenvolvimento até a sua aplicação prática em vários campos, a tecnologia laser tem visto um crescimento e sucesso significativos.
No século XXI, a tecnologia laser, particularmente a tecnologia de processamento laser aplicada no campo industrial, ganhou grande popularidade e teve um impacto económico e social substancial. Tem sido fundamental para impulsionar o avanço das ciências naturais e da tecnologia e a progressão da economia social.
Princípio da Usinagem a Laser
A tecnologia de processamento a laser, conforme mostrado na Figura 1, cria um feixe de laser com alta densidade de energia ao focar a energia da luz através de uma lente. Esta tecnologia utiliza as propriedades exclusivas do feixe de laser e da interação de materiais para uma variedade de finalidades, incluindo corte, soldagem, tratamento de superfície, puncionamento e microusinagem em materiais metálicos e não metálicos.
Fig.1 Diagrama esquemático de processamento a laser
Como uma tecnologia de fabricação de última geração, a tecnologia de processamento a laser é amplamente utilizada em indústrias como automotiva, eletrônica, aviação, metalurgia e fabricação de máquinas. Desempenha um papel crucial na melhoria da qualidade dos produtos, no aumento da produtividade do trabalho, na promoção da automação e na redução da poluição e do consumo de recursos.
Entre as diversas aplicações, o corte a laser, a marcação a laser e a soldagem a laser são as mais utilizadas.
Aplicação da Tecnologia Laser
Corte a laser
As técnicas de corte tradicionais, como corte a gás, corte por usinagem, corte por blanking e corte a plasma, têm suas limitações. Apesar de oferecer velocidades de corte rápidas e a capacidade de cortar materiais mais espessos, a precisão do tamanho do corte costuma ser baixa. Isto resulta em custos de corte mais elevados e despesas adicionais de processamento.
O corte por usinagem fornece alta precisão, mas sua velocidade de corte lenta limita sua capacidade de cortar curvas complexas. Além disso, ocorre perda significativa de material durante o corte.
O corte cego é mais eficiente e econômico, mas sua qualidade de processamento é limitada e seu escopo de aplicação é estreito. A qualidade de corte é inferior, especialmente ao processar chapas grossas e formas curvas complexas.
Embora o corte a plasma seja mais eficiente, ele produz uma seção de corte melhor do que os outros métodos, mas sua precisão de corte é limitada ao nível milimétrico. Como tal, é adequado apenas para usinagem de desbaste e semiacabamento.
Fig.2 Corte a laser
Em comparação com a tecnologia de corte tradicional, as vantagens da tecnologia de corte a laser (figura 2) são óbvias:
- Velocidade de corte rápida
- Alta eficiência
- Ampla faixa de usinagem
- Na usinagem, a incisão é suave porque substitui a ferramenta tradicional ou chama por um feixe de luz. Não há necessidade de processamento adicional.
- A área afetada pelo calor de corte é pequena.
- Deformação pequena da folha
- Costura de corte pequena (alta taxa de utilização)
- Não há estresse mecânico na incisão
- Sem rebarbas de cisalhamento
- Alta precisão de usinagem
- Boa repetibilidade
- Não danifique a superfície da placa
- Programação CNC
- Não precisa abrir o molde
- Economia e economia de tempo
As vantagens do corte a laser são especialmente visíveis na usinagem de curvas. Em comparação com o corte por blanking, a superfície produzida pelo corte a laser é lisa e não mostra marcas óbvias de lâmina em peças curvas. Além disso, como a placa permanece estacionária durante o processamento, elimina o risco de arranhões causados pelo movimento.
O corte a laser funciona direcionando um feixe de laser focado e de alta densidade de potência para a peça de trabalho, fazendo com que o material derreta, vaporize, apague ou incendeie rapidamente. A peça de trabalho é então cortada soprando o material fundido usando um fluxo de ar de alta velocidade ao longo do mesmo eixo da viga.
O corte a laser é considerado um dos métodos de corte térmico.
O corte a laser pode ser dividido em quatro categorias:
- corte por vaporização a laser
- corte de fusão a laser
- corte de oxigênio a laser
- gravação a laser e controle de ruptura
(1) Corte por vaporização a laser
A vaporização a laser é um processo onde a peça é aquecida por um feixe de laser com alta densidade de energia. A temperatura do material aumenta rapidamente e atinge o ponto de ebulição em um curto período de tempo, fazendo com que o material vaporize e forme vapor. O vapor é expelido rapidamente, resultando em uma incisão no material. Este método é usado principalmente para cortar metais extremamente finos e materiais não metálicos.
