LASER

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O corte a laser: da teoria à máquina (tutorial)
Conference Paper · November 1997
DOI: 10.13140/RG.2.1.1475.3368
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Ed Gerck
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O CORTE A LASER: DA TEORIA À MÁQUINA
Edgardo Gerck - LASERTECH1S/A - DEF/FEM/UNICAMP2
Jorge L. Lima - Lasercam1- DEF/FEM/UNICAMP
Resumo
Este tutorial apresenta as propriedades gerais dos sistemas de corte a laser, com
ênfase no laser de CO2. São discutidos as fontes de laser, os tipos de laser
existentes (destacando o laser de CO2), uma síntese da teoria sobre as
propriedades de propagação e focalização de feixes laser, aspectos de segurança,
uma referência sobre as aplicações correntes do laser, a teoria de aplicação de
corte a laser de materiais, com ênfase em corte de metais ferrosos, os sistemas de
corte a laser com superpulso e um exemplo real de um sistema laser de corte.
1 - Fontes de Laser
A base teórica para o descobrimento do laser foram as pesquisas realizadas nos campos
da física quântica e da óptica a partir do final do século XIX, notadamente a descoberta do
processo de emissão estimulada de radiação por A. Einstein [1]. A primeira emissão laser foi
conseguida em laboratório por T. H. Maiman [2], com um laser de rubi, em julho de 1960 nos
laboratórios Bell, nos E.U.A.. 
O acrônimo L.A.S.E.R. é derivado da expressão Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation. Utilizado neste sentido, o termo Light (luz) refere-se à radiação
eletromagnética compreendida em toda faixa do espectro, do ultravioleta (UV) até o
infravermelho (IV), o que está relacionado com comprimentos de onda de aproximadamente
0,1 até 1000 mm. Luz e radiação, neste contexto, são a mesma coisa. 
De acordo com Maiman [2], um exemplo que cria as condições necessárias para o
funcionamento de um laser é a ocorrência de uma transição quântica nos níveis energéticos
que compõem o meio laser (átomos, moléculas, íons, etc.) de um estado inicial para outro
energeticamente superior, aumentando a população dos níveis superiores. Este processo é
denominado ‘inversão de população’, pois, em condições de equilíbrio termodinâmico, os
níveis superiores possuem população menor do que os níveis inferiores, de acordo com a Lei
de Boltzman [3, 4, 5]. Com a inversão de população, cria-se a condição principal para a
1 C.P. 1201; C.E.P.: 13001-970, Campinas, SP - Brazil; Current email: ed@gerck.com
2 DEF/FEM/UNICAMP - Campinas, SP - Brazil; E-mail: jorge@laser.cps.softex.br
© Copyright by the authors, 1997
Publication: ‘97 International Seminar “Láseres: usos y aplicaciones 
industriales”, Instituto Nacional de Investicaciones Nucleares, Cidade do 
México, México; 11/1997 
‘emissão estimulada de radiação’, que é a capacidade da própria luz em estimular a emissão
de mais luz, tornando possível uma situação na qual a luz pode ser amplificada.
2 - Tipos de Laser
De acordo com o esquema da figura 1, a estrutura básica de um laser é formada pela
reunião de três componentes fundamentais: um meio ativo, uma fonte de bombeamento
energético (excitação do meio ativo) e um ressonador óptico. 
O meio ativo é composto de elementos capazes de proporcionar uma inversão de
população mediante uma excitação externa, proporcionando um ganho a partir da luz de
fundo proveniente da radiação de corpo negro. Este meio pode ser constituído por um
composto sólido, por misturas de fluidos (líquidos ou gases) ou até mesmo por um campo
eletromagnético. 
A fonte de bombeamento é caracterizada segundo os vários modos pelos quais a
energia pode ser fornecida, sendo cada um deles apropriado para um tipo diferente de meio
ativo [3, 4]. O ressonador óptico é o dispositivo responsável pelo confinamento e manutenção
das condição de oscilação (ganho superior às perdas) da radiação laser dentro do meio ativo. 
