Fundamentos do corte a laser e seu sistema de processamento —Equipamento de corte a laser

II. Composição do equipamento de corte a laser

2.1 Componentes e princípio de funcionamento da máquina de corte a laser

Uma máquina de corte a laser consiste em um emissor de laser, cabeçote de corte, conjunto de transmissão do feixe, mesa de trabalho da máquina-ferramenta, sistema de controle numérico (NC), computador (hardware e software), resfriador, cilindro de gás de proteção, coletor de pó e secador de ar.

Gerador de laser

O gerador de laser é um dispositivo que produz fontes de luz laser. Para aplicações de corte a laser, a maioria das máquinas utiliza lasers de gás CO₂, que apresentam alta eficiência de conversão eletro-óptica e alta potência de saída, com exceção de alguns casos em que são utilizados lasers de estado sólido YAG. Nem todos os lasers são adequados para corte, pois o corte a laser impõe requisitos rigorosos quanto à qualidade do feixe.
Cabeça de corte

É composto principalmente por componentes como um bocal, uma lente de focalização e um sistema de rastreamento de foco.

O dispositivo de acionamento da cabeça de corte é usado para movimentar a cabeça de corte ao longo do eixo Z de acordo com programas predefinidos. Ele consiste em um servomotor e componentes de transmissão, como fusos de esferas ou engrenagens.

(1) Bocal: Existem três tipos principais de bocais: tipo paralelo, tipo convergente e tipo cônico.

(2) Lente de Focalização: Para realizar o corte utilizando a energia do feixe de laser, o feixe original emitido pelo laser deve ser focalizado através de uma lente para formar um ponto de luz com alta densidade de energia. Lentes de distância focal média e longa são adequadas para o corte de chapas espessas e têm requisitos menores quanto à estabilidade de espaçamento do sistema de rastreamento. Lentes de distância focal curta são adequadas apenas para o corte de chapas finas com menos de 3 mm de espessura; elas têm requisitos rigorosos quanto à estabilidade de espaçamento do sistema de rastreamento, mas podem reduzir significativamente a potência de saída do laser necessária.

(3) Sistema de rastreamento: O sistema de rastreamento de foco de uma máquina de corte a laser geralmente consiste em uma cabeça de corte de foco e um sistema de sensor de rastreamento. A cabeça de corte integra funções de guia e foco do feixe, resfriamento a água, sopro de gás e ajuste mecânico.

O sensor é composto por elementos sensores e uma unidade de controle de amplificação. Os sistemas de rastreamento variam completamente dependendo do tipo de elemento sensor. Existem dois tipos principais disponíveis: um é o sistema de rastreamento por sensor capacitivo, também conhecido como sistema de rastreamento sem contato; o outro é o sistema de rastreamento por sensor indutivo, também conhecido como sistema de rastreamento por contato.
Conjunto de transmissão de feixe

Caminho Óptico Externo: Espelhos refletores são usados para guiar o feixe de laser na direção desejada. Para evitar falhas no caminho do feixe, todos os espelhos refletores são protegidos por blindagens, e um gás de proteção limpo e pressurizado é introduzido para mantê-los livres de contaminação. Uma lente de alto desempenho pode focalizar um feixe não divergente em um ponto infinitamente pequeno. Uma lente com distância focal de 5,0 polegadas é comumente usada, enquanto uma lente de 7,5 polegadas é aplicável apenas para cortar materiais com espessura superior a 12 mm.
Mesa de trabalho para máquina-ferramenta

Corpo principal da máquina: A seção da máquina-ferramenta damáquina de corte a laserÉ a parte mecânica que realiza o movimento dos eixos X, Y e Z, incluindo a plataforma de trabalho de corte.
Sistema de Controle Numérico

O sistema NC controla a máquina-ferramenta para realizar movimentos nos eixos X, Y e Z e, simultaneamente, regula a potência de saída do laser.
Sistema de refrigeração

Unidade de resfriamento: Utilizada para resfriar o gerador de laser. Um laser é um dispositivo que converte energia elétrica em energia luminosa. Por exemplo, a eficiência de conversão de um laser de gás CO₂ é geralmente de 20%, sendo a energia restante convertida em calor. A água de resfriamento remove o excesso de calor para manter o funcionamento normal do gerador de laser. A unidade de resfriamento também resfria os espelhos ópticos externos e as lentes de focalização da máquina-ferramenta, garantindo a estabilidade da transmissão do feixe e prevenindo eficazmente a deformação ou rachaduras das lentes devido ao superaquecimento.
Cilindros de gás

