Seminario Cortes e Soldagens a Laser - Apresentacao Processo Aplicacoes e Video

As apresentações serão no dia 0602 A apresentação pode ter um tempo de até 10 minutos e mais 5 minutos para dúvidas e discussões Além da apresentação também é necessário entregar um vídeo curto sobre o tema apresentado no máximo 3 minutos É recomendado que na apresentação haja detalhes sobre o processo suas aplicações vantagens e desvantagens O vídeo pode ser mais resumido sejam criativos Seminário Cortes e Soldagens à Laser 1 Corte à Laser A luz do laser é produzida pela excitação dos elétrons de certos átomos que criam um feixe de energia intensa na forma de calor Para a confecção de um laser é necessário um sistema óptico adequado ou seja uma cavidade ressonante constituída por dois espelhos localizados nas extremidades do meio ativo e coaxiais com ele perpendiculares à direção em que o feixe é emitido VASCONCELLOS 2013 A luz do laser pode vir de vários meios ou seja pode vir de um sólido líquido ou gás pode ser um cristal um corante ou um gás Os lasers a gás estão entre os lasers mais eficientes disponíveis Por exemplo enquadramse nessa categoria os lasers de dióxido de carbono cuja radiação é invisível na região do infravermelho VASCONCELLOS 2016 Representação esquemática da usinagem com feixe laser Fonte Chiaverini 1986 A estrutura básica de um laser é composta por três componentes básicos um meio ativo uma fonte de bombeamento de alta energia excitação do meio ativo e um ressonador óptico O meio ativo consiste em elementos capazes de fornecer inversão de população por meio de excitação externa proporcionando assim ganho de luz de fundo da radiação de corpo negro Este meio pode ser constituído por compostos sólidos misturas de fluidos líquidos ou gases ou mesmo campos eletromagnéticos As fontes de bombeamento são caracterizadas pelas várias maneiras pelas quais a energia pode ser fornecida cada uma adequada para um tipo diferente de meio ativo Um ressonador óptico é um dispositivo responsável por confinar e manter a condição de oscilação ganho maior que perda da radiação laser dentro de um meio ativo Elementos constitutivos de um laser básico Fonte Chiaverini 1986 As características operacionais podem variar amplamente entre as diferentes classes de laser embora existam alguns pontos em comum Os principais tipos são Lasers isolantes dopados meio físico constituído por íons metálicos embutidos em uma matriz sólida de material isolante bombeados por fotodescarga lasers de rubi lasers de NdYAG e Ndvidro lasers de alexandrita etc Lasers de gás o bombeamento é realizado por descarga elétrica ou em alguns casos por reação química exotérmica em um meio ativo constituído por moléculas íons ou átomos neutros de um gás ou mistura de gases que podem estar confinados ou fluir na cavidade laser HeNe laser de CO2 laser de nitrogênio laser excimer laser de criptônio laser HeCd laser de argônio laser de CO etc Lasers de corante meio ativo que consiste em um corante orgânico diluído em um solvente líquido energia bombeada por uma fonte de luz como uma lâmpada de flash ou outro laser Lasers semicondutores a radiação é emitida na junção pn de um diodo semicondutor lasers Ga Alx As1x Máquinas e equipamentos cada vez mais eficientes e que atendam às atuais necessidades e níveis de qualidade estão na lista de prioridades do setor permitindo que as empresas sejam competitivas no mercado com baixos custos de produção ou seja menos rejeitos menos tempo de fabricação e maior produtividade Existem vários processos de fabricação mecânica que envolvem o corte e conformação de chapas metálicas como corte por jato de água corte por oxicorte corte por plasma e corte a laser Nesta última é possível encontrar fortes vínculos teóricos e práticos com a física GOLLMANN 2010 A capacidade de corte ou seja a espessura da chapa que pode ser processada depende basicamente do tipo de material e da potência do laser utilizado Urtado Lima e Baino 2008 comentaram A principal característica do corte a laser é a pequena área de sangramento remoção de material inferior a 10 da espessura da chama e do plasma Segundo Gollmann 2010 um feixe de laser é um sistema que produz um feixe de luz concentrado por meio da excitação dos elétrons de determinados átomos Durante o corte a laser um dispositivo chamado soprador turbina gira a 900 Hz para fazer circular o CO2 em uma câmara onde dois eletrodos são conectados a uma fonte