Laser de CO2 vs. Corte a Laser de Fibra: Análise do Processo e Custo

1. Visão Geral
Atualmente, os principais tipos de lasers usados em cortando aplicações são lasers de CO2 e lasers de fibra. Um laser de CO2 é gerado pela excitação do gás CO2 sob alta frequência e alta pressão, produzindo um laser com comprimento de onda de 10.6μm. O feixe é direcionado e focado por meio de espelhos ressonantes e refletores de cobre para realizar o corte.
Lasers de fibra utilizam múltiplos diodos pump multimodo dispostos em paralelo como o fonte de Laser , gerando um laser também em 10.6μm. O feixe é então acoplado em um único fibra através da sintonia do ressonador, resultando em um laser de alta potência.

2. Comparação entre Corte a Laser de CO2 e Cortes a laser de fibras Processos

(1) Comparação de Estrutura de Laser
Os geradores de laser a CO2 são grandes e utilizam o ar como meio de transmissão. O laser viaja em linha reta por meio de refletores, o que causa uma atenuação rápida do feixe e perda significativa de energia. A eficiência de conversão óptico-elétrica é baixa, apenas cerca de 10%, conforme mostrado na Figura 1.

Lasers de fibra usa múltiplos conjuntos de diodos de bombeamento multimodo em paralelo. O laser é transmitido por fibras ópticas, confinado dentro da fibra, e viaja em um caminho "curvado". Este método não é afetado pelo ambiente externo e oferece uma alta eficiência de conversão óptico-elétrica—mais de 25%, conforme mostrado na Figura 2.

Figura 1 Laser a CO2
1. gerador de laser 2. unidade de condução refletora 3. trajeto óptico 4, 5, 6. refletor angular 7. lente de focagem

Figura 2 Laser de fibra
1. fonte de laser 2. cavidade ressonante 3. sistema de resfriamento 4. trajeto óptico

(2) Comparação de Materiais para Corte
Lasers a CO2 podem cortar aço carbono, aço inoxidável, liga de alumínio e materiais não metálicos, mas não podem cortar cobre o cobre é altamente reflexivo à comprimento de onda de 10,6 μm e reflete a maior parte do feixe sem absorvê-lo, o que pode causar danos à fonte do laser devido à reflexão retroativa.

Lasers de fibra podem cortar aço carbono, aço inoxidável, liga de alumínio e cobre , mas não conseguem cortar materiais não metálicos , como madeira, plástico e couro. Eles também não conseguem cortar materiais com revestimentos na superfície, como aço inoxidável laminado ou placas de aço especial anticorrosivo.

(3) Comparação de Desempenho de Corte
A eficiência de corte inclui velocidade de corte, desempenho de perfuração e qualidade das bordas, que são indicadores-chave na avaliação de máquinas de corte a laser.

Os lasers de fibra se destacam no corte de chapas finas, especialmente aquelas com menos de 3 mm de espessura, onde podem ser até 4 vezes mais rápidos que lasers de CO2. A 6mm de espessura, ambos os lasers performam de forma semelhante, marcando o limite onde suas vantagens se alteram. Para materiais mais grossos que 6mm, lasers de CO2 começam a mostrar uma vantagem, embora a diferença não seja drástica. (Veja Figura 3 para velocidades de corte em diversos materiais.)

Antes de iniciar o corte, o laser deve primeiro perfurar o material. Lasers de fibra geralmente têm tempos de perfuração mais longos em comparação com lasers de CO2. Por exemplo, com um laser de 3kW cortando aço carbono de 8mm, um laser de CO2 é cerca de 1 segundo mais rápido por buraco, e 2 segundos mais rápido para 10mm. Com mais de 2000 perfurações por dia, isso resulta em uma diferença de tempo de 6000 segundos, ou aproximadamente 1,7 horas por dia.

A qualidade da borda é geralmente avaliada com base na aspereza e na verticalidade. Para chapas de aço inferiores a 3mm, os cortes a laser de fibra têm uma qualidade de borda ligeiramente inferior aos cortes a laser de CO2. À medida que o espessura aumenta, a diferença torna-se mais perceptível. Para chapas de aço inoxidável de 3mm ou mais, as bordas cortadas a laser de fibra parecem mate, enquanto os cortes a laser de CO2 são brilhantes. Para aço carbono de 16mm, a verticalidade da borda do corte a laser de fibra varia entre 0,4–0,5mm, enquanto o laser de CO2 alcança 0,1mm.
Além disso, devido à baixa frequência e alta densidade de energia dos lasers de fibra, o corte de pequenos furos em aço carbono pode causar superaquecimento.

Um resumo comparativo dos processos de corte a laser de CO2 e de fibra é fornecido na Tabela 1.

Figura 3 Velocidade de corte de diferentes materiais

Tabela 1 Comparação dos parâmetros básicos de processo entre corte a laser de CO2 e de fibra

Tabela 2: Análise de Custos do Corte por Laser de CO₂ vs. Laser de Fibra

Nota: O custo de mão de obra, o custo de gestão e os fatores de lucro não foram considerados na análise de custo acima.

3. Análise de Custo de CO2 vs. Cortes a laser de fibras

Tomando como exemplo o corte de uma chapa de aço inoxidável de 5mm, é apresentada uma comparação de custos na Tabela 2.

Com base na tabela e assumindo 3860 horas de trabalho por ano:

• Corte a laser com CO2 : Custo operacional = ¥268,8/hora

• Cortes a laser de fibras : Custo operacional = ¥242,7/hora

Com velocidades de corte de 2,5 m/min (CO2) e 8,2 m/min (fibra):

• Custo por metro com CO2 = ¥1,79

• Custo por metro com laser de fibra = ¥0.48

4. Resumo e Recomendações

Ambos CO2 e cortes a laser de fibras tecnologias têm suas próprias aplicações adequadas.
Lasers CO2 podem cortar aço carbono, aço inoxidável e liga de alumínio, bem como semicondutores, não metais e materiais compostos , dando-lhes uma faixa de aplicação mais ampla.
Lasers de fibra podem cortar aço carbono, aço inoxidável, liga de alumínio e cobre —que lasers CO2 não podem—mas eles não podem cortar materiais não metálicos .

Em termos de custo de corte, lasers de fibra são significativamente mais econômicos do que lasers de CO2.

Recomendações para seleção de laser:

1. Para materiais ≤ 4mm de espessura : Escolha lasers de fibra por sua maior velocidade e eficiência - melhor valor geral.

2. Para materiais ≥ 8mm de espessura : Escolha lasers de CO2 pelo melhor desempenho de perfuração e qualidade de borda - especialmente quando lasers de fibra não oferecem mais uma vantagem clara de velocidade.

3. Para cobre ou aço inoxidável com acabamento espelhado : Escolha lasers de fibra.
   Para semicondutores, não metais ou materiais compostos : Escolha lasers de CO2.