Os cilindros de gás incluem cilindros de fluido de trabalho e cilindros de gás auxiliares para a máquina de corte a laser, que são usados para complementar os gases industriais para a oscilação do laser e fornecer gases auxiliares para a cabeça de corte.
Sistema de Remoção de Poeira

Extrai a fumaça e a poeira geradas durante o processamento e realiza tratamento de filtragem para garantir que as emissões de gases de escape atendam aos padrões de proteção ambiental.
Secador e filtro de resfriamento de ar

Ele fornece ar limpo e seco ao gerador de laser e ao caminho do feixe, mantendo o funcionamento normal do caminho do feixe e dos espelhos refletores.

2.2 Tocha de corte para corte a laser

O diagrama estrutural de uma tocha de corte a laser é mostrado abaixo. Ela é composta principalmente por um corpo de tocha, lente de focalização, espelho refletor e bocal de gás auxiliar. Durante o corte a laser, a tocha de corte deve atender aos seguintes requisitos:

① O maçarico pode ejetar um fluxo de gás suficiente.

② A direção de ejeção do gás dentro da tocha deve ser coaxial com o eixo óptico do espelho refletor.

③ A distância focal da lanterna pode ser facilmente ajustada.

④ Durante o corte, o vapor metálico e os respingos do metal cortado não devem danificar o espelho refletor.

O movimento da tocha de corte é ajustado por um sistema de controle numérico (NC). Existem três cenários para o movimento relativo entre a tocha de corte e a peça de trabalho:

① A tocha permanece estacionária enquanto a peça de trabalho se move pela mesa de trabalho — especialmente adequada para peças de pequeno porte.

② A peça de trabalho permanece estacionária enquanto a tocha se move.

③ Tanto a tocha quanto a mesa de trabalho se movem simultaneamente.

2.2.1 Cabeçote de corte

A cabeça de corte a laser está localizada na extremidade do sistema de transmissão do feixe, que consiste em uma lente de focalização e um bocal de corte.

As lentes de focalização são classificadas principalmente pela distância focal. A maioria dos equipamentos de corte a laser possui diversas cabeças de corte com diferentes distâncias focais. Tomando como exemplo o corte a laser de CO₂, as distâncias focais comuns são 127 mm (5 pol.) e 190 mm (7,5 pol.). Uma lente de curta distância focal produz um ponto focal pequeno e uma profundidade focal reduzida, o que favorece a diminuição da largura do corte e a obtenção de cortes mais finos. Uma lente de longa distância focal produz um ponto focal maior e uma profundidade focal mais longa. Comparadas às lentes de curta distância focal, as lentes de longa distância focal podem fornecer um feixe focalizado com densidade de energia laser suficiente para o processamento do material próximo ao ponto focal. Portanto, as lentes de curta distância focal são usadas principalmente para o corte de precisão de chapas finas, enquanto as lentes de longa distância focal são necessárias para materiais mais espessos, a fim de obter uma profundidade focal adequada, garantindo variação mínima no diâmetro do ponto focal e densidade de potência suficiente dentro da faixa de espessura de corte.

As lentes de focalização são usadas para concentrar o feixe de laser paralelo incidente na tocha de corte, resultando em um ponto focal menor e uma densidade de potência maior. As lentes são feitas de materiais que podem transmitir o comprimento de onda do laser. O vidro óptico é comumente usado para lasers de estado sólido, enquanto materiais como ZnSe, GaAs e Ge são adotados para lasers de gás CO₂ (já que o vidro comum não é transparente aos feixes de laser de CO₂), sendo o ZnSe o mais utilizado.

Para o corte a laser, minimizar o diâmetro do ponto focal é desejável para aumentar a densidade de potência e permitir cortes em alta velocidade. No entanto, uma distância focal menor resulta em uma profundidade focal menor, dificultando a obtenção de uma superfície de corte perpendicular ao cortar chapas espessas. Além disso, uma distância focal menor reduz a distância entre a lente e a peça de trabalho, aumentando o risco de contaminação da lente por respingos de material fundido durante o corte e afetando a operação normal. Portanto, a distância focal adequada deve ser determinada de forma abrangente, com base em fatores como a espessura de corte e os requisitos de qualidade do corte.