O ressonador é composto, de modo simples, por uma cavidade cujas extremidades
possuem um par de espelhos contrapostos e alinhados, entre os quais localiza-se o meio
ativo. Um dos espelhos possui um índice de reflexão quase absoluto, enquanto o outro (janela
de saída) apresenta uma certa transmissividade, permitindo uma perda útil da cavidade do
ressonador representada pela própria emissão do feixe laser. 
FIGURA 1 - Elementos constitutivos de um laser básico; [3].
2
2
 O primeiro dispositivo laser construído [1, 3] era um laser de estado sólido, composto
por íons cromo (meio ativo) implantados em um cristal de rubi (meio hospedeiro). Seu
bombeamento era pulsado, por meio de uma lâmpada flash. Desde então, várias centenas de
tipos de laser, com diferentes meios ativos e formas de bombeamento, foram desenvolvidos.
Atualmente, os lasers de elétrons livres e de raios-x representam as fronteiras na pesquisa e
desenvolvimento de novos lasers.
 As características de funcionamento podem diferir bastante entre as diversas categorias
de laser, apesar da existência de alguns aspectos comuns a todas. Os principais tipos são: 
- Lasers de isolantes dopados (meio físico constituído de íons metálicos
embutidos em uma matriz sólida de material isolante; bombeamento realizado através de
descargas luminosas): laser de rubi, lasers Nd:YAG e Nd:vidro, laser de Alexandrita,
etc.
 - Lasers gasosos (o bombeamento é efetuado através de descargas elétricas ou,
em alguns casos, reações químicas exotérmicas, sobre um meio ativo constituído de
moléculas, íons ou átomos neutros de um gás ou mistura gasosa, os quais podem estar
confinados ou em fluxo na cavidade): laser de He-Ne, laser de CO2, laser de nitrogênio,
laser de excímero, laser de criptônio, laser de He-Cd, laser de argônio, laser de CO, etc.
 - Lasers de corante (meio ativo composto de um corante orgânico diluído em
solvente líquido, com bombeamento energético executado por fontes ópticas, tais como
lâmpadas flash ou outros lasers. As saídas de potência variam de miliwatts até alguns
watts, no modo pulsado): laser de rodamina, laser de cumarina, etc.
- Lasers de semicondutor (a radiação é emitida no interior de uma junção p-n
em um diodo semicondutor): laser de Ga Alx As1-x.
Esta dissertação utiliza o laser de CO2, o mais utilizado para o processamento de
materiais, segundo Maillet [3], Steen [4], Luxon e Parker [5], Sona [6] e Sasnett [7], o qual
será discutido a seguir.
2.1 - O Laser de CO2
Conforme Maillet [3], existem vários tipos de laser de CO2, porém uma característica
comum a todos é o meio ativo composto, principalmente, por uma mistura gasosa de dióxido
de carbono (CO2), gás nitrogênio (N2) e gás hélio (He). O comprimento de onda de emissão
principal é 10,6 mm, situando-se no infravermelho. 
A potência de saída pode ser pulsada ou contínua, com potências médias variando de
alguns watts até dezenas de quilowatts. As técnicas de excitação incluem descarga elétrica,
rádio-freqüência (rf), etc.
Para operações em alta potência, existem vários tipos básicos de lasers de CO2,
conforme descrito nas referências [3], [5], [6] e [7], sendo que o laser utilizado nesta
dissertação é do tipo laser de CO2 de fluxo axial lento, com descarga axial. 
3
Este tipo de laser tem uma capacidade de potência de 50 a 70 W (ou mais,se o sistema
de resfriamento da cavidade tiver alta eficiência) por metro de comprimento do tubo de fluxo
na cavidade ressonante. Ele pode ser pulsado eletronicamente, com descarga ao longo do eixo
do tubo, para se obter altas potências de pico sem diminuição significativa de sua potência
média de saída. Este fator é vantajoso em muitas aplicações de remoção de material a laser. O
diâmetro médio do tubo encontrado no projeto desses lasers é, em geral, relativamente
reduzido (em torno de 2 cm). A potência média de saída pode atingir 3 kW ou mais.
