Laser Beam Focusing

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Introdução

Os fabricantes priorizam parâmetros diferentes em seus cabeçotes de corte a laser. Alguns enfatizam o menor tamanho de spot possível; outros se concentram na orientação das lentes e na perpendicularidade do eixo da lente em relação ao feixe laser. Na prática, nenhum parâmetro pode ser destacado como mais importante que o outro — sua relevância aumenta sob diferentes condições de corte. Manter a posição do foco dentro do material é decisivo para que os parâmetros de corte a laser funcionem corretamente e para garantir alta qualidade de borda consistente.

Foco do feixe laser para corte de metal espesso

Em chapas com mais de 20 mm de espessura, é necessária uma zona de fusão maior para criar uma poça de fusão volumosa, que deve ser ejetada durante o corte. Para criar esse spot de queima ampliado, o feixe é focalizado acima ou abaixo da superfície do material, dependendo do gás de assistência. Portanto, focalizar um pequeno spot na superfície é geralmente menos eficaz para materiais espessos.

Foco do feixe laser para corte de metal fino

Para chapas finas de 1–3 mm de espessura, é necessário um ponto focalizado sobre a superfície do metal. Isso é muito mais eficiente que um spot maior, pois não é preciso um canal largo para remover o material.

Gás de assistência no corte a laser

Um fator crítico no corte a laser é o gás de assistência — oxigênio, nitrogênio ou ar comprimido. Cada gás possui propriedades específicas relacionadas à aceleração da combustão, à evacuação do material fundido, ou a ambas.

No corte a laser, os gases de assistência sustentam uma de duas reações: exotérmica ou endotérmica. As regras de foco dependem do tipo de reação e do gás usado.

Foco para corte exotérmico

Numa reação exotérmica, o gás confere propriedades aceleradoras ao corte — por exemplo, o oxigênio. Nessa reação, o metal literalmente ferve: a energia intensa do feixe laser o vaporiza, e o oxigênio reage de modo eficiente com o metal em estado líquido. O processo ocorre sob alta pressão; com oxigênio, o material-base é aquecido à temperatura máxima durante o corte, produzindo vapor metálico e evaporação adicional.

O corte de chapas espessas exige um padrão de queima maior — usado na produção para criar uma sangria larga que evacua o material fundido durante o corte a laser.

Regras de foco para reações exotérmicas: o foco deve estar acima da superfície para materiais espessos, ou na superfície superior para os mais finos.

Quando o foco está acima do material, normalmente se usam baixa pressão e baixo fluxo para promover a liquefação e depois deslocar o fundido. Muito pouco material realmente evapora, pois um pequeno fluxo de oxigênio não sustenta a evaporação completa.
Quando o foco está exatamente na superfície do material, normalmente se usam alta pressão e alto fluxo. Isso é suficiente para sustentar evaporação intensa do material.

Por isso, em mesas de corte que cortam principalmente material fino vê-se muito pouco escória acumulada nos apoios. Mesas usadas para materiais mais espessos acumulam muito mais material em seus apoios.

Foco para corte endotérmico

As reações endotérmicas ocorrem quando se usa um gás inerte. Nitrogênio e argônio se enquadram nesta categoria.

Durante esse tipo de reação, o gás apenas ajuda a soprar o material fundido pela sangria. O processo endotérmico depende fortemente da energia original do feixe laser focalizado para levar rapidamente o metal-base ao estado fundido e formar a sangria. Isso permite ao gás inerte deslocar o material liquefeito pelo canal de corte, deixando uma superfície de corte limpa, sem adesão de escória.

Regras de foco para reações endotérmicas: a posição do foco deve estar no fundo do material ou ligeiramente abaixo dele. Manter o foco abaixo do material cria uma pequena forma em V na seção transversal da sangria, permitindo que o gás de alta pressão comprima o material fundido e o expulse pela base do canal em alta velocidade.

As reações endotérmicas exigem alto volume e alta pressão para sustentar a remoção rápida do material fundido.

Ar comprimido

O uso de ar comprimido como gás de assistência produz, na prática, reações endotérmica e exotérmica simultaneamente. Como o ar é composto majoritariamente por nitrogênio (≈78 %), trata-se primariamente de uma reação endotérmica; o pequeno teor de oxigênio (≈20 %) provoca uma reação exotérmica simultânea, porém menor. Isso acelera a fusão do material-base devido à reatividade do oxigênio. O restante do ar é essencialmente inerte e participa apenas da reação endotérmica conduzida pelo nitrogênio.