de alta tensão Gollmann 2010 acrescentou que depois de algum tempo os elétrons precisam retornar ao seu nível de energia original e durante esse retorno é necessário dissipar a energia extra adquirida Os autores apontam que existem duas formas de perda de energia colisões e emissão espontânea No primeiro caso quando um elétron colide com outro elétron sua energia é dissipada Golmann 2010 afirmou que na emissão espontânea a energia é liberada na forma de luz Essa luz emitida estimula a emissão contínua para que a luz seja amplificada Para o processo de corte a laser industrial a energia é liberada na forma de luz O diagrama abaixo mostra um elétron ganhando energia e liberandoa na forma de um fóton A luz gerada pela mudança de nível de energia do elétron é guiada pelo espelho e amplificada novamente Ao atingir o cabeçote da máquina a laser a luz é concentrada em um ponto através da lente que se chama focagem O diâmetro do laser nessa direção é inferior a 025 mm GOLMANN 2010 2 Aplicação do corte à laser O corte a laser é um processo separado de corte de materiais metálicos e não metálicos de diferentes espessuras Sua base é um feixe de laser guiado modelado e focalizado Quando ele toca a peça o material esquenta ou derretendo ou virando vapor Toda a potência do laser está concentrada em um ponto tipicamente com menos de meio milímetro de diâmetro Se mais calor for colocado naquele ponto do que a condução térmica pode dissipar o feixe de laser penetra completamente no material e o processo de corte começa Em outros processos enormes ferramentas com enorme força atuam sobre chapas finas enquanto feixes de laser fazem o trabalho sem nenhum contato Como resultado as ferramentas não se desgastam e as peças não ficam deformadas ou danificadas A base do corte a laser é a interação entre um feixe de laser focalizado e a peça de trabalho Para que o processo funcione com segurança e precisão diversos componentes e recursos são utilizados dentro e ao redor do feixe de laser conforme esquema abaixo Onde 1 Óptica de focagem lentes e espelhos óticos focalizam o feixe de laser no ponto de processamento 2 Raio Laser O raio laser toca a peça e a aquece até derreter ou evaporar 3 Gás de corte Com a ajuda do gás de corte o material fundido resultante é soprado para fora da folga de corte O gás sai do bocal axialmente com o feixe de laser 4 Ranhura No processo de corte a laser os cantos são cortados para formar a forma típica da ranhura Em baixas velocidades de corte essas ranhuras são quase paralelas ao feixe de laser 5 Qualidade de fusão O feixe de laser um laser focado é guiado pelo contorno e funde o material localmente 6 Face de corte Na peça de trabalho a costura de corte não é mais larga que o feixe de laser focalizado 7 Bico O feixe de laser e o gás de corte atingem o material através do bico de corte 8 Direção de corte Quando a cabeça de corte ou a peça de trabalho se move em uma determinada direção uma folga de corte é formada Ao cortar materiais metálicos e não metálicos o laser é a ferramenta geral de escolha na maioria dos casos Praticamente todos os contornos podem ser cortados de forma rápida e flexível com o feixe de laser não importa se a forma é muito delicada ou se o material é muito fino Vários gases e pressões de corte afetam o processo e os resultados Corte com oxigênio Para o corte com oxigênio o oxigênio é usado como gás de corte e é soprado na abertura de corte a uma pressão de até 6 bar Ele queima e oxida o metal fundido ali A energia liberada por esta reação química contribui para o feixe de laser O corte a oxigênio permite velocidades de corte muito altas e processamento de chapas mais grossas e aço carbono Corte a laser por fusão No corte por fusão o nitrogênio ou o argônio são usados como gás de corte Aplica uma pressão de 2 a 20 bar através da fenda de corte e não reage com a superfície metálica na fenda ao contrário do corte a oxigênio A vantagem deste processo de corte é que as bordas cortadas estão livres de rebarbas e óxidos e praticamente nenhum retrabalho é necessário Corte por sublimação O corte por sublimação é usado principalmente para tarefas de corte fino que requerem corte de canto de alta qualidade No processo um laser vaporiza o material com pouco ou nenhum derretimento O vapor do material cria alta pressão na abertura de corte forçando a fusão para cima e para baixo O gás de processo nitrogênio argônio ou hélio protege a superfície