(2) Corte por fusão a laser
No corte por fusão a laser, o material metálico é derretido por aquecimento a laser. Um gás não oxidante, como Ar, He ou N2, é então pulverizado a partir do bocal ao longo do mesmo eixo do feixe. O metal líquido é expelido pela poderosa pressão do gás, criando uma incisão. Este método requer apenas 1/10 da energia necessária para a vaporização, pois o metal não precisa ser completamente vaporizado. É usado principalmente para cortar metais não oxidáveis ou ativos, como aço inoxidável, titânio, alumínio e ligas.
(3) Corte a laser com oxigênio
O corte a laser com oxigênio opera com um princípio semelhante ao corte com oxiacetileno. O laser é usado como fonte de pré-aquecimento e oxigênio ou outros gases ativos são usados como gás de corte. O gás produzido pelo jato reage com a oxidação, gerando grande quantidade de calor. O óxido fundido e o material fundido são expelidos da área de reação, resultando em uma incisão no metal. O corte a laser com oxigênio requer apenas metade da energia necessária para o corte por fusão, mas tem uma velocidade de corte muito mais rápida. É usado principalmente para cortar aço carbono, aço titânio, aço para tratamento térmico e outros materiais metálicos facilmente oxidáveis.
(4) Gravação a laser e controle de ruptura
Na gravação a laser, o laser de alta densidade de energia varre a superfície de materiais frágeis, aquecendo o material em uma pequena ranhura. A aplicação de pressão faz com que o material quebradiço rache ao longo da ranhura. Entre os três primeiros métodos de corte mencionados, o traçado a laser e o controle de ruptura são menos comumente usados.
Atualmente, o corte a laser é mais eficaz para cortar metal preto, com alta velocidade de corte e capacidade de cortar até uma espessura de 20 mm ou mais. No entanto, devido ao efeito de reflexão da estrutura molecular dos metais não ferrosos no feixe de laser, o efeito de corte nestes materiais é ligeiramente mais fraco. A máquina deve estar equipada com um refletor.
Segundo as estatísticas, a espessura máxima que pode ser cortada nas ligas de alumínio não é mais da metade daquela do metal preto, e o efeito de corte nas ligas de cobre, especialmente o cobre, é ainda pior.
O núcleo da tecnologia de corte a laser é o gerador de laser, que vem em duas formas: laser de CO2 e gerador de laser de fibra.
Gerador de Laser CO2: O gerador de laser CO2 é gerado pela descarga de uma mistura de CO2, He e N2 na cavidade do laser sob alta pressão. Este processo excita os átomos da mistura para liberar energia, que é então emitida na forma de fótons ou elétrons para criar o laser. O laser emitido pelo laser CO2 é luz visível, que pode causar leves danos à retina e à pele. Portanto, é aconselhável que os operadores usem óculos de proteção durante o uso.
Gerador de laser de fibra: Um gerador de laser de fibra usa uma fibra de vidro dopada com elementos de terras raras como meio de ganho. Sob a ação da luz da bomba, uma alta densidade de potência pode ser facilmente formada dentro da fibra óptica, o que faz com que o nível de energia do laser da substância de trabalho inverta o número de partículas. Um loop de feedback positivo é adicionado para formar a saída do oscilador laser. A saída não é luz visível, o que pode causar graves danos à retina e à pele, por isso o operador deve usar óculos de proteção especiais durante a operação.
O laser de CO2 possui uma estrutura de caminho óptico mais complexa e maior perda de lente óptica, com maiores requisitos ambientais (menos poeira). A máquina deve ser isolada de focos sísmicos e mantida em ambiente seco e com temperatura constante. O laser de fibra, por outro lado, possui uma estrutura de caminho óptico simples com menores requisitos ambientais (alta tolerância a poeira, vibração, choque, temperatura e umidade). O laser de fibra é mais rápido no corte de chapas finas, enquanto o laser de CO2 é mais forte no corte de chapas grossas. O laser de CO2 não pode cortar placas de metal altamente refletivas, mas um laser de fibra pode cortar finas placas de cobre.
Soldagem a laser
A soldagem a laser (figura 3) é um campo importante da tecnologia laser.
Fig.3 Soldagem a laser
A soldagem a laser é um novo tipo de soldagem que utiliza pulsos de laser de alta energia para aquecer pequenas áreas do material. A energia da radiação laser se difunde através da condução de calor no material, fazendo com que ele derreta e forme uma poça fundida específica. Este método é usado principalmente para soldagem de materiais de paredes finas e peças de precisão e pode ser usado para vários tipos de soldagem, como soldagem por pontos, soldagem de topo, soldagem por pilha e soldagem por vedação.