Os lasers de CO2 de alta potência (acima de 1000 W) são os lasers mais amplamente
empregados industrialmente em aplicações de processamento de materiais. As razões básicas
por trás dessa eleição são, conforme Sasnett [7]:
¨ Alta eficiência energética comparativamente aos outros laser;
¨ Excelente qualidade do feixe, possibilitando a focalização do feixe em dimensões
extremamente pequenas;
¨ Economia, devido à eficiência energética, aos consumíveis baratos e facilidade de
manutenção;
¨ Alta flexibilidade na modulação de formas temporais distintas para a potência de
saída (regimes contínuos, pulsados e em superpulso). 
Adiante será apresentado em melhor detalhes este tipo de laser com um caso real de
sistema laser de CO2.
3 - Resumo da Teoria sobre as Propriedades de Propagação e Focalização de
Feixes Laser
Para esta dissertação, o aspecto mais importante do laser não é a sua constituição
interna, mas sim o feixe laser emitido, sua focalização e sua interação com os materiais. A
geração da emissão laser não é relevante, podendo o laser ser considerado uma fonte de
calor.3
A seguir, apresenta-se um resumo das propriedades do feixe laser, conforme Luxon e
Parker [5]. Essas propriedades, tomadas como um todo, não estão disponíveis em qualquer
outra fonte luminosa na extensão em que elas são obtidas em um laser. As propriedades
referidas são, resumidamente:
¨ Alta monocromaticidade (pequena dispersão do comprimento de onda);
¨ Alto grau de coerência temporal e espacial (forte correlação de fase); 
¨ Alto brilho (primariamente devido à pequena divergência do feixe emitido);
3 Note-se que essa “fonte de calor” é diferente de uma fonte térmica modelada pela lei de emissão do corpo 
negro, pois possui temperatura termodinâmica absoluta negativa; Luxon e Parker [5].
4
4
¨ Ampla faixa de magnitude para potência de saída, em regime contínuo, estendendo-
se da ordem de microwatts a Petawatts, em diversos tipos de laser; 
¨ Elevada energia (milhares de Joules) por pulso, em lasers com potência de saída 
pulsada;
¨ Ampla faixa de magnitude para o tempo de pulsamento.
¨ Capacidade teórica de focalização do feixe em um pequeno ponto com dimensão 
limitada por difração (da ordem do comprimento de onda da emissão laser).
Essas propriedades não são independentes entre si e, de fato, algumas são resultantes
diretas de outras.
Todas as propriedades apresentadas pelo laser e que o fazem uma fonte de radiação
eletromagnética de propriedades únicas são derivadas, de algum modo, da coerência quase
absoluta apresentada pela radiação laser. De fato, a coerência é a propriedade que melhor
caracteriza o laser e o distingue das demais fontes de radiação eletromagnética, conforme
Maillet [3].
A coerência de uma fonte laser expressa-se em relação à existência de alguma relação
de fase fixa entre as diversas frentes de onda emitidas em instantes distintos e em vários
pontos do espaço.
A seguir, são apresentadas as equações que regem a propagação e a focalização de
feixes laser, aspectos importantes para esta dissertação, seguindo-se Maillet [3], Luxon e
Parker [5], e Kogelnik e Li [8].
3.1 - Propriedades Espaciais
As propriedades espaciais de um feixe laser determinam a configuração espacial da
distribuição energética de sua frente de onda e também o grau de dispersão do feixe
propagando-se em um meio qualquer.
