The Role of Assist Gas in Metal Laser Cutting

Loading…

Princípio de funcionamento do gás de assistência

O feixe laser é focalizado sobre a linha de corte e penetra no metal — começa com uma furação (pierce) e depois prossegue para o contorno, por ação térmica. Simultaneamente, um gás de assistência (gás de processo) é direcionado coaxialmente à zona de corte. Ele expulsa o material fundido do kerf. Dependendo do gás escolhido, ele pode reagir com o metal ou resfriá-lo. Parte do metal é vaporizada.

Durante o corte, sob a ação do feixe laser, o material da zona de corte se funde, inflama, vaporiza ou é expulso pelo jato de gás.

Pureza do gás

Um gás limpo (de alta pureza) influencia a qualidade da borda e a velocidade de corte para a mesma potência. Com gás de baixa qualidade, o metal não será cortado adequadamente na velocidade padrão — podem aparecer escória, oxidação e descoloração em aços de alta liga.

A pureza é normalmente expressa como o percentual da molécula principal. Para nitrogênio, oxigênio e argônio, a pureza típica é de 99 % mais algumas casas decimais — quanto mais "9" após a vírgula, maior a pureza. Quanto mais espesso o metal, maior deve ser a pureza.

Empresas industriais usam oxigênio técnico com pureza de 99,5 % ou 99,7 %. Não vale a pena buscar gás ultrapuro com muitos "9" — 99,99 % é suficiente.

A escolha do gás depende do tipo de material, da espessura da chapa e das operações posteriores. Com nitrogênio, a pureza nem sempre é prioridade; com oxigênio, os resultados dependem diretamente da pureza.

Fatores que influenciam o consumo de gás

No corte de metal com laser de fibra, o consumo de gás depende de:

tipo de gás utilizado;
pressão;
espessura do material;
bocal (nozzle).

Tipos de gás para corte a laser

Ar comprimido (mistura gasosa);
Oxigênio (gás ativo);
Nitrogênio (gás condicionalmente inerte);
Argônio e Hélio (gases verdadeiramente inertes);
Dióxido de carbono liquefeito (gás ativo).

Código de cores dos cilindros

Dióxido de carbono — cilindro preto com letras amarelas;
Oxigênio — cilindro azul;
Nitrogênio — cilindro preto com faixa marrom;
Argônio — cilindro preto com faixa branca;
Hélio — marrom;
Ar comprimido — cilindro preto com letras brancas.

Formas de armazenamento do gás

Cilindros de 40 ou 70 L — não é a opção ideal: precisam ser trocados com frequência.
Bateria de cilindros (manifold) — cilindros interligados por mangueiras. Duram mais tempo, mas o reabastecimento e o transporte são complicados e ocupam muito espaço.
Tanque criogênico (gaseificador) — recipiente de grande capacidade que armazena o gás liquefeito. Opção preferível: gás mais puro e consumo menor.
Centrais de gás (geradores) — produzem gás no local; usadas em grandes plantas.

Gases ativos e inertes

Gases ativos. O dióxido de carbono protege o metal do contato com o oxigênio, enquanto o oxigênio é usado como componente oxidante: reage com o metal e forma óxidos. Como a superfície de praticamente todos os metais e ligas é coberta por uma fina camada de óxido, o gás participa de uma reação exotérmica — adequado para corte de aço carbono.

Gases inertes têm reatividade praticamente nula e não entram em reação exotérmica. Isso evita a oxidação e protege a borda e a microestrutura dos aços de alta liga contra corrosão e danos estruturais.