Os principais recursos incluem:
- Proporção ampla de alta profundidade
- Largura de solda pequena
- Pequena área afetada pelo calor
- Pequena deformação
- Velocidade de soldagem rápida
- A costura de soldagem suave e bonita
- Não há necessidade de processar ou simplesmente processar após a soldagem
- Alta qualidade de costura de solda
- Sem buraco de gás
- Controle preciso
- Luz de foco pequena
- Alta precisão de posicionamento
- Fácil implementação de automação
A soldagem a laser é amplamente utilizada em diversas áreas, principalmente na fabricação de ferrovias de alta velocidade e automóveis, devido aos seus inúmeros benefícios. Esses benefícios incluem:
(1) Aporte térmico mínimo, com pequena variação metalográfica na área de efeito térmico e deformação mínima causada pela condução de calor.
(2) A capacidade de confirmar e reduzir o tempo necessário para soldagem de chapas espessas, eliminando até mesmo a necessidade de metal de adição.
(3) Não há necessidade de eletrodos, sem preocupações com contaminação ou danos. Além disso, não pertence ao processo de soldagem por contato, minimizando perdas e deformações da fixação.
(4) O feixe de laser pode ser facilmente focado, alinhado e guiado por instrumentos ópticos, com a capacidade de colocá-lo a uma distância apropriada da peça de trabalho e redirecioná-lo em torno de obstáculos.
(5) A capacidade de colocar a peça de trabalho em espaços fechados controlados por vácuo ou ambiente interno de gás.
(6) O feixe de laser pode ser focado em áreas pequenas, tornando-o ideal para soldar peças pequenas e espaçadas.
(7) Capaz de soldar uma ampla gama de materiais e costurar vários materiais heterogêneos.
(8) Fácil de soldar de forma rápida e automática, ou controlado por tecnologia digital ou informática.
(9) Ao soldar material fino ou fio de diâmetro fino, não será tão fácil quanto a soldagem a arco.
(10) Não é afetado por campos magnéticos e é capaz de alinhar com precisão as peças soldadas.
(11) A capacidade de soldar dois metais com propriedades diferentes, como resistências diferentes.
(12) A capacidade de atingir uma proporção de profundidade de solda de 10:1 em soldagem perfurada.
(13) A capacidade de transferir o feixe de laser para múltiplas estações de trabalho.
Devido às características acima da soldagem a laser, a soldagem a laser é amplamente utilizada na área de fabricação de veículos civis.
A soldagem a laser é o principal processo de soldagem na fabricação de ferrovias e automóveis de alta velocidade.
Apesar dos seus benefícios, a soldagem a laser também apresenta diversas desvantagens que devem ser consideradas. Essas desvantagens incluem:
(1) A necessidade de posicionamento preciso das peças soldadas dentro da faixa de foco do feixe de laser.
(2) A necessidade de pinças que garantam que a posição final da solda esteja alinhada com o ponto de soldagem que será impactado pelo feixe de laser.
(3) Espessura soldável máxima limitada, sendo a soldadura a laser inadequada para materiais com espessura de penetração superior a 19 mm.
(4) O impacto da soldagem a laser nas propriedades de materiais de alta refletância e alta condutividade térmica, como alumínio, cobre e ligas.
(5) O uso de um controlador de plasma para remover gás ionizado ao redor da poça fundida ao usar soldagem por feixe de laser de alta energia.
(6) Baixa eficiência de conversão de energia, geralmente inferior a 10%.
(7) A rápida solidificação do cordão de solda que pode levar à porosidade e fragilização.
(8) Alto custo.
O alto custo do equipamento de soldagem a laser é uma limitação significativa e restringe seu uso generalizado.
Gravação a laser
A gravação a laser envolve o uso de um feixe de laser de alta densidade de energia controlado por um computador para derreter ou vaporizar instantaneamente a superfície de um produto, criando o texto ou logotipo desejado, conforme mostrado na Figura 4.
Fig.4 Letras a laser
A gravação a laser também é chamada de marcação a laser.
Características da marcação a laser:
- Firme constantemente
- Lindamente projetado
- Alta velocidade e eficiência
- Modo sem contato
- Alta precisão de repetição
- Não há necessidade de fazer o formato
- Nenhuma poluição
- Fácil de obter impressão de voo síncrona com a linha de produção.
O material que pode ser marcado com gravação a laser inclui números, letras, caracteres chineses, imagens gráficas, códigos de barras e muito mais.
A gravação a laser é um método de marcação avançado e amplamente utilizado, adequado para produção moderna e de alta velocidade.
Conforme mostrado na Tabela 1, uma comparação de várias técnicas de marcação revela que as vantagens da tecnologia de marcação a laser são claras.