de corte das áreas adjacentes e garante que a aresta de corte esteja livre de óxidos Corte fino No corte fino a laser a energia pulsada do laser é usada para perfurar sequencialmente furos individuais que se sobrepõem em 50 a 90 e formam a costura de corte Devido aos pulsos curtos potências de pulso de pico muito altas e densidades de potência extremamente altas são geradas na superfície da peça de trabalho Vantagens O calor da peça de trabalho é extremamente baixo e até mesmo peças de filigrana podem ser cortadas sem deformação por calor 3 Vantagens e desvantagens do corte à laser Todos os materiais comumente encontrados no processamento industrial de aço alumínio aço inoxidável e chapas metálicas não ferrosas a materiais não metálicos como plásticos vidro madeira ou cerâmica podem ser cortados a laser com segurança e alta qualidade Várias espessuras de chapa de 05 a 30 mm podem ser cortadas com esta ferramenta Este espectro de materiais extremamente amplo torna o laser a primeira ferramenta de corte escolhida para muitas aplicações metálicas e não metálicas O feixe de laser focalizado aquece o material localmente enquanto o restante da peça é minimamente ou não afetado pelo calor Com isso a folga de corte não é maior que o próprio raio e mesmo fios finos e contornos complexos podem ser cortados suavemente e sem rebarbas Em muitos casos o retrabalho demorado não é mais necessário Devido à sua flexibilidade o processo de corte é frequentemente utilizado especialmente em pequenos lotes variantes em grande escala e construção de protótipos Os lasers de pulso ultracurto vaporizam quase todos os materiais tão rapidamente que os efeitos térmicos não podem ser discernidos Isso cria uma aresta de corte de alta qualidade sem marcas de fusão Os lasers são portanto ideais para a fabricação de produtos de filigrana e metal como stents usados na tecnologia médica Na indústria de displays lasers de pulso ultracurto cortam vidro quimicamente reforçado 4 Soldagem à laser O processo de soldagem a laser LBW é um processo de alta densidade de energia e alta taxa de resfriamento que promove a formação de uma microestrutura martensítica típica e caracteriza juntas soldadas com uma zona de fusão ZF e zona afetada pelo calor um HAZ muito estreito aproximadamente 23mm A qualificação destes procedimentos ainda demanda muito trabalho e tempo pois os valores de dureza nestas áreas são muito elevados muito superiores aos especificados em normas e códigos Variações nas propriedades mecânicas de diferentes áreas de uma junta soldada por processos convencionais de arco podem afetar significativamente o desempenho da junta em serviço O processo a laser tem a característica de produzir juntas com ZTA e ZF muito estreitos que podem ser superiores aos processos convencionais se a junta soldada possuir propriedades mecânicas suficientes para a qualificação do serviço No entanto para préqualificação ou avaliação de defeitos a determinação das propriedades mecânicas de HAZs e ZFs muito estreitas não pode ser feita por procedimentos de teste mecânico padrão como é frequentemente observado em amostras dessas juntas soldadas que devido à maior resistência do ZF A fratura ocorre no metal original no teste de tração transversal e no teste CharpyV e tenacidade à fratura medida CTOD Portanto todos os resultados desses ensaios padronizados podem fornecer informações equivocadas sobre as propriedades mecânicas da junta soldada devido à fraca interação entre a zona fundida e o metal base Portanto para entender o processo de deformação e fratura de juntas soldadas as propriedades mecânicas locais das pequenas regiões ZF e HAZ devem ser determinadas primeiro No entanto devido ao pequeno tamanho dessas áreas essa não é uma tarefa fácil Informações completas sobre tenacidade à fratura ZF e ZTA e propriedades de tração são essenciais para a préqualificação e um entendimento completo do desempenho da junta em serviço 5 Aplicação de soldagem à laser O desenvolvimento de um feixe de laser é impulsionado por sua capacidade de viajar pelo ar com pouca divergência ser guiado pela óptica e não perder ou alterar suas propriedades físicas Hoje existem vários tipos de feixes de laser que vão do estado sólido ao gasoso com comprimentos de onda na faixa do infravermelho IF ao ultravioleta UV Devido à qualidade da radiação laser a sua utilização na soldadura permite obter determinadas características que não podem ser