O corte com ar comprimido oferece os melhores resultados quando a posição do foco é mantida no centro da espessura do material.

Controle do ponto de foco

Cada aspecto da manutenção da projeção correta do ponto de foco deve ser controlado. O feixe bruto dentro do ressonador óptico deve estar em boas condições, e o feixe precisa ser entregue corretamente à lente.

Usar uma lente com a distância focal correta altera a velocidade de fusão do material e a espessura máxima processável.

A escolha do gás de assistência define em grande parte como o foco será posicionado no material:

Corte a laser com oxigênio (exotérmico) — foco diretamente sobre ou acima da superfície do material. São necessárias mudanças muito pequenas de foco, a menos que se alterne entre corte de alta e baixa pressão, pois o foco fica sempre na superfície ou perto dela e, portanto, não depende das variações de espessura.
Corte a laser com nitrogênio (endotérmico) — o foco é fortemente dependente da espessura, pois fica no fundo do material ou próximo a ele.

Em qualquer caso, todos os pontos de foco principais podem ser atendidos pelo CNC e por um dispositivo de autofoco, como um espelho adaptativo.

Espelho adaptativo

O espelho adaptativo funciona alterando a forma de sua superfície por meio de pressão aplicada à parte traseira do espelho. Em seu estado normal, sem pressão, a superfície do espelho é côncava. Quando se aplica pressão, a superfície passa de côncava a plana e, em seguida, a convexa. Mudar a forma do espelho altera a frente de onda do feixe e, portanto, o tamanho do feixe na lente e a posição da projeção do foco no material.

Distância focal da lente

Para corte, costuma-se usar sistemas ópticos com distâncias focais de 125 mm e 150 mm.

Óptica de 125 mm — adequada apenas para pequenas espessuras de 1–3 mm. A óptica de 125 mm produz uma sangria mais estreita que a de 150 mm, oferecendo maior densidade de energia para a mesma potência do laser. Portanto, as velocidades de corte com a óptica de 125 mm são ligeiramente maiores para a mesma espessura e potência. Se você corta principalmente materiais finos, recomenda-se a óptica de 125 mm por questões econômicas.
Óptica de 150 mm — oferece maior profundidade de corte. Pode ser usada universalmente para uma ampla faixa de espessuras, mas é empregada principalmente em materiais mais espessos.

Posição do foco

A localização exata do foco é requisito fundamental para bons resultados de corte.

Para corte a laser de aço carbono:

Para chapas de até cerca de 6 mm, a posição ótima do foco é na superfície da chapa (endotérmico).
Para chapas de 8 mm ou mais, o ponto de foco deve estar acima da superfície da chapa (exotérmico).
Corte de alta pressão de aço inoxidável ou alumínio: foco na chapa.

Na prática, a posição do foco pode ser ajustada em torno de 2/3 da espessura da chapa dentro da chapa.

Por isso, cada mudança na espessura da chapa geralmente implica mudança na posição do foco.

Centragem do bico

A lente de focalização deve ser instalada de modo que o feixe laser focalizado fique no centro do furo do bico. O feixe focalizado pode estar no máximo ±0,05 mm fora do centro em relação ao bico.

Mesmo com boa qualidade de corte, um feixe descentralizado pode tornar a qualidade dependente da direção. No pior caso, o corte é satisfatório em uma direção, enquanto em outras o material não é cortado limpamente ou nem se separa.

Ao cortar aço carbono com gás, podem surgir faíscas sobre a superfície da chapa na direção oposta à excentricidade.

Contaminação das lentes

Importante: contaminação severa pode danificar as lentes e o cabeçote de corte inteiro.

Efeitos:

À medida que o comprimento do corte aumenta, começam a se formar rebarbas; sangria e rugosidade superficial aumentam.
No aço carbono há tendência à formação de crateras.
No pior caso, a peça não se separa da chapa após o processamento.