2.2.2 Espelho Refletor

A função do espelho refletor é alterar a direção do feixe emitido pelo laser. Para feixes de lasers de estado sólido, podem ser utilizados espelhos refletores feitos de vidro óptico. Em contrapartida, os espelhos refletores em dispositivos de corte a laser de CO₂ são geralmente feitos de cobre ou metais com alta refletividade. Para evitar danos causados pelo superaquecimento da irradiação laser durante a operação, os espelhos refletores são normalmente resfriados com água.

2.2.3 Bocal

O bocal é utilizado para pulverizar gás auxiliar na zona de corte, e sua estrutura tem um certo impacto na eficiência e qualidade do corte. A Figura 4.11 mostra formatos comuns de bocal para corte a laser; os formatos do orifício do bocal incluem os tipos cilíndrico, cônico e convergente-divergente.

A seleção do bocal geralmente é determinada por meio de testes baseados no material e na espessura da peça, bem como na pressão do gás auxiliar. O corte a laser normalmente utiliza bocais coaxiais (onde o fluxo de gás é coaxial com o eixo óptico). Se o fluxo de gás e o feixe de laser não forem coaxiais, é provável que ocorram respingos excessivos durante o corte. A parede interna do orifício do bocal deve ser lisa para garantir o fluxo de gás desobstruído e evitar turbulências que possam afetar a qualidade do corte. Para garantir a estabilidade do corte, a distância entre a extremidade do bocal e a superfície da peça deve ser minimizada, geralmente variando de 0,5 mm a 2,0 mm. O diâmetro do orifício do bocal deve permitir que o feixe de laser passe suavemente, evitando que o feixe toque a parede interna do orifício. Quanto menor o diâmetro do orifício, mais difícil é colimar o feixe. Para uma determinada pressão de gás auxiliar, existe uma faixa ideal de diâmetros de orifício do bocal. Um orifício excessivamente pequeno ou grande dificultará a remoção dos produtos fundidos da fenda e afetará a velocidade de corte.

A influência do diâmetro do orifício do bocal na velocidade de corte, sob potência do laser e pressão do gás auxiliar fixas, é mostrada nas Figuras 4.12 e 4.13. Pode-se observar que existe um diâmetro de orifício do bocal ideal que proporciona a velocidade de corte máxima. Esse valor ideal é de aproximadamente 1,5 mm, independentemente de se utilizar oxigênio ou argônio como gás auxiliar.

Testes de corte a laser de ligas duras (de difícil usinagem) mostram que o diâmetro ideal do orifício do bocal é muito próximo dos resultados acima, conforme ilustrado na Figura 4.14. O diâmetro do orifício do bocal também afeta a largura do corte e a largura da zona termicamente afetada (ZTA). Como mostrado na Figura 4.15, com o aumento do diâmetro do orifício do bocal, a largura do corte aumenta enquanto a largura da ZTA diminui. A principal razão para a redução da ZTA é o efeito de resfriamento aprimorado do fluxo de gás auxiliar sobre o material base na zona de corte.

2.3 Parâmetros do equipamento de corte a laser

2.3.1 Equipamento de corte acionado por maçarico

Em equipamentos de corte acionados por tocha, a tocha de corte é montada em um pórtico móvel e se desloca horizontalmente ao longo da viga do pórtico (eixo Y). O pórtico aciona a tocha para se mover ao longo do eixo X, enquanto a peça de trabalho permanece fixa na mesa de trabalho. Como o laser e a tocha de corte são dispostos separadamente, as características de transmissão do laser, o paralelismo ao longo da direção de varredura do feixe e a estabilidade dos espelhos refletores são afetados durante o processo de corte.

O equipamento de corte acionado por maçarico pode processar peças de grandes dimensões. Ocupa uma área relativamente pequena na zona de produção de corte e pode ser facilmente integrado com outros equipamentos para formar uma linha de produção. No entanto, sua precisão de posicionamento é de apenas ±0,04 mm.

A estrutura típica de um equipamento de corte acionado por tocha é mostrada na Figura 4.19. Adota-se uma máquina de corte a laser de CO₂ de onda contínua, com a distância entre o laser e a tocha de corte sendo de 18 m. Para garantir que a variação no diâmetro do feixe ao longo dessa distância de transmissão não interfira nas operações de corte, a combinação de espelhos osciladores deve ser cuidadosamente projetada.