Tabela 1. Comparação de diversas técnicas de marcação
| Tecnologia de marcação | Desempenho | Efeito e Precisão | Cor de marcação | Mudanças no gráfico | Consumíveis |
|---|---|---|---|---|---|
| Marcação a laser | Bom | Alta precisão e bom efeito | Determinado pelo material | À vontade | Não |
| Gravura Química | Bom | Baixa precisão | Cor do material | Díficil | Sim |
| Impressão de tinta | Pior | Alta precisão | Qualquer cor | Fácil | Sim |
| Gravura mecânica | Melhorar | Baixa precisão | Cor do material | À vontade | Sim |
| Prensa mecânica | Pior | Fraca precisão | Cor do material | Díficil | Sim |
Tecnologia de prototipagem rápida a laser
A prototipagem rápida a laser (conforme mostrado na Figura 5) representa uma mudança significativa na tecnologia de fabricação moderna.
Representa uma expansão da tecnologia laser em aplicações industriais.
Fig.5 Tecnologia de prototipagem rápida a laser
A concorrência na indústria transformadora intensificou-se com a aceleração do processo de integração do mercado global, e a velocidade de desenvolvimento de produtos tornou-se a principal contradição competitiva. Para atender às necessidades em constante mudança dos usuários, a indústria de manufatura exige tecnologia que seja mais flexível, permitindo a produção de pequenos lotes ou mesmo de peças únicas, sem aumentar o custo do produto.
A tecnologia de prototipagem rápida (RP) é um método de fabricação que constrói material camada por camada ou, mais amplamente, gráficos 3D projetados por computador. A alta temperatura produzida pelo laser é usada para sinterizar pó metálico em gráficos 3D, resultando em componentes metálicos. Os protótipos podem ser feitos diretamente a partir de modelos sólidos CAD 3D em apenas algumas horas ou dezenas de horas.
A prototipagem rápida fornece uma representação mais abrangente e intuitiva do que desenhos e telas de computador, especialmente durante a fase de desenvolvimento do produto, permitindo uma consideração abrangente de vários fatores. Isto leva a ciclos de desenvolvimento mais curtos, melhor qualidade do produto, custos reduzidos e riscos de investimento reduzidos.
Quando combinada com a fundição de precisão na fundição, a tecnologia de prototipagem rápida a laser permite que a fundição produza rapidamente todos os tipos de moldes de cera usados para fundição de precisão de estruturas grandes e complexas, reduzindo os custos de terceirização. Enquanto isso, a produção de lotes únicos ou pequenos de peças fundidas de precisão pode ser realizada sem molde, economizando custos de ferramentas e encurtando significativamente o ciclo de produção.
O desenvolvimento e a produção de novos produtos economizam tempo valioso e reduzem os custos de produção, e o nível de fundição de precisão das fundições foi melhorado, estabelecendo uma base sólida para uma produção bem-sucedida de fundição de precisão em produtos futuros.
É claro que o uso da tecnologia de prototipagem rápida a laser se tornará mais difundido no futuro.
Tratamento térmico a laser
O Tratamento Térmico a Laser (conforme mostrado na Figura 6) é uma tecnologia que envolve o uso de um laser para aquecer a superfície de materiais metálicos com a finalidade de tratamento térmico de superfície.
Fig.6 Tratamento térmico a laser
Este processo pode ser utilizado para uma variedade de tratamentos de modificação de superfície metálica, incluindo endurecimento (também conhecido como têmpera de superfície, amorfização de superfície, refusão e têmpera de superfície), ligas de superfície e outras modificações.
O resultado do tratamento a laser leva a alterações na composição, estrutura e desempenho da superfície que não são possíveis com a têmpera superficial convencional. Após o tratamento a laser, a dureza superficial do ferro fundido pode atingir 60HRC, enquanto o aço carbono com níveis de carbono médio a alto pode atingir até 70HRC.
Esta melhoria na dureza superficial leva a um aumento na resistência ao desgaste, resistência à fadiga, resistência à corrosão, resistência à oxidação e prolonga a vida útil geral do metal.
Conclusão
Devido às suas inúmeras vantagens, a tecnologia de processamento a laser é altamente valorizada no setor de manufatura industrial, com baixos custos, alta eficiência e vasto potencial de aplicação. Isto levou a uma intensa competição entre as principais nações industrializadas do mundo.
A tecnologia laser está se expandindo para novos campos e seu desenvolvimento prossegue a um ritmo surpreendente. Nas principais indústrias transformadoras, como a automóvel, a eletrónica, a maquinaria, a aviação e o aço, alguns países fizeram a transição completa dos métodos de processamento tradicionais para o processamento a laser e entraram na “era da luz”.