Manutenção e troca da lente de focalização

Remoção e instalação da lente de focalização:

Remova o cabeçote de corte e leve-o a um local limpo. Limpe toda a poeira da superfície do cabeçote.
Posicione o cabeçote horizontalmente. Remova os parafusos de fixação de baixo para cima (ver Fig. 6.5 — desmontagem do vidro de proteção e conjunto do bico).
Remova o anel de retenção da mola e a lente de focalização com a chave de remoção de lentes.
Substitua ou limpe a lente de focalização.
Na direção mostrada na Fig. 6.7, insira cuidadosamente a lente de focalização e o anel de retenção da mola no suporte da lente e aperte corretamente o anel de retenção.

Parte prática: ajuste do foco em laser de fibra

Antes de operar uma máquina laser de fibra, é necessário ajustar a distância focal correta entre o cabeçote e o material a ser cortado. Largura e qualidade da sangria, formação de escória e velocidade de corte dependem do ajuste correto do foco.

Focalizar o feixe laser é um aspecto crucial da operação. O corte de metal de qualidade exige concentrar a energia em um ponto específico — isso aumenta a intensidade do feixe.

Diâmetro do spot e profundidade de foco dependem da distância focal.

O foco pode ser ajustado: acima do metal, sobre o metal ou abaixo do metal.

Foco positivo — o fluxo de fótons fica acima do plano da peça. Usado no corte de aço carbono. Evita a formação de escória, e o oxigênio promove a oxidação do metal desde a borda do corte até a superfície inferior da chapa. Ao aumentar o foco positivo, o diâmetro do spot na superfície da peça cresce, gerando maior aporte térmico e uma borda mais lisa do aço ao longo do corte.
Foco negativo — o pico de concentração fica dentro da peça, a densidade de energia irradiada aumenta e a sangria se alarga. Esse modo é adequado para aço inoxidável. A sangria é mais larga na parte superior e mais estreita na inferior; a maior amplitude no topo melhora a fluidez do fundido. Contudo, a parte inferior, mais estreita, exige maior fluxo de gás. A desfocagem negativa costuma ser usada com corte a ar ou a nitrogênio.
Foco zero — foco na superfície da chapa entrega o menor spot possível. Isso produz uma faixa de fusão relativamente estreita e sangria menor, sendo adequado para corte de alta precisão em materiais finos.

Compreender e controlar a posição do foco é crítico para otimizar as operações de corte a laser, pois afeta diretamente a intensidade do feixe na zona de corte, a largura da sangria e a qualidade geral do corte.

No gráfico de posição do foco (Z) versus largura superior da sangria (W): quando o foco está na superfície da chapa, a largura da sangria é mínima. Ao deslocar o foco (desfocagem positiva ou negativa), a largura da sangria aumenta.

O grau de alargamento da sangria depende da distância focal da lente do cabeçote e da profundidade de foco. Em geral, quanto menor a distância focal e a profundidade de foco, mais a largura da sangria varia com a posição do foco.

Quanto mais espesso o metal, mais alto o foco deve ser ajustado.

Lentes colimadora e de focalização

O ponto de foco é formado pelas lentes colimadora e de focalização. A lente colimadora capta o feixe rapidamente divergente que sai da fibra e o endireita; a lente de focalização então focaliza essa radiação sobre a superfície de trabalho.

Problemas com lentes

Em lasers de fibra, a colimadora e a lente de focalização raramente são fonte de problemas de foco. Os materiais para a chamada óptica laser "transmissiva" são conhecidos há tempos, e suas tecnologias de fabricação estão bem desenvolvidas. Ainda assim, um defeito ocasional das lentes de focalização é o efeito de lente térmica — desvio do foco devido ao aquecimento da óptica, ligado à dependência do coeficiente de absorção do material da lente em relação à temperatura. O efeito pode ser observado com lentes contaminadas ou danificadas; sempre compre lentes de fabricantes confiáveis. Antes de tirar conclusões sobre a óptica, faça a centragem do bico. O vidro de proteção é o primeiro a sofrer na perfuração.
Igualmente importante é a perpendicularidade do feixe que incide sobre a lente. Um feixe não perpendicular pode destruir o bico e gerar defeitos de borda.
O plano focal é, por definição, o plano em que o spot focalizado tem o menor tamanho.
O que acontece se a posição do plano focal na chapa for sub-ótima? No pior caso — escória e parada de corte. Com erro pequeno, o foco afeta o desvio das paredes da sangria em relação à vertical. A verificação é simples: meça as dimensões da peça na borda inferior e na borda superior. Naturalmente, no mesmo local da peça.
O que os operadores costumam fazer ao notar queda de qualidade da borda? Em geral, reduzem a velocidade de corte até obter qualidade aceitável. O resultado nem sempre é o desejado: a qualidade melhora, mas permanece sub-ótima, enquanto a produtividade cai pela velocidade menor.
A posição do foco é, na maioria das vezes, a causa principal da queda de qualidade — e é justamente o que os operadores esquecem. Quando verificam, frequentemente fazem refocagem com passos grandes demais, pulando o ótimo, ou de modo não sistemático — movendo a lente alta demais e depois baixa demais, perdendo a noção de onde a chapa cortada está dentro do feixe focalizado.

