Processos

Soldagem a laser – Fundamentos do processo

A matéria é uma associação de átomos, e como estes estão unidos em função de sua energia, a matéria é uma das formas de energia. Do mesmo modo, a radiação eletromagnética é outra forma de energia, sendo que os comprimento de onda entre 0.4 e 0.8mm ativam o sentido da visão, causando a sensação chamada luz. Esta sensação varia do vermelho ao violeta; assim, visualmente identifica-se o comprimento de uma onda pela cor.

matéria

Entre a matéria e a radiação eletromagnética pode ocorrer interação mútua, de forma que uma onda eletromagnética pode perturbar o campo, ou seja, a distribuição de cargas de um átomo. Esta interação porém, é função da probabilidade de os elétrons do átomo estarem em um estado energético superior ao de seu estado mínimo, quando então o átomo é chamado de átomo excitado.

Quando ocorre a interação energética, ocorre absorção de energia por parte do elétron do átomo, que com o aumento energético, passará de seu estado básico fundamental para um estado de maior energia. Este mecanismo é reversível; assim, quando o elétron regressar a seu estado básico fundamental, restituirá esta energia na forma de emissão de fóton.

estrutura atômica

A estrutura de um átomo no modelo proposto por Bohr é idêntica à estrutura do sistema solar. O núcleo do átomo seria o sol e os elétrons seriam os planetas ocupando as diferentes órbitas em torno do núcleo, conforme seu nível energético e de acordo com a probabilidade conhecida como “coeficiente de Einstein”. Os elétrons giram muito rapidamente, com velocidades da ordem de 106 m/s, e quando estão na temperatura de zero Kelvin, encontram-se em seu nível energético mais baixo. A grandeza média de sua órbita é de 10 ,0m ou 1Á (1 Angstrom), e sua massa em repouso é de 9.3′31 Kg, que vem a ser 1840 vezes menor que a massa de cada componente do núcleo (prótons e nêutrons).

A absorção de radiação é uma característica intrínseca do átomo ou seja, é uma propriedade que o define. Alguns sofisticados testes de análise química do material partem deste princípio.

excitação

Quando uma certa energia é aplicada no átomo, seja por aquecimento, descarga elétrica, radiação luminosa, reação química ou outra forma qualquer, aumenta-se seu nível energético e consequentemente os elétrons passam a girar em órbitas mais externas. A este processo chama-se excitação, que é a base para o funcionamento do laser. O acréscimo energético causado pela excitação acabará sendo liberado de alguma forma, pois o elétron sempre tende a voltar a seu nível energético original. Esta liberação energética pode acontecer através de colisões com outros elétrons ou mesmo átomos, ou ainda através da emissão de fótons. Matematicamente, esta emissão fotônica traduz-se pela expressão E = h . v , onde: E = energia do fóton; h = constante de Plank (6.624-34 J . s); v = frequência de radiação emitida correspondente à radiação energética.

constante de Plank é um valor que, multiplicado pela frequência de uma onda, fornece o valor de energia contida em cada pacote de energia (quantum) da onda

emissão espontânea

A emissão espontânea acontece quando os elétrons, após a liberação do fóton, voltam a níveis energéticos inferiores. O fóton tem uma probabilidade muito maior de ser absorvido por um elétron de baixo nível energético, o que caracteriza a emissão espontânea. O processo é muito semelhante ao decaimento de radioisótopos, porém em um tempo muito menor (fração de segundo).

emissão estimulada

Emissão estimulada é o nome dado à emissão fotônica criada sob determinadas condições. A emissão estimulada ocorre quando um átomo excitado recebe o impacto de um fóton, que pode ser proveniente de emissão espontânea, e que causará a emissão de outro. Percebe-se, pois, que um único fóton pode estimular a emissão de mais de um, caracterizando com isto um ganho real. Porém, para que isto ocorra, é necessário haver mais elétrons excitados do que não excitados.

população de elétrons

Em condições normais, a população ou percentual de elétrons é inversamente proporcional à quantidade de energia; assim, quanto menor é a energia, maior é o número de elétrons existente em determinado nível de energia.

inversão de população

A inversão de população existe quando o número de elétrons numa faixa de baixa energia é maior do que numa faixa de energia mais alta. A inversão de população é necessária para a ocorrência da emissão estimulada.

Nessa condição, o fóton tem grande probabilidade de ser absorvido por elétrons do alto nível energético que liberarão outros fótons. Entretanto, a radiação na forma de fótons é emitida de modo desorientado e policromático, ou seja, sem direções particularmente privilegiadas e sem que o feixe apresente um comprimento de onda definido.

Para utilizar a radiação de forma otimizada, é necessário definir o comprimento de onda e a direção de propagação do feixe. Basicamente, este é todo o esquema de funcionamento de um laser, ou seja, um dispositivo com condições de produzir emissão estimulada de fótons e formas de direcionar e calibrar o feixe de fótons produzidos.

Tipos de feixe laser

Os feixes laser podem ser construídos a partir de duas fontes: laser de corpo sólido, em que se utilizam cristal de rubi e ítrio-alumínio-granada, conhecido como YAG, e laser gasoso, em que se utiliza dióxído de carbono (C02).

laser de corpo sólido

Uma montagem simples de laser de corpo sólido é como um cristal envolvido por uma lâmpada de flash, com extremidades da cavidade plano-paralelas metalizadas, sendo uma superfície refletora e outra parcialmente transparente. Forma-se então o ressonador óptico.

cristal de rubi

O cristal de rubi consiste de uma estrutura básica de Al203 , na qual alguns átomos de alumínio são substituídos, em uma percentagem aproximada de 0,05, por íons de cromo. Se o cristal de rubi receber energia em forma de radiação eletromagnética (luz visível), os elétrons ocuparão um nível mais alto de energia; interrompido o estímulo, os elétrons ocuparão um nível de energia metaestável, isto é, um nível intermediário de estabilidade. A geração do feixe laser propriamente dito ocorre então deste nível de energia para o nível básico, liberando luz coerente. O raio de luz surgido desta forma é concentrado numa superfície muito pequena por apenas uma lente e serve como fonte de energia. O laser de rubi tem um grau de rendimento de aproximadamente 0,1%.

YAG

O laser YAG de ítrio-alumínio-granada é mais apropriado para soldagem. Seu grau de rendimento está entre 0,2% a 3%.

laser gasoso

O laser gasoso, que utiliza CO?, é chamado de laser de alta potência e largamente empregado para soldagem e corte. O ressonador óptico, neste caso, consiste de um tubo de descarga de gás pelo qual passa o gás de laser, aqui uma mistura de dióxido de carbono, nitrogênio molecular e hélio. Nesta mistura gasosa é aplicada uma tensão contínua da ordem de dezenas de kV.

O laser gasoso tem uma pressão de operação de aproximadamente 100 milibares. O calor de perda que surge na descarga elétrica deve ser eliminado, pois o laser só trabalha de modo eficiente com uma temperatura abaixo de 200°C. O dióxido de carbono é estimulado por meio de descarga luminosa elétrica; nesse arranjo, o raio laser tem uma potência de até 700W/m de comprimento de ressonador. O tubo ressonador de construção compacta é dobrado em várias partes, para que se possam obter altas potências.

O laser de C02 trabalha em operação contínua ou pulsada. Devido a potência alta e bom grau de rendimento, pode ser usado para soldar chapas mais espessas; no caso de aço, chega-se a soldar até 38,0mm com um laser de 45KW. Um quadro mostra as características dos diferentes tipos de laser de CO2.

  

 Link Relacionado:

Soldagem – Coleção tecnológica SENAI – 1ª ed. 1997

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