Telecurso 2000 - Processos de Fabricação - 62proc

Telecurso 2000 - Processos de Fabricação - 62proc

62 AULA

AtØ bem pouco tempo atrÆs, quando se ouvia a expressªo “raio laserlaserlaserlaserlaser”(lŒ-se lŒiser), as imagens que vinham à nossa cabeça estavam associadas aos filmes de ficçªo científica: criaturas de outros planetas usando armas poderosas, que emitiam raios mortais, dispostas a tudo para conquistar a Terra.

de gordura no interior de veias e artØriasEnfim, essa tecnologia pulou das telas

Mais recentemente, entretanto, algumas aplicaçıes na Ærea mØdica e odontológica contribuíram para popularizar a palavra “laser”. O velho e irritante motorzinho do dentista jÆ pode ser encontrado em sua versªo laser. O bisturi perdeu a lâmina e virou laser. JÆ se usa o laser para destruir acœmulos dos cinemas para dentro da nossa vida. Deixou de ser uma arma de morte para se tornar, nas mªos de hÆbeis cirurgiıes, um instrumento de vida.

Mas vocŒ jÆ deve estar se perguntando o que tudo isso tem a ver com processos de fabricaçªo.

Tem muito a ver. Na indœstria, essa tecnologia Ø usada na soldagem, no tratamento tØrmico e no corte de metaiscorte de metaiscorte de metaiscorte de metaiscorte de metais.

Essa œltima aplicaçªo Ø a que vai nos interessar nesta aula. VocŒ vai ficar sabendo como o laser Ø utilizado para cortar diversos tipos de aço, alumínio e suas ligas e outros materiais metÆlicos e nªo-metÆlicos.

E, para que vocŒ nªo confunda laser com lazer, vamos começar explicando o que Ø o laser, afinal.

Laser Ø luz

O nome Laser Ø uma sigla formada pelas letras iniciais das palavras LLLLLight aaaaamplification by ssssstimulated eeeeemission of rrrrradiation, que em portuguŒs quer dizer: amplificaçªo da luz por emissªo estimulada da radiaçªo.

O uso do laser pode ser entendido mais facilmente se vocŒ imaginar o que acontece quando focalizamos raios de sol atravØs de uma lente, para produzir uma fonte concentrada de energia, na forma de calor, sobre uma folha de papel.

Corte com laser

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Nossa aula

AULAEmbora desse mØtodo resultem apenas uns poucos buracos queimados no papel, ele nos mostra que

a luz Ø realmente uma fonte de energia com potencial e condiçıes de ser processada e explorada do ponto de vista industrial.

Laser Ø um sistema que produz um feixe de luz concentrado, obtido por excitaçªoexcitaçªoexcitaçªoexcitaçªoexcitaçªo dos elØtrons de determinados Ætomos, utilizando um veículo ativoveículo ativoveículo ativoveículo ativoveículo ativo que pode ser um sólido (o rubi) ou um líquido (o dióxido de carbono sob pressªo). Este feixe de luz produz intensa energia na forma de calor.

A incidŒncia de um feixe de laser sobre um ponto da peça Ø capaz de fundir e vaporizar atØ o material em volta desse ponto. Desse modo, Ø possível furar e cortar praticamente qualquer material, independentemente de sua resistŒncia mecânica.

Atualmente, o tipo mais comum de laser usado na indœstria utiliza o dióxido de carbono (CO2) como veículo ativo. Outros gases, como o nitrogŒnio (N2) e o hØlio (H), sªo misturados ao dióxido de carbono para aumentar a potŒncia do laser.

O grande inconveniente do laser Ø que se trata de um processo tØrmico e, portanto, afeta a estrutura do material na regiªo de corte.

Como Ø gerado o laser

Os elØtrons dos Ætomos de carbono e oxigŒ- nio, que compıem o CO2, ocupam determinadas posiçıes dentro da estrutura do Ætomo. Essas

posiçıes sªo chamadas de níveis energØticos. Esses níveis energØticos podem ser entendidos como regiıes ao redor do nœcleo dos Ætomos.

Um dispositivo chamado soprador faz circular CO2 dentro de uma câmara, como mostra a figura.

Essa câmara tem dois eletrodos ligados a uma fonte de alta-tensªo.