Dentro da cavidade óptica ressonante de um laser existem modos naturais de
propagação auto-reprodutivos das frentes de onda eletromagnética, nos quais sua amplitude
e fase mantêm-se constantes em um ponto qualquer após um trajeto de ida e volta entre os
espelhos da cavidade. Estes modos são dependentes da configuração geométrica da cavidade
ressonante do laser. Em um ressonador estável com espelhos esféricos, estes modos são
chamados modos transversos eletromagnéticos ou TEMmn (Transverse Electromagnetic
Mode). Os dois sub-índices m e n representam o número de “vazios”, em um sistema de
coordenadas cartesianas, na distribuição espacial da energia em uma seção transversal do
feixe laser.
Os modos transversais de propagação da frente de onda seguem uma ordenação
baseada nos valores de m e n. Assim os modos de mais baixa ordem possuem valores para m
e n correspondentemente menores. Em geral, dependendo da configuração do ressonador,
podem coexistir vários modos distintos, em diferentes proporções, durante a emissão laser..
Entretanto, as perdas ópticas, a divergência do feixe e área da seção transversal do feixe
aumentam com a ordem dos modos, o que, de modo geral, representam fatores desfavoráveis
para a maior parte das aplicações dos lasers, principalmente naquelas onde a eficiência
5
energética e a focalização do feixe desempenham um papel central, como é o caso do corte a
laser. Isso implica em uma busca preferencial pelos modos de mais baixa ordem durante a
emissão laser, conforme descrevem Maillet [3], Luxon e Parker [5], e Kogelnik e Li [8]. 
Assim, o modo transversal de mais baixa ordem apresenta as melhores características
obtidas para a propagação do feixe laser. Este modo não possui “vazios de energia” como os
modos de mais alta ordem e é conhecido como modo TEM00, ou modo fundamental. O modo
TEM00 é axialmente simétrico e sua distribuição de intensidade do campo é gaussiana, ou
normal, características estas que o distingue dos modos de mais alta ordem.
Na exposição a seguir, serão utilizadas, para facilitar a exposição da teoria, coordenadas
cilíndricas, com o feixe laser propagando-se no sentido positivo do eixo z paralelo ao eixo da
cavidade ressonante.
A formulação analítica da intensidade (densidade de potência) na seção transversal de
um feixe laser no modo TEM00 é derivada da resolução das equações clássicas de propagação
de ondas eletromagnéticas, conforme mostrado em Kogelnik e Li [8]. Então, para a
intensidade em um feixe em TEM00 é encontrada a seguinte relação:
I(r) = I0 e -r²/s² (1)
onde, 
r ® distância radial de um ponto na seção transversal do feixe [m];
I0 ® intensidade no centro do feixe (intensidade máxima) [W/m2];
s ® desvio-padrão da distribuição gaussiana.
Fisicamente, o parâmetro s tem relação com a amplitude do campo de onda do feixe
laser e corresponde à distância radial do centro do seção transversal do feixe onde a
intensidade do feixe diminui de um fator 1/e (aproximadamente 0,368 ou 36,8%) em relação à
intensidade máxima no centro do feixe. 
Uma forma mais prática de apresentação da equação (1) é:
I(r) = I0 e -2r²/w² (2)
onde, 
w ® raio do feixe [m].
O parâmetro w ou “raio do feixe” é definido pelo raio do feixe onde a intensidade
diminui por um fator 1/e2 (0,135 ou 13,5%) em relação à intensidade no centro do feixe e
varia com a coordenada z na direção de propagação do feixe segundo a relação:
w(z) = w0 [ 1 + ( l z / p w02 )2 ]½ (3)
6
6
onde w0 é chamado “cintura” ou “gargalo” do feixe e representa o menor valor possível de w,
geralmente ocorrendo no interior da cavidade ressonante do laser. A nomenclatura e o
significadode w0 também são válidos quando o feixe é focalizado por uma lente, como será
visto adiante. A equação (3) define uma curva hiperbólica, a qual está representada
graficamente na figura 2, onde são mostrados também outros parâmetros de um feixe laser
oscilando dentro de uma cavidade ressonante formada por dois espelhos esféricos e
propagando-se para fora dela, no espaço livre. As dimensões e formas indicadas na figura 2
estão fora de escala e proporção com o objetivo de simplificar a análise.