Algoritmo para encontrar a posição correta do foco

Encontrar a posição correta do foco não deve levar muito tempo. Siga um algoritmo simples:

Escolha um passo de refocagem. Nem grande demais (para não pular o ótimo) nem pequeno demais (para não perder tempo).
Corte 12 peças de teste. O ideal é um pequeno quadrado. Também é possível fazer apenas cortes retos na chapa.
Numere as peças ou linhas e anote ao lado a posição do foco usada em cada uma.
Inspecione o corte pelo lado da incidência do laser e por baixo e escolha o ajuste com a melhor aparência de linha ou borda — mínima zona afetada termicamente, sem gotas, sem escória.
Se a qualidade melhorou mas ainda não está ótima, fixe a posição de foco encontrada e execute procedimentos similares para cada parâmetro separadamente: distância bico–chapa, pressão do gás, velocidade de corte, potência do laser. A cada mudança de parâmetro, vá de um extremo ao outro em passos unitários. Assim você não se perde entre os muitos parâmetros a otimizar para o seu processo.

O conjunto de parâmetros tecnológicos encontrado não permanecerá igual para sempre. Se qualquer um deles mudar, será preciso revisitar os demais.

Influência do gás e do material no foco

A posição do foco pode mudar tanto ao trocar o material quanto ao trocar o gás. Lembre-se disso, por exemplo, ao migrar para oxigênio de pureza diferente — e, claro, ao alternar entre oxigênio e nitrogênio.

No corte com nitrogênio inerte, o foco deve ser aprofundado no material.
No corte com oxigênio quimicamente ativo, o foco deve estar sobre ou acima da superfície da chapa.

Diagnóstico pela borda

A inspeção atenta da borda diz muito sobre a posição do foco:

Escória com pontas afiadas — falta vazão de nitrogênio ou o foco está alto demais.
Escória com gotinhas — o foco está baixo demais.

Às vezes, deslocar o foco em 100–150 micrômetros salva a situação.

Tipos de lentes de focalização

Lentes de grande distância focal — adequadas para processar chapas espessas e peças com curvatura variável.
Lentes de distância focal média — melhores para materiais médios e finos.
Lentes de curta distância focal — melhores para gravação, produzindo imagens nítidas e limpas.

Opções de foco no cabeçote

1. Foco manual. O cabeçote possui um mecanismo de foco, geralmente um anel rotativo que pode ser girado para subir e descer a lente. Na primeira configuração ou após mudança de espessura e tipo de metal, é preciso ajustar manualmente a posição aproximada do foco.

2. Autofoco. Equipamentos de corte a laser de alto desempenho podem ter sistema de autofoco que ajusta automaticamente a posição do foco com base em valores predefinidos. Isso aumenta significativamente a produtividade e reduz erros humanos.

Cintura do feixe (beam waist)

Do diagrama de focalização para lentes com distâncias focais diferentes ficam claros dois fatos:

Quanto maior a distância focal, maior o spot em que a radiação se focaliza.
Quanto maior a distância focal, maior a cintura do feixe. A cintura do feixe é uma certa distância em torno do plano focal ao longo do eixo de propagação.

Recomendações adicionais

Mantenha lentes e espelhos limpos: limpe e inspecione regularmente os vidros, pois a contaminação afeta o foco.
Monitore o desgaste e o estado dos equipamentos.
Use tabelas de parâmetros de corte para a sua fonte laser (peça ao fornecedor) e verifique a distância focal das lentes no seu cabeçote.
Verifique se o seu zero real coincide com o zero do programa — use o método de localização da cintura do feixe.