O que torna a ferramenta indispensável da fabricação de metal a laser

Um feixe de laser é uma coisa notável. Um feixe de laser de potência contínua tem densidades de energia mais de 4 trilhões de vezes maiores que a energia focalizada do sol, e os fabricantes determinaram maneiras de utilizar essa densidade de energia extraordinariamente alta para fazer tudo, desde cortar e soldar chapas metálicas até fazer furos em placas PCB.

Os lasers podem cortar, unir e subtrair material. Eles podem até adicionar material por meio de deposição de metal a laser ou impressão 3D. Podemos variar os níveis de potência, frequências de pulso e densidades de energia por meio da manipulação do diâmetro do feixe, entre outras maneiras, tudo para que o feixe de laser possa induzir as reações materiais certas para vários processos. Verdadeiramente, o uso do laser para a indústria é vasto e variado.

Diferentes materiais interagem de maneira diferente com vários comprimentos de onda de luz, tornando algumas fontes de laser mais eficientes no processamento de certos materiais do que outras. Por exemplo, um dos benefícios conhecidos do corte de metal para aplicações industriais com lasers de comprimento de onda de 1 μm é o aumento da velocidade quando comparado ao corte com lasers de CO2. Muito disso vem da alta absorção desse comprimento de onda de luz em, por exemplo, aço carbono (verfigura 1 ). Um pequeno feixe de luz efetivamente absorvido no aço que está sendo cortado se traduz diretamente em velocidades mais altas ao cortar por fusão (isto é, cortar com um gás não reativo, como nitrogênio) em aço carbono.

Durante o corte com um laser de estado sólido, como um disco ou fibra, o diâmetro do feixe focalizado, combinado com a alta porcentagem de absorção da emissão do laser, permite velocidades de corte muito rápidas. Esse aumento de desempenho em relação ao CO2 é visto principalmente em materiais finos a médios, com a vantagem diminuindo à medida que a espessura do material aumenta. O diâmetro do feixe pode ser controlado até certo ponto por meio de coisas como colimação de luz ou deslocamento da posição da lente de foco (consulteFigura 2), mas há um limite para quão grande ou pequeno um feixe pode ser produzido.

A faixa de diâmetro do feixe é determinada pelo tamanho da fibra de entrega do feixe (consulteFigura 3 ). Uma fibra de entrega de feixe de 100 μm é comum para lasers usados ​​para cortar chapas metálicas. Este diâmetro de núcleo oferece alta qualidade de viga e altas velocidades de corte. À medida que as espessuras do material aumentam, o tamanho muito pequeno do ponto torna-se uma responsabilidade, limitando o desempenho, a qualidade do corte e a confiabilidade do processo.

Para mitigar isso, é possível escolher um diâmetro de núcleo maior. A desvantagem disso, é claro, é que o diâmetro mínimo da viga se torna muito maior do que o núcleo menor pode fornecer. Embora a qualidade e a confiabilidade do processo melhorem substancialmente, a velocidade em materiais mais finos é comprometida.

É aqui que a fibra dual-core pode ajudar. Um núcleo de pequeno diâmetro é instalado coaxialmente a um núcleo de grande diâmetro. Um obturador programável muda qual núcleo está ativo. Essa fibra é projetada para fazer com que um sistema de corte a laser alcance altas velocidades em materiais finos e alta qualidade e confiabilidade em materiais mais espessos.

O diâmetro da viga tem outra função durante a soldagem. Embora não seja novidade de forma alguma, a soldagem a laser tem muito apelo, tanto em oficinas quanto em OEMs, devido ao seu potencial de economia de custos devido a menos retrabalho; maior flexibilidade de engenharia; e a eliminação de processos downstream caros e demorados, como retificação e polimento.

Em chapas metálicas, a soldagem a laser ocorre de duas maneiras principais: soldagem por condução de calor e soldagem por penetração profunda. A soldagem por condução de calor usa um feixe fortemente desfocado situado acima da peça de trabalho. A posição de foco do feixe normalmente varia de 6 a 12 mm acima da superfície da peça de trabalho, mas pode chegar a 25 mm. O processo aquece o metal acima de sua temperatura de fusão sem formação de vapor. As densidades de potência variam de 104 a 105 W/cm2 e dependem da condutividade térmica do metal; o carbono e o inox são mais fáceis de soldar com esta técnica do que o alumínio, por exemplo.

Embora a soldagem por condução de calor apresente uma costura de solda altamente estética - posicionada perpendicularmente (90 graus) ao feixe de laser, embora haja alguma flexibilidade angular com comprometimento da profundidade de penetração - a eficiência do processo é um tanto pobre. Quando o processo usa um laser de estado sólido produzindo luz de 1 μm, 68% da energia é refletida na área irradiada da peça de trabalho, resultando em uma baixa eficiência de acoplamento que restringe a profundidade de penetração e a velocidade de soldagem. Com um laser de CO2, o acoplamento é ainda pior com 88 por cento da luz refletida na área irradiada, tornando impraticável a soldagem por condução de calor com um laser de CO2.