FIGURA 2 - Distribuição de intensidade, frentes de onda, ângulo de divergência e raio
mínimo do feixe no modo fundamental TEM00; [3].
Explicando a figura 2, no lado esquerdo encontra-se uma representação esquemática da
cavidade ressonante do laser. Dentro dela são mostradas as frentes de onda do feixe laser
oscilando entre os espelhos de raios R1 e R2, separados pelo comprimento L. São mostrados
os raios do feixe nas superfícies dos espelhos (w1 e w2), bem como o raio mínimo w0 do feixe
dentro da cavidade ressonante. O eixo coordenado z tem sua origem definida no ponto onde o
raio do feixe é igual a w0, o qual divide a cavidade em duas partes (L1 e L2). 
 
A distribuição gaussiana de intensidade de uma seção transversal do feixe localizada em
z = zr está indicada na figura 2 e a intensidade máxima, representada por I0, no eixo do feixe
coincide com a linha de centro mostrada. De acordo com a equação (2), a intensidade diminui
em relação à intensidade máxima à medida que se afasta do centro do feixe, atingindo o valor
igual a (I0 / e2) no raio do feixe (w). A intersecção do perfil do feixe definido pela variação
contínua do raio do feixe, segundo a equação (3), com a seção longitudinal de propagação do
passando pelo centro do feixe é representada na figura 2 pelas linhas tracejadas. Embora
estejam representadas por linhas retas, deve ser lembrado que na realidade o contorno do
feixe representa um segmento de uma curva hiperbólica. De interesse para esta dissertação, é
apenas a propagação do feixe laser no espaço livre, representado no lado direito da figura 2.
 
7
O parâmetro zr mostrado na figura 2 é denominado “distância de Rayleigh” e representa
o limite inferior da região do “campo distante” ou região de expansão linear do feixe, sendo
seu valor dado em função da cintura do feixe e do comprimento de onda do laser segundo a
relação zr = p w02 / l. Para lasers de CO2, como o utilizado nesta dissertação, o limite inferior
do campo distante é aproximadamente 30 m.
Ainda em relação à figura 2, nela está indicado o valor 2q, o qual representa o ângulo
total de divergência de propagação do feixe no espaço livre. Para ( l z / p w0
2 ) >> 1, o
semi-ângulo de divergência q é expresso como:
q = l / p w0 (4)
A equação (4) representa uma propriedade espacial de vital importância em um laser: o
grau de colimação do feixe. Realmente, a baixa divergência de um feixe laser representa uma
de suas características mais notáveis e está relacionada com diversas aplicações do laser. 
Na figura 2, o ângulo q é medido entre o contorno do feixe e a linha de centro do
mesmo. Porém, de fato, q é o ângulo de inclinação da linha reta que representa a assíntota da
curva hiperbólica formada pelo contorno do feixe, segundo a equação (3). O valor numérico
de q é usualmente baixo (da ordem de miliradianos ou menos) no modo TEM00, o que
expressa um alto grau de colimação do feixe, mesmo propagando-se a grandes distâncias.
Voltando às considerações sobre a distribuição da intensidade na seção transversal do
feixe no modo TEM00, dada pelas equações (1) e (2), a figura 3 mostra a curva gaussiana da
variação da fração da intensidade em relação à intensidade máxima no centro do feixe em
função da distância radial do centro do feixe. Vêem-se indicados na figura 2 os valores na
ordenada do gráfico os correspondentes às distâncias radiais r = s(z) e r = w(z), já definidas
anteriormente.
8
8
FIGURA 3 - Distribuição gaussiana de intensidade em uma seção transversal
do feixe laser propagando-se no modo TEM00; [3].