Os principais parâmetros técnicos dos equipamentos de corte acionados por maçarico são os seguintes:

Potência de saída do laser: 1,5 kW (modo único), 3 kW (modo múltiplo)
Curso da tocha: Eixo X 6,2 m, Eixo Y 2,6 m
Velocidade de deslocamento: 0–10 m/min (ajustável)
Curso flutuante do eixo Z da tocha: 150 mm
Velocidade de ajuste do eixo Z da tocha: 300 mm/min
Dimensões máximas da chapa de aço processada: 12 mm × 2400 mm × 6000 mm
Sistema de controle: Modo de controle NC integrado

2.3.2 Equipamento de corte acionado por mesa XY

No equipamento de corte acionado por mesa XY, a tocha de corte é fixada na estrutura e a peça de trabalho é posicionada sobre a mesa de corte. A mesa de corte se move ao longo dos eixos X e Y de acordo com os comandos NC, com uma velocidade de deslocamento ajustável que normalmente varia de 0 a 1 m/min ou de 0 a 5 m/min. Como a tocha de corte permanece estacionária em relação à peça de trabalho, minimiza-se o impacto no alinhamento e centralização do feixe de laser durante o processo de corte, garantindo um desempenho de corte uniforme e estável. Quando equipada com uma mesa de corte de tamanho reduzido e alta precisão mecânica, a máquina atinge uma precisão de posicionamento de ±0,01 mm.excelente precisão de corte, tornando-a particularmente adequada para o corte de precisão de componentes pequenos. Além disso, mesas de corte maiores, com curso no eixo X de 2300–2400 mm e curso no eixo Y de 1200–1300 mm, estão disponíveis para o processamento de peças de grandes dimensões.

Os principais parâmetros técnicos do equipamento de corte com mesa XY são os seguintes:

Fonte de laser: laser de gás CO₂ (tipo tubo reto semi-fechado)
Fonte de alimentação do laser: Tensão de entrada 200 VCA; Tensão de saída 0–30 kV; Corrente máxima de saída 100 mA
Potência de saída do laser: 550 W
Curso da mesa de corte: Eixo X 2300 mm, Eixo Y 1300 mm
Velocidade de deslocamento da mesa de corte (ajustável em incrementos): 0,4–5,0 m/min, 0,2–2,5 m/min, 0,1–1,3 m/min, 0,05–0,6 m/min
Curso flutuante do eixo Z da tocha: 180 mm
Dimensões máximas da placa processada: 6 mm × 1300 mm × 2300 mm
Sistema de controle: Modo de controle numérico (NC)

2.3.3 Equipamento de corte com acionamento duplo (tocha e mesa)

O equipamento de corte com acionamento duplo (tocha e mesa) situa-se, em termos de design, entre as máquinas de corte com acionamento por tocha e as com acionamento por mesa XY. A tocha de corte é montada em um pórtico e move-se horizontalmente ao longo da viga do pórtico (eixo Y), enquanto a mesa de corte se move longitudinalmente. Este design híbrido combina as vantagens de alta precisão de corte e otimização do espaço. Com uma precisão de posicionamento de ±0,01 mm e uma faixa de velocidade de corte ajustável de 0 a 20 m/min, é uma das máquinas de corte mais utilizadas no mercado. Os modelos maiores desta máquina oferecem um curso de 2000 mm no eixo Y e um curso de 6000 mm no eixo X, permitindo o corte de peças de grandes dimensões.

O oscilador a laser está montado no pórtico ao lado da tocha de corte. Essa configuração proporciona uma precisão excepcional no corte de furos circulares. A máquina também apresenta alta eficiência de produção: ela pode cortar 46 furos circulares (10 mm de diâmetro) por minuto em uma chapa de aço de 1 mm de espessura.

2.3.4 Equipamento de corte integrado

Em ummáquina de corte integradaA fonte de laser é instalada na estrutura e se move longitudinalmente com ela, enquanto a tocha de corte é integrada ao seu mecanismo de acionamento para se mover horizontalmente ao longo da viga da estrutura. A máquina utiliza controle numérico para cortar componentes de diversos formatos. Para compensar a variação do comprimento do percurso óptico causada pelo movimento horizontal da tocha de corte, geralmente é instalado um módulo de ajuste do comprimento do percurso óptico. Este módulo garante um feixe de laser homogêneo dentro da área de corte e mantém a qualidade da superfície de corte consistente.

Data da publicação: 17/12/2025

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