Funções do gás de assistência

Remoção do material fundido da zona de corte — função principal.
Resfriamento da borda do corte. Uma das principais vantagens do corte a laser em relação a outros métodos é a ausência de deformação térmica. Apenas a zona de corte aquece fortemente; o restante não se aquece o suficiente para se deformar. O resfriamento pelo jato de gás contribui muito para isso.
Supressão do plasma. O jato de gás na zona de corte impede a formação de um foco de plasma que alteraria o processo de forma imprevisível.
Proteção da óptica. Bem direcionado, o gás protege a óptica do laser contra metal fundido e vapores que poderiam danificá-la.
Função reacional — depende do gás escolhido:
- um gás ativo entra em reação exotérmica e torna o corte mais rápido e eficiente;
- um gás inerte isola a zona de corte dos gases reativos do ar e impede que as bordas reajam.

Ar comprimido (Air)

Componentes constantes do ar: oxigênio — 21 %, nitrogênio — 78 %, gases inertes (principalmente argônio) — 0,94 %; componentes variáveis: dióxido de carbono — 0,03 %, mais impurezas (vapor d'água, poeira, óxidos de enxofre e nitrogênio, e outros gases).

Como o ar contém cerca de 78 % de nitrogênio, em princípio basta como gás de assistência para o corte de chapas finas (até 3 mm). Funciona melhor em ligas de alto carbono; aço de baixo carbono não deve reagir com as impurezas e o CO₂ do ar, portanto o nitrogênio é preferível. O ar deve ser corretamente seco e filtrado.

Em geral, com ar comprimido cortam-se aço preto, aço galvanizado, latão e alumínio.

Cortes feitos com ar comprimido são de qualidade média, no melhor caso. O ar contém cerca de 75 % de nitrogênio e 25 % de oxigênio (em volume), e o oxigênio pode oxidar o material, comprometendo a borda. Por outro lado, o ar combina o efeito de "queima" do oxigênio com a velocidade do nitrogênio — pega o melhor dos dois mundos, em certo sentido. Porém, fica um leve tom amarelado no corte devido ao oxigênio. Se houver muito pós-processamento, o ar comprimido não é recomendado.

Embora seja a opção mais econômica, o ar comprimido apresenta problemas sérios.

O ar atmosférico é fornecido por um compressor que mantém a pressão necessária na linha. É indispensável um sistema de tratamento eficiente.

Resíduos de óleo e gotículas de água se depositam no vidro de proteção do cabeçote laser, reduzindo a transparência. A transmitância cai rapidamente e o vidro precisa ser substituído. O ar carrega umidade e óleo dos compressores — isso contamina o ar, danifica a lente protetora e, na pior das hipóteses, o cabeçote. Toda a linha de ar fica contaminada. Filtragem rigorosa, sem concessões, é obrigatória.

O que acontece com o aço inoxidável quando cortado com ar

O aço inoxidável é resistente e estável em ambientes agressivos. Diferente do aço preto, não corrói facilmente em contato com ar e umidade — pelo menos dentro do que cada grau específico permite. Isso é alcançado com elementos de liga, sendo o principal o cromo.

O problema do cromo é que ele reage facilmente com o CO₂ sempre presente no ar atmosférico. Teoricamente a reação também ocorre em condições normais, mas a taxa é tão baixa que não há mudanças perceptíveis em uma vida humana. Já em estado incandescente, no corte a laser, o cromo reage com o CO₂ instantaneamente.

Consequências:

Os grãos de carboneto de cromo formados reduzem a resistência da peça — na matriz metálica homogênea aparecem inclusões que não sustentam as ligações metálicas. Surgem muitos pontos fracos.
O cromo assim ligado deixa de cumprir sua função de elemento de liga. Um inox de qualidade passa a se comportar como se metade do cromo tivesse desaparecido — enferruja onde não deveria.

Se você cortar titânio ao ar atmosférico, o material será arruinado — o ar precisa ser substituído por argônio puro.

Oxigênio (O₂)

O oxigênio é um gás quimicamente ativo que entra em reações exotérmicas de oxidação do ferro. Atua como catalisador, adicionando quase 40 % de energia à zona de corte. Formam-se óxidos de baixa viscosidade. O oxigênio acelera a oxidação: primeiro oxida o material fundido, depois remove os resíduos.

O corte com oxigênio baseia-se na capacidade do metal de queimar em um jato de oxigênio tecnicamente puro, depois de aquecido próximo à temperatura de fusão do aço. Compõe-se de:

aquecimento do metal até a temperatura de ignição no jato de oxigênio;
queima do metal;
expulsão de óxidos e partículas fundidas pelo jato de oxigênio.

A temperatura de pré-aquecimento no início do corte depende da massa (espessura) e principalmente da composição do metal: mais massa e mais elementos de liga exigem temperatura mais alta. A intensidade da oxidação cresce com a pureza do oxigênio e com a temperatura. A expulsão dos óxidos (escória) começa simultaneamente à oxidação do metal.

Assim, o oxigênio não apenas expulsa o material fundido — junto com a radiação laser, participa da fusão e do escoamento do metal para fora da zona aquecida pelo laser. Por isso, ao cortar com oxigênio, é preciso atenção ao ajuste de pressão e à escolha de potência, velocidade e foco.

Para aços finos (até 3 mm) podem ser usados tanto oxigênio quanto nitrogênio. Com oxigênio em material fino a potência precisa ser menor que com nitrogênio para evitar queima da borda, mas a velocidade também cai.

O corte de metais finos com oxigênio a 99,5 % tem velocidade e qualidade próximas do ar comprimido, e para chapas grossas (acima de 10 mm) essa pureza não é adequada.

Como o oxigênio é um gás ativo, é usado em pressões mais baixas que o nitrogênio ou o ar, reduzindo o consumo. É preciso controle preciso da pressão: após a furação, a pressão deve ser elevada — caso contrário, ocorrem respingos. A pressão típica com oxigênio não passa de 1 bar, enquanto com nitrogênio chega até cerca de 20 bar. O oxigênio é mais econômico que o nitrogênio.

O oxigênio é normalmente usado para aços de baixa e média liga, exceto peças cuja borda será pintada depois. A distância focal é menor com oxigênio, e o foco normalmente deve ficar na superfície superior do aço.

Curiosamente, com oxigênio — ao contrário do nitrogênio — à medida que a espessura aumenta, a pressão deve ser reduzida, não aumentada, para evitar reações exotérmicas descontroladas que estragariam o corte e toda a peça. Para aço acima de 12 mm, geralmente bastam até 1 bar de oxigênio. O outro lado dessa baixa pressão: pequenas variações afetam visivelmente a uniformidade do corte — exigem reguladores confiáveis.

O corte com oxigênio tem suas desvantagens: o oxidante atua também sobre as bordas, o que é muito indesejável. Com parâmetros bem calibrados, esse efeito pode ser mitigado em aço carbono e baixa liga. Em aço inoxidável é muito mais difícil controlar. Sob alta temperatura e excesso de oxigênio, o metal da borda oxida e queima — a perfuração indesejada (burn-through) é provável. O metal perde sua principal propriedade: resistência à corrosão. Ou seja, cortar inox em atmosfera de oxigênio não entrega qualidade e transforma a borda de "inoxidável" em "enferrujável".

O corte com oxigênio em alumínio dá borda áspera. Se bordas irregulares e camada de óxido na borda não são críticas (serão um problema em pintura a pó de bordas), o oxigênio é aceitável.

Para perfuração e corte de cobre, costuma-se usar oxigênio em alta pressão.

O que o oxigênio faz ao cortar alumínio? Estraga a marca registrada do laser — bordas limpas e retas. O alumínio cortado com oxigênio sai irregular e com rebarbas. Antes se cortava alumínio com oxigênio mesmo assim por falta de potência, e depois usinava-se a borda. Isso tornava a produção mais lenta e cara. Hoje, com fontes potentes, basta nitrogênio para corte limpo de primeira.