Esses eletrodos criam um campo elØtrico que aumenta a energia do gÆs dentro da câmara.

Excitação: processo em que se transfere energia para um sistema.

Veículo ativo: material utilizado para converter energia elétrica em energia de radiação.

AULAEm razªo desse acrØscimo de energia, os elØ- trons dos Ætomos que formam o CO2 se excitam e mudam de nível orbital, passando a girar em

níveis mais externos.

Após algum tempo, os elØtrons voltam ao seu nível energØtico original. Nessa volta, eles tŒm de eliminar a energia extra adquirida.

Existem duas maneiras de se perder energia: por colisªo e por emissªo espontânea. No primeiro caso, quando o elØtron se choca com outro, sua energia Ø consumida.

Na emissªo espontânea, ocorre uma liberaçªo de energia na forma de luz. Esta luz emitida estimula a emissªo contínua, de modo que a luz seja amplificada.

Essa luz Ø guiada e novamente amplificada por meio de espelhos, atØ que, no cabeçote da mÆquina, Ø concentrada, atravØs de lentes, num œnico ponto:

o focoo focoo focoo focoo foco. O direcionamento permite a concentraçªo de energia em um ponto inferior a 0,25 m de diâmetro.

O sistema de corte a laser combina o calor do raio focado com a mistura de gases (dióxido de carbono, nitrogŒnio e hØlio) para produzir uma potŒncia que chega a cerca de 3.0 watts por centímetro quadrado, capaz de vaporizar a maioria dos metais. O hØlio auxilia ainda na dissipaçªo do calor gerado pelo campo elØtrico.

Equipamento de corte a laser: o futuro que jÆ Ø presente

Os sistemas de corte a laser nªo podem ser operados manualmente, pois o processo envolve alta concentraçªo de energia, uma vez que o feixe deve ser muito concentrado e o corte ocorre a velocidades muito altas.

mudança de nível energético do elétron (ganha energia) mudança de nível energético do elétron (perda de energia)

AULAO equipamento mais comum consiste em mesas móveis, com capacidade de movimentaçªo segundo os eixos x, y e z. Os eixos x e y determinam

as coordenadas de corte, enquanto o eixo z z z z z serve para corrigir a altura do ponto focal em relaçªo à superfície da peça, pois, durante o corte, esta distância Ø afetada por deformaçıes provocadas na chapa, pelo calor decorrente do próprio processo.

As coordenadas de deslocamento geralmente sªo comandadas por um sistema CAD (CCCCComputer AAAAAided DDDDDesign ou, em portuguŒs, projeto assistido por computador), acoplado à mesa de corte.

Nas mÆquinas de corte a laser, como a que

Ø mostrada a seguir, o material a ser cortado normalmente encontra-se em forma de chapas, embora existam mÆquinas que se destinem ao corte de tubos.

Observe que a chapa Ø colocada sobre uma espØcie de “cama de pregos”, apoiando-se em vÆrios pontos.

Sobre ela, o cabeçote laser movimenta-se em duas direçıes: longitudinal e transversal. Esses movimentos sªo transmitidos por motores elØtricos, controlados por computador.

Pelo cabeçote laser flui um gÆs, chamado gÆs de assistŒnciagÆs de assistŒnciagÆs de assistŒnciagÆs de assistŒnciagÆs de assistŒncia, que tem por funçªo, entre outras, remover o material fundido e óxidos da regiªo de corte. O gÆs normalmente usado para esta finalidade Ø o oxigŒnio, porque ele favorece uma reaçªo exotØrmica, isto Ø, libera calor, aumentando ainda mais a temperatura do processo e, por conseqüŒncia, a velocidade de corte.

Entretanto, o nitrogŒnio pode ser preferido como gÆs de assistŒncia quando forem necessÆrias superfícies livres de óxidos, como no corte de aços inoxidÆveis.

As mÆquinas de corte a laser podem cortar chapas de aço-carbono de atØ 20 m de espessura. Ao contrÆrio do que se poderia pensar, sua capacidade de corte de chapas de alumínio, por exemplo, Ø bem menor: corta chapas de 6 m, no mÆximo. Isso se explica pela tendŒncia do alumínio ao empastamento e à reflexªo da luz.