Como foi descrito antes, o parâmetro w(z) determina a distância radial na seção
transversal de um feixe no modo TEM00, na qual a intensidade equivale a (I0 / e2). Este valor é
adotado porque coincide com o ponto onde a distribuição da amplitude do campo
eletromagnético da radiação laser diminui por um fator 1/e, ou seja, no desvio padrão da
distribuição normal da amplitude.
 A integração da equação (2) de distribuição de intensidade sobre a área transversal do
feixe conduz ao valor de potência total do feixe. É claro que, segundo a equação (2),
teoricamente o raio do feixe estende-se ao infinito, mas, para efeitos práticos, considera-se
que o feixe laser tenha potência nula a partir da distância radial igual a três vezes o raio do
feixe, o que corresponde também a uma distância igual a pouco mais que quatro vezes o
desvio padrão s da curva gaussiana de distribuição da intensidade, segundo a analogia entre
w e s. 
Então, considerando A = p r2 como a área da seção transversal do feixe laser no modo
TEM00, em uma distância z qualquer da origem, a integração da equação (2) resulta:
 P I dA e r dr r e dr w
e
w r w w r w    


  
 I I I0 0 0
0
3 2
0
3 2 2
18
2 2 2 2
2 2
1
2
1
1/ /   (5)
O termo 1/e18 (@ 1,5 * 10-8 ) na expressão obtida para a potência é muito pequeno e
pode ser desprezado. A potência total do feixe na seção transversal do feixe limitada pela
circunferência de raio r = 3w pode então ser expressa por:
9
Pr=3w = Pt = 12 0
2I w (6)
O valor para P em (6) corresponde à integração da intensidade sobre uma área circular
com raio infinito, ou seja, o valor exato da potência total P t sem o estabelecimento da
restrição da intensidade do feixe em r = 3w. Então, o valor 1/e18 significa o erro que é
cometido quando se estabelece o limite em três vezes o raio do feixe.
Integrando a distribuição de intensidade sobre a área circular com r = w tem-se:
P r e dr w
e
wr w
r ww

  



 



2
1
2
1
1
0 86
1
2
2
0
2
2
22 2  I I I0 0 0/ , 
ou, Pr=w = 0,86 Pt (7)
Portanto, de acordo com a equação (7) cerca de 0,86 vezes ou 86% da potência total
do feixe no modo TEM00 está contida na área delimitada pela circunferência formada pelo raio
do feixe. Como visto anteriormente, o raio do feixe também está relacionado com uma
diminuição de 86% na intensidade do feixe em relação ao seu valor máximo no centro de sua
seção transversal. 
3.2 - Propriedades Temporais
Alguns tipos de lasers podem funcionar tanto em regime de potência de saída contínua
quanto pulsada, sendo este último caracterizado pelo tipo e modo de funcionamento da fonte
de bombeamento, e pelas propriedades físicas do meio ativo do laser. Assim, os modos de
funcionamento de um laser em função do tempo são classificados e definidos como :
- Modo de funcionamento contínuo (CW) : saída laser com potência constante em
regime permanente, ou CW (Continuous Wave), em virtude da aplicação de uma
descarga de corrente elétrica constante no bombeamento do meio ativo do laser.
- Modo de funcionamento pulsado: saída laser com potência pulsada. Este modo de
funcionamento é regido pelos parâmetros funcionamento da fonte de bombeamento do
laser em regime pulsado. Deste modo, são definidas a duração de pulso e a freqüência
de pulsação, as quais definem as propriedades e capacidades de saída de potência de
uma fontelaser em regime pulsado. Valores típicos da duração de pulso situam-se entre
100 ms e 10 ms, com uma freqüência de pulsação variando de 1 Hz a 100 Hz,
dependendo da capacidade de dissipação térmica do meio ativo amplificador durante a
operação de bombeamento. Para lasers de CO2, quando a duração do pulso é da ordem
de milisegundo observa-se um aumento da potência de pico com a redução da duração
de pulso, devido a fenômenos de dissipação térmica no meio ativo do laser, conforme
Sasnett [7].