Nitrogênio (N₂)

Este gás é considerado condicionalmente inerte. Para corte a laser, pode-se usar nitrogênio com pureza a partir de 99,5 %. Nitrogênio e demais gases inertes não causam reações exotérmicas. É "condicionalmente" inerte porque a ligação tripla da molécula N₂ é difícil de romper — o nitrogênio reluta em reagir. Mas, em princípio, suas moléculas podem reagir. Com o titânio isso é crítico — formam-se nitretos de titânio que prejudicam a resistência do material assim como os carbonetos de cromo prejudicam o inox.

Por isso o titânio é cortado com argônio — um gás verdadeiramente inerte, cujos átomos são "autossuficientes" e não reagem.

O nitrogênio compõe mais de 70 % do ar, o que facilita sua obtenção. Diferente do argônio, ele se combina com outras substâncias e participa de reações químicas. É considerado inerte porque não é oxidante: em atmosfera de nitrogênio não há combustão nem formação de plasma.

Com nitrogênio cortam-se principalmente: aço inoxidável, aço de alta liga, níquel, alumínio. O nitrogênio também processa aços ferrosos, mas com produtividade bem menor que o oxigênio. Sem propriedades de inox para preservar, a oxidação causada pelo oxigênio pode ser desconsiderada.

Existem materiais que não se cortam bem com nitrogênio, muito menos com oxigênio — um deles é o titânio. Falta inércia ao nitrogênio: ele reage com o titânio, e o material começa a se desfazer, mudando propriedades e estrutura. Aqui é necessário um gás mais neutro — o argônio, que não interage com nenhum material.

Vantagens do corte de inox com nitrogênio:

ausência de alteração da estrutura e composição química do inox na região do corte;
possibilidade de cortar e perfurar furos de alta qualidade em chapa fina;
precisão excelente sem deformação térmica ou mecânica — as peças seguem para a montagem sem usinagem adicional.

Por que se usa nitrogênio:

Aço inoxidável. Mesmo um pouco de oxigênio em alta temperatura oxida a borda e destrói as propriedades anticorrosivas. Em atmosfera de nitrogênio, a película de óxido passivada com cromo permanece intacta, preservando as propriedades do inox.
Superfícies galvanizadas, incluindo zincadas. O corte com nitrogênio preserva a camada protetora.
Superfícies pintadas. O nitrogênio como gás de assistência evita escória e reduz a necessidade de acabamento posterior.
Bordas destinadas à pintura. O nitrogênio impede a formação de óxidos na borda, que prejudicariam a aderência da pintura a pó.
Alumínio e metais não ferrosos. O oxigênio não aumenta a velocidade de corte nestes materiais, e a qualidade é maior em atmosfera de nitrogênio.

Para latão, nitrogênio é o gás de assistência adequado.

Se você planeja cortar aços finos e prioriza velocidade e qualidade, sem se importar com o custo maior do gás — escolha nitrogênio.

Com nitrogênio, o foco do laser deve ficar mais próximo da superfície inferior da chapa. O kerf resultante é mais largo e recebe mais nitrogênio comprimido. Normalmente usam-se bocais de 1,5 mm ou mais.

Argônio (Ar) e Hélio (He)

Gases verdadeiramente inertes — argônio e hélio — não só não oxidam como também não reagem de modo algum com o material fundido. E expulsam da zona de corte quaisquer gases que poderiam reagir.

Para a maioria dos metais, isso não é necessário. Não há problema se o alumínio puder reagir com nitrogênio. Mas, para o titânio, por exemplo, importa.

Lembrando: o titânio é, com razão, um dos materiais mais difíceis de processar. É um pouco mais duro que o inox, então não se corta titânio na mesma espessura que o inox. Curiosamente, o titânio é quase 40 % mais leve que o aço inoxidável.

No corte de titânio em outros gases podem surgir não só óxidos indesejados que prejudicam a borda, como também compostos titânio-nitrogênio extremamente frágeis — não podem estar presentes. Então não se corta titânio em nitrogênio; só em gases verdadeiramente inertes. Gases inertes também são usados com frequência em inox e alumínio — evitam oxidação e garantem superfície de corte limpa e lisa. Porém, esses gases custam muito mais que o nitrogênio e são usados apenas quando realmente necessários.

Argônio:

conteúdo no ar: 0,9 % em volume e 1,3 % em massa;
densidade em condições normais: 1,78 kg/m³;
ponto de ebulição: −186 °C.

O argônio é um gás inerte que não reage com a maioria dos metais nem entra em reações químicas. Uma das vantagens do corte com argônio é a ausência de oxidação na superfície resultante. O argônio entrega alta pureza e precisão de corte, bordas lisas e uniformes — especialmente importante em chapas finas.

Argônio e hélio são raramente usados no corte com laser de fibra. O argônio tem maior capacidade térmica específica — pode absorver calor da zona de corte. Isso pode causar endurecimento local e resfriamento rápido na zona do corte, podendo danificar o material. Por isso é usado apenas como alternativa para metais que possam reagir com nitrogênio.

O corte com argônio processa metais de várias espessuras e composições — inox, alumínio, ligas metálicas, etc. Mas o alto custo, o consumo e o risco de dano ao material tornam o argônio um gás específico e raro no corte a laser.

Hélio. Tem o menor ponto de ebulição de todas as substâncias conhecidas. É não combustível, não tóxico e não explosivo. O hélio tem condutividade térmica maior que o argônio, o que permite aumentar a velocidade e reduzir o aporte de calor ao metal. Usado com frequência em corte de metais finos onde se exige alta precisão.

Dióxido de carbono liquefeito (gás ativo)

No corte a laser — no nosso caso, em máquinas de fibra óptica — o CO₂ como gás de trabalho é raro, embora reaja fracamente com o metal sem oxidá-lo. O CO₂ é mais pesado que o ar e, por isso, isola com segurança o metal fundido do contato atmosférico. Funciona como alternativa quando não há compressor: mais barato que nitrogênio, mas mais caro que oxigênio. Adequado para inox, com qualidade claramente inferior à do nitrogênio. Comprime mal — cabe menos gás no cilindro.

É usado apenas em casos extremos e não é recomendado por nenhum fabricante de equipamentos laser.

Por que cortar latão e cobre a laser é tão difícil

A baixa absorção da radiação laser infravermelha dificulta o corte desses metais.
Cobre e latão (liga cobre-zinco) são bons refletores — e, portanto, péssimos absorvedores — da luz laser infravermelha (IR), especialmente no estado sólido.
O cobre puro sólido reflete > 95 % da radiação IR próxima (comprimento de onda ~1 µm).
A refletividade do cobre e de outros metais reflexivos diminui com o aquecimento e cai drasticamente na fusão (por exemplo, para < 70 % no cobre fundido). No estado fundido, esses metais absorvem significativamente mais energia laser.

Devido à alta propensão à oxidação de metais como bronze, latão e alumínio, o corte deve ser feito com gases inertes. Os gases inertes criam, na zona de corte, uma atmosfera sem oxigênio, evitando a oxidação rápida. O corte de alumínio, cobre ou bronze em atmosfera de oxigênio gera bordas irregulares e com rebarba, exigindo acabamento mecânico.

Na prática, o nitrogênio é o mais usado em produção. É a escolha mais econômica e geralmente entrega a qualidade necessária.

Fatores a considerar no planejamento do fornecimento de gás

Tipo e espessura dos materiais (dielétricos, metais, quais metais);
existência e quantidade de picos de consumo e demanda nos picos;
consumo médio mensal;
pressão de trabalho prevista no ponto de uso (cabeçote de corte);
diâmetro do bocal;
queda de pressão em pico entre a fonte de gás (tanque criogênico ou manifold) e o ponto de uso;
volume mínimo residual no tanque criogênico para operação segura e contínua;
frequência de entrega ao longo do mês;
crescimento esperado da produção e da demanda de gás.