Fatores que afetam o corte a laser

Os gases para corte a laser sªo, normalmente, fornecidos em cilindros de gases puros, mas tambØm podem ser entregues prØ-misturados. As impurezasimpurezasimpurezasimpurezasimpurezas na mistura de gases podem baixar o desempenho do laser de CO2, diminuindo a potŒncia de saída, tornando a descarga elØtrica instÆvel ou aumentando o consumo dos gases.

AULAA potŒncia do feixepotŒncia do feixepotŒncia do feixepotŒncia do feixepotŒncia do feixe Ø outro fator que determina a capacidade do laser de interagir com o material a ser cortado e iniciar o corte. Em geral, o aumen-

to da potŒncia permite cortar com velocidades maiores, mantendo a qualidade de corte inalterada, ou cortar materiais de maiores espessuras.

A velocidade de corte velocidade de corte velocidade de corte velocidade de corte velocidade de corte deve ser determinada em conjunto com a potŒncia e a pressªo e vazªo do gÆs de assistŒncia. Valores muito elevados de velocidade tendem a produzir estrias na superfície de corte, rebarbas na parte posterior da superfície atingida pela radiaçªo e atØ mesmo impossibilidade de realizar o corte. Velocidades baixas, por outro lado, produzem um aumento da zona termicamente afetada e um decrØscimo na qualidade do corte.

O gÆs de assistŒncia deve ter vazªovazªovazªovazªovazªo suficiente para remover o material fundido, proveniente do corte. Materiais como plÆsticos, madeiras ou borrachas permitem utilizar vazıes mais elevadas.

O ponto focalponto focalponto focalponto focalponto focal Ø o ponto de concentraçªo mÆxima 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 regiıes ligeiramente abaixo da superfície, desde que nªo ultrapasse 1/3 da espessura da chapa.

Quando usar e nªo usar o corte a laser

O uso de mÆquinas de corte a laser Ø recomendado quando as peças apresentarem formas complicadas e for exigido um acabamento de superfície praticamente livre de rebarbas na regiªo de corte. Como esse processo nªo requer estampos de corte, Ø possível produzir rapidamente lotes pequenos e diversificados.

O fato de o laser de CO2 gerar uma imensa intensidade de calor nªo 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 sªo apresentados comentÆrios sobre o comportamento de alguns materiais em relaçªo ao corte a laser.

Aços nªo ligadosAços nªo ligadosAços nªo ligadosAços nªo ligadosAços nªo ligados – Podem ser facilmente cortados a laser, principalmente se o gÆs de assistŒncia for o oxigŒnio. A qualidade de corte Ø boa, produzindo pequenas larguras de corte e bordas retas, sem rebarbas e livre de óxidos.

Aços inoxidÆveisAços inoxidÆveisAços inoxidÆveisAços inoxidÆveisAços inoxidÆveis – Chapas finas podem ser cortadas com excelente resultado. Nªo Ø possível cortar chapas tªo espessas como as de aços nªo ligados.

Aços-ferramentaAços-ferramentaAços-ferramentaAços-ferramentaAços-ferramenta – Sªo difíceis de cortar por outros mØtodos convencionais, por causa do alto teor de carbono, mas apresentam boa qualidade de superfície, quando cortados a laser.

Alumínio e suas ligasAlumínio e suas ligasAlumínio e suas ligasAlumínio e suas ligasAlumínio e suas ligas – A espessura mÆxima que pode ser cortada a laser situa-se por volta de 4 m a 6 m, pois, como jÆ foi dito, o alumínio reflete a luz e Ø bom condutor de calor, dificultando a concentraçªo de energia.

a refletir a luzPara o corte de peças nªo planas, Ø extremamente importante

AULACobre e suas ligasCobre e suas ligasCobre e suas ligasCobre e suas ligasCobre e suas ligas – Assim como o alumínio, tambØm apresenta tendŒncia a proteçªo contra radiaçªo refletida.

Titânio e suas ligasTitânio e suas ligasTitânio e suas ligasTitânio e suas ligasTitânio e suas ligas –Pode ser cortado a laser, desde que a zona de corte seja

protegida por um gÆs inerte (CO2 , He, N2), que evita a oxidaçªo pelo ar. Na face posterior do corte deve ser injetado um gÆs igualmente inerte, que ajuda a eliminar as gotas aderentes de metal fundido.