O laser utilizado nesta dissertação apresenta o regime em superpulso da potência de
saída. O regime em superpulso será discutido no próximo capítulo, baseado em Sasnett [7].
10
10
Além do funcionamento em regime contínuo ou pulsado, algumas técnicas especiais são
utilizadas para modificar as características temporais da saída laser, que são, apenas citando-
as, Q-switching, Cavity-dumping, Mode-locking,conforme Maillet [3], e Luxon e Parker [5].
 
 3.3 - Focalização de um Feixe Laser
A discussão abaixo refere-se à propriedade mais importante do feixe laser para esta
dissertação, a sua focalização. O exposto é referente a Kogelnik e Li [8].
A menor dimensão teórica na qual um feixe laser com uma distribuição gaussiana de
intensidade (modo fundamental) pode ser focalizado é de um comprimento de onda da
respectiva radiação. Assim, considerando uma lente convergente ideal (sem aberrações) com
distância focal f, sobre a qual incida um feixe de diâmetro 2w = d (i.e., onde w é o “raio do
feixe” e d é o diâmetro da lente), com um semi-ângulo de divergência q, tem-se um ponto
focal com diâmetro 2wo expresso por4:
w0 = f q (8)
ou, segundo a equação (4) :
w0 = K f l / d (9)
Sendo K um valor próximo da unidade, e considerando que f não pode, por razões de
ordem prática, ser menor que d, então a menor dimensão do ponto focal de um feixe
gaussiano é aproximadamente igual a l. Na prática, (f / d) fica compreendido no intervalo de
4 a 8, de acordo com Sona [6]. Isto pode proporcionar, em tais casos, uma densidade de
fluxo energético de dezenas ou centenas de quilowatts por centímetro quadrado, mesmo para
uma emissão de baixa potência da ordem de miliwatts. 
Em aplicações de lasers de potência, com lentes reais, os valores mínimos de ponto
focal são maiores que no caso ideal, e dependem do tipo de laser utilizado. Na maior parte
das aplicações industriais de lasers de CO2, os diâmetros médios localizam-se entre 100 mm e
300 mm. 
Em um feixe gaussiano no modo fundamental com diâmetro 2w = d, focalizado por
uma lente de distância focal f, o diâmetro da área focalizada é dado por d: 
w0 = l (4 / p) (f / d) (10)
sendo que este diâmetro w0 tem uma variação desprezível ao longo da profundidade de campo
focal Zf, dada por:
4 Os parâmetros w e w0 têm o mesmo significado tanto para um feixe emergente da cavidade ressonante como
para um feixe focalizado por uma lente, visto que as equações 2 e 3 são válidas para ambos os casos. No caso
da focalização, z é medido a partir do ponto focal em direção à lente e como a taxa de convergência é muito
alta a lente pode ser considerada estando no campo distante em relação ao ponto focal.
11
 Zf = l (4 / p) (f / d)2 (11)
A figura 4 adiante ilustra esquematicamente o resultado principal desta seção, com os
parâmetros principais do feixe focalizado, discutidos acima. Na figura as dimensões relativas
foram exageradas, para uma adequada visualização dos parâmetros.
Da mesma forma que um feixe gaussiano no modo TEM00 propagando-se no espaço
livre, a potência do mesmo feixe focalizado é dada pela equação (6). A diferença principal é
representada pela intensidade máxima na área focalizada, dada pela relação:
 
I0 = 2 P / p w0
2 (12)
 A análise da equação (12) permite concluir que a intensidade no centro da seção
transversal do feixe focalizado é várias vezes maior que seu valor na cintura do feixe, no
campo próximo de propagação, baseando-se na comparação da ordem de grandeza de w0 em
ambas as localizações.
FIGURA 4 - Parâmetros dimensionais de um feixe laser focalizado; [6].