obtidas com outros processos como velocidades de soldadura muito elevadas ausência de contacto entre a fonte de calor e a peça a soldar baixa transferência de calor pequenas deformações a zona afetada pelo calor é pequena O que torna a soldagem a laser tão chamativa não é a quantidade de radiação emitida mas sua qualidade A alta concentração do feixe de laser proporciona radiação de alta qualidade permitindo uma grande variedade de aplicações somente na área de metalmecânica podemos citar corte e furação de peças com geometrias complexas representando 60 do trabalho soldagem por exemplo baterias de lítio equivalente a 25 marcação de instrumentos de medição 10 tratamento térmico de componentes como válvulas de motores de combustão interna e outros usos equivalente a 5 da aplicação 6 Vantagens e desvantagens da soldagem à laser Algumas das vantagens do processo de soldagem a laser são fornecimento de energia concentrada influência metalúrgica minimizada na zona afetada pelo calor ZAC menor distorção soldagem de passe único não requer metal de adição portanto nenhuma contaminação eventual soldagem de metais duros locais de difícil acesso pois não há contato com a peça soldagem de peças muito finas possibilidade de automatização do processo A entrada de energia da soldagem a laser é muito concentrada resultando em soldas estreitas e profundas A penetração pode ser facilmente controlada ajustando os principais parâmetros como potência e taxa de pulso Com isso é possível realizar soldas internas ou externas no painel do carro sem causar deformação ou descoloração do painel externo Em algumas aplicações o uso de um robô a laser C02 pode fornecer movimento e posicionamento muito precisos em uma peça de trabalho Essa vantagem da soldagem a laser levou à sua popularização na indústria automotiva O interesse pela soldagem a laser de chapas metálicas tem aumentado significativamente devido ao seu grande potencial de redução de custos Algumas vantagens decorrem da alta flexibilidade do processo outras da falta de contato com a peça durante o processo e outras da qualidade da soldagem em alta velocidade Os benefícios adicionais incluem nenhum retrabalho necessário O processo de soldagem a laser também permite a soldagem de um lado o que oferece novas soluções de design Outra vantagem é a eliminação dos flanges necessários para a soldagem por resistência Na soldagem de componentes automotivos essa eliminação pode resultar em uma economia de peso de cerca de 40 kg A soldagem a laser contínua também aumenta a integridade estrutural do material A resistência da solda é geralmente maior que a resistência do metal base O processo de soldagem a laser apresenta algumas limitações dentre as quais podemos citar a baixa eficiência em torno de 10 dificuldade de mudança de foco baixa potência do equipamento espessura limitada problemas de refletividade com determinados materiais e tolerâncias apertadas de encaixe das juntas À medida que o número de instalações de soldagem a laser continua a aumentar também aumentam os problemas Por exemplo para guiar um raio laser devese utilizar um sistema robótico e um sistema óptico flutuante ou articulado com sistema de espelho no braço do robô Atualmente a fibra não pode ser usada com lasers de CO2 de alta potência As juntas do feixe de laser devem ter tolerâncias muito apertadas O ponto focal do feixe deve ser perpendicular à superfície e a posição focal deve ser precisa e mantida isso requer sistemas de sensores de alto desempenho e em alguns casos sistemas de detecção de contato A alta automação requer produção em massa com mão de obra especializada O alto custo do sistema embora lentamente caindo 7 ao ano requer uma análise econômica cuidadosa dos benefícios do aplicativo fornecido Devido ao alto investimento inicial em relação aos processos convencionais essa tecnologia enfrenta problemas de escala além disso os sistemas a laser são considerados complexos e caros Referências CHIAVERINI Vicente Tecnologia mecânica 2 ed São Paulo MAKRON Books Pearson Education do Brasil 1986 GOLLMANN Paulo Fernando Aplicação do processo de corte a laser com ênfase no formecimento de peças livres de óxidos Horizontina 2010 URTADO Edson LIMA Erasmo e BAINO Fernando Comparativo entre a produtividade e custo operacional dos processos térmicos oxicorte plasma e laser para cortar o material aço carbono entre as espessuras de 6 a 25 mm São Paulo 2008 No text found