Outros materiaisOutros materiaisOutros materiaisOutros materiaisOutros materiais – O laser corta ainda vÆrios outros materiais nªo-metÆ- licos como: polímeros, tŒxteis, couro, cerâmica, rochas etc.

Vantagens e desvantagens do laser

Por ser uma forma de energia concentrada em pequena Ærea, o corte a laser proporciona cortes retos, pequena largura de corte, zona mínima afetada pelo calor, mínima distorçªo e arestas de excelente qualidade.

Por ser uma luz, nªo entra em contato direto com a peça, nªo causando distorçıes e nªo se desgastando.

É um sistema de fÆcil automatizaçªo, permite cortar peças de formas complexas e nªo requer a troca de “ferramenta de corte” cada vez que Ø substituído o material a ser cortado.

Do lado das desvantagens, pode-se destacar: o alto custo inicial do sistema; a pequena variedade de potŒncias disponíveis, que limitam o corte a espessuras relativamente baixas e a materiais que apresentem baixa reflexªo da luz; a formaçªo de depósitos de fuligem na superfície, no corte de materiais nªo-metÆlicos, como madeira e couro; a formaçªo de produtos tóxicos (Æcido clorídrico), no corte de PVC.

O laser representa uma tecnologia nova e pouco familiar para uma boa parte das empresas metalœrgicas, acostumadas aos sistemas convencionais de corte. Mas a superaçªo das limitaçıes atuais e a construçªo de sistemas mais adequados às necessidades e disponibilidades financeiras das pequenas e mØdias empresas sªo perspectivas que tornam o laser uma tecnologia de grande potencial para o futuro próximo.

Desfeito o mistØrio em torno do laser, vocŒ agora sabe que essa forma de energia pode fazer muito mais do que tocar suas mœsicas preferidas num “CD player” ou enfeitar o cØu em noites de grandes espetÆculos. Mas para ter certeza de que ficou claro para vocŒ como essa tecnologia Ø aplicada na indœstria, resolva os exercícios a seguir.

AULAMarque com X a resposta correta.

Exercício 1Exercício 1Exercício 1Exercício 1Exercício 1 O gÆs mais utilizado industrialmente como veículo ativo do laser Ø:

a)a)a)a)a) ( ) hØlio (He); b)b)b)b)b) ( ) nitrogŒnio (N2); c)c)c)c)c) ( ) oxigŒnio (O2); d)d)d)d)d)()dióxido de carbono(CO2).

Exercício 2Exercício 2Exercício 2Exercício 2Exercício 2

Alguns gases sªo adicionados ao veículo ativo do laser para: a)a)a)a)a)()aumentar a velocidade de corte; b)b)b)b)b)()aumentar a potŒncia de corte; c)c)c)c)c)()diminuir o diâmetro do feixe de luz; d)d)d)d)d)()excitar os elØtrons livres dos Ætomos.

Exercício 3Exercício 3Exercício 3Exercício 3Exercício 3 O gÆs de assistŒncia tem por funçªo, entre outras:

a)a)a)a)a)()resfriar a regiªo de corte; b)b)b)b)b)()remover o material fundido da regiªo de corte; c)c)c)c)c)()evitar a produçªo de estrias na superfície de corte; d)d)d)d)d)()amplificar a luz do feixe laser.

Exercício 4Exercício 4Exercício 4Exercício 4Exercício 4 Nas mÆquinas de corte a laser que produzem movimentos segundo os eixos

x, y y y y y e z, oeixo z serve para:

a)a)a)a)a)()corrigir a altura do ponto focal em relaçªo à superfície da peça; b)b)b)b)b)()determinar a movimentaçªo longitudinal do cabeçote de corte; c)c)c)c)c)()determinar a movimentaçªo transversal do cabeçote de corte; d)d)d)d)d)()corrigir a largura de corte.

Exercício 5Exercício 5Exercício 5Exercício 5Exercício 5

As mÆquinas de corte a laser podem cortar: a)a)a)a)a)()qualquer tipo de material metÆlico e nªo-metÆlico; b)b)b)b)b)()apenas materiais metÆlicos; c)c)c)c)c)()alguns materiais metÆlicos e nªo-metÆlicos; d)d)d)d)d)()qualquer material metÆlico com mais de 6 m de espessura.

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