4 - Procedimentos de Segurança Relativos ao Uso do Laser
Embora o laser possa ser considerado um dispositivo de relativa segurança, um
conhecimento qualitativo e quantitativo dos riscos que a radiação coerente de um laser em
geral pode oferecer ao organismo humano é fator indispensável para seu uso adequado e
seguro [3, 4]. 
Para uma possível interação entre o laser e a matéria orgânica devem ser considerados
os seguintes parâmetros: comprimento de onda do laser, tempo de exposição, intensidade de
12
12
potência (W/m²) ou densidade superficial de energia (J/m²), e tipo de tecido biológico
atingido. Esta interação pode se manifestar com a ocorrência de efeitos que podem agir
isoladamente ou sobrepostos. Os principais efeitos podem ser: térmicos, fotoquímicos,
mecânicos e elétricos. Naturalmente, o tipo de efeito predominante será determinado pela
variação dos parâmetros acima citados, porém, pela própria característica do feixe laser de
concentrar energia, o efeito mais comum é o térmico, o qual por sua vez está relacionado ao
comprimento de onda do feixe laser e ao tempo de exposição do tecido biológico.
O olho é a parte do corpo humano com a qual devem ser tomadas medidas mais
rigorosas de proteção devido à suas próprias estruturas constitutivas, que o caracteriza como
uma óptica de focalização. Dessa maneira, até mesmo um feixe laser com baixa potência pode
criar altos níveis de densidade de energia ao ser focalizado na retina pela pupila.
Devido aos riscos que um laser pode oferecer a partes expostas do corpo humano,
principalmente aos olhos, é que ocorreu a necessidade de um maior conhecimento
quantitativo referente à interação da radiação com aquelas partes. Foi a partir desta
quantificação que se estabeleceram critérios seguros, baseados no comprimento de onda do
laser e na duração de exposição do mesmo, denominados Exposições Máximas Permitidas
(EMP), expressas em W/m² ou J/m², encontradas em tabelas constituídas por fórmulas
empíricas [3] que determinam as exposições máximas para os olhos (ao nível da córnea) e
pele.
Quanto à proteção individual, para o caso de lasers de alta potência, no trabalho de
materiais (corte de metais, por exemplo), utilizam-se óculos de proteção para o operador
verificar a área de trabalho de perto e evitar um possível contato com partículas advindas da
interação do laser com o material. Estes tipos de laser, em geral, são lasers de CO2 de alta
potência, emitindo no infravermelho (l=10,6 mm) e, portanto, não apresentam um risco direto
à retina através de focalização, mas sim à córnea. Isto no que diz respeito à incidência direta,
pois a reflexão difusa de tais lasers não representa maiores riscos, observada uma distância
mínima de observação da mancha de difusão, devido à própria natureza da interação destes
lasers com os metais e materiais em geral. No entanto, o contato acidental direto do feixe,
focalizado ou não, destes lasers de alta potência com qualquer parte do corpo deve ser
evitado.
5 - Aplicações do Laser
A variedade de lasers desenvolvidos até hoje tem encontrado aplicações bem sucedidas
nas seguintes áreas, segundo [3]:
w Aplicações industriais. 
w Telecomunicações. 
w Medicina. 
w Química. 
w Física nuclear. 
w Aplicações bélicas.
Um exemplo amplamente disseminado e bem-sucedido de aplicação industrial é o corte
a laser de materiais, notadamente o corte a laser de polímerose metais ferrosos [9]. Um outro
13
campo de aplicação na área industrial que vem se desenvolvendo rapidamente nos últimos
anos, é o da prototipagem rápida com auxílio de lasers. Este campo pode ser subdividido em
processos nos quais uma forma tridimensional é construída a partir de material amorfo,
líquido viscoso ou sólido granulado, como são os casos da sinterização seletiva a laser e a
estereolitografia a laser [10, 11], ou em processos de construção de moldes complexos ou de
grandes dimensões por fatiamento de seções transversais, como é o caso da técnica de
Laminado Volumