- O que é perfuração a laser?
- Quais são as aplicações da perfuração a laser?
- Como funciona o processo de perfuração a laser?
- O que são lasers Nd: YAG?
- Como funciona a expulsão do derretimento?
- Quais são os fatores que afetam a frente de vapor fundido e a energia do laser absorção?
O que é perfuração?
Perfuração refere-se a um método de corte usado para produzir um furo com seção transversal redonda em sólidos. A broca padrão é geralmente uma ferramenta de corte rotativa feita de metais resistentes. Como alternativa à técnica de perfuração padrão usando a broca, diferentes metodologias avançadas foram inventadas hoje em dia para atender às demandas industriais.
O que é perfuração a laser?
A perfuração a laser refere-se ao método de formação de furos passantes, também conhecidos como furos “perfurados por percussão” ou furos “estourados” usando lasers. Isto é obtido focando repetidamente um feixe de laser pulsado de alta potência em um material como metal, liga, etc.
Os furos gerados por este processo podem ter um diâmetro tão pequeno quanto 0.002 polegadas ou 50 micrômetros. O diâmetro dos furos pode ser aumentado de acordo com a necessidade, movendo o laser ao redor da circunferência do furo perfurado por percussão. Este método é denominado “trepanação”.
Aplicações de perfuração a laser:
- A perfuração a laser é uma técnica capaz de produzir furos de alta proporção ou furos com uma relação profundidade-diâmetro muito superior a 10:1.
- Furos de alta proporção perfurados com a ajuda de lasers são usados para diversos usos, como furos de resfriamento de motores de turbinas aeroespaciais, galeria de óleo de alguns blocos de motores, microvias de placas de circuito impresso e componentes de fusão a laser.
- Os fabricantes de motores de turbina para geração de energia e propulsão de aeronaves preferem fortemente o uso de lasers para perfurar pequenos orifícios cilíndricos (com um diâmetro de 0.3-1 mm, geralmente) na superfície de chapas de metal, fundidos e componentes usinados a uma temperatura de 15 90 °. A perfuração a laser pode produzir orifícios em ângulos muito rasos em relação à superfície do material, com uma taxa de 0.3 a 3 orifícios por segundo. Isso permitiu a formação de novos designs, incluindo orifícios de resfriamento de filme para reduzir o ruído, aumentar a eficiência do combustível e reduzir as emissões de CO e NOx.
- Desenvolvimentos no processo de uso de laser e tecnologias de controle levaram a um aumento considerável no número de furos de resfriamento presentes em motores de turbina. O aumento do uso de furos a laser depende de vários parâmetros, como qualidade do furo e velocidade de perfuração.
Como funciona o processo de perfuração a laser?
Furos cilíndricos são perfurados com lasers geralmente pelo processo de vaporização ou ablação e fusão do material fornecido. Isso ocorre devido à absorção de energia fornecida por um feixe de laser focalizado. A fusão de um material requer um suprimento de energia de aproximadamente 25% do necessário para vaporizar o volume igual do material. Por esta razão, o processo de fusão é frequentemente preferido ao processo de vaporização.
Para perfuração a laser, tanto a fusão quanto a vaporização podem ser usadas, dependendo de vários fatores. A duração do pulso de laser e a energia são fatores determinantes importantes. A vaporização ou ablação é preferida quando um laser Nd: YAG Q-comutado é usado para perfuração a laser. Quando um tubo flash Nd: YAG laser bombeado é utilizado, o processo de expulsão do material fundido que cria um orifício através da fusão do material é favorecido.
Geralmente, um laser Nd:YAG Q-switched vem com
- Uma taxa de remoção de material de alguns micrômetros/pulso,
- Potência de pico na faixa de dez a centenas de MW/cm2.
- Uma duração de pulso na faixa de alguns nanossegundos,
Por outro lado, um laser Nd:YAG bombeado por flash geralmente vem com
- Uma duração de pulso na faixa de centenas de microssegundos a alguns milissegundos,
- Potência de pico na faixa de sub MW/cm2.
- Uma taxa de remoção de material de dez a centenas de micrômetros/pulso.
A ablação e a expulsão do fundido podem existir simultaneamente para processos de usinagem por cada laser. A expulsão do fundido ocorre devido ao rápido aumento de pressão gasosa ou força de recuo dentro de uma cavidade formada por evaporação. Uma camada fundida deve ser gerada e os gradientes de pressão que afetam a superfície devido à vaporização devem ser grandes o suficiente para cruzar as barreiras de força de tensão superficial e ejetar o material fundido do orifício, para que ocorra a expulsão do fundido.
Tanto a expulsão do material fundido fino quanto o grosso podem ser fornecidas por um único sistema, conhecido como o “melhor dos dois mundos”. A expulsão do fundido fino forma características do material com grande definição de parede e pequenas zonas afetadas pelo calor. Considerando que, a expulsão do fundido grosso é capaz de remover materiais rapidamente sem muita precisão de qualidade e é usada em trepanação e perfuração por percussão.
A temperatura máxima influencia fortemente a função da força de recuo. A tensão superficial e as forças de recuo são iguais quando o valor de TCr é igual à temperatura crítica em caso de expulsão de líquido. Por exemplo, a expulsão de líquido do titânio pode ocorrer quando a temperatura excede 3780K no centro do furo.
O que são lasers Nd: YAG?
Nd: YAG (granada de alumínio de ítrio dopado com neodímio) é um cristal médio de laser usado comumente em lasers de estado sólido. Os átomos de neodímio Nd(III) são triplamente ionizados e atuam como dopantes. O íon dopante Nd(III) substitui cerca de 1% dos íons ítrio na estrutura cristalina da granada ítrio-alumínio (YAG). Isso é possível porque os dois íons são comparáveis em termos de tamanho. Semelhante aos íons de cromo vermelho em um laser de rubi, o íon neodímio Nd(III) é responsável por fornecer a ação do laser no Nd: laser YAG.
Como funciona a expulsão do derretimento?
A expulsão da fusão e o fluxo da camada de fusão são obtidas usando as equações hidrodinâmicas após encontrar a pressão de vapor. Quando a pressão de vapor é fornecida à superfície livre do líquido, ocorre a expulsão do fundido. Isso afasta o material derretido na direção radial. Para obter a expulsão do material fundido muito fino, o padrão do fluxo do material fundido, especialmente a velocidade do fluxo do material fundido na borda do furo, precisa ser calculado com precisão.
Quais são os fatores que afetam a frente de vapor fundido e a absorção de energia do laser?
O coeficiente de absorção de energia do laser depende principalmente de:
• Comprimento de onda do laser utilizado.
• Tipo e composição do material alvo.
Quando a intensidade do laser é alta e a duração do pulso é curta, as variáveis de estado (incluindo a taxa de ablação) do material na frente de vapor fundido sofrem mudanças descontínuas através das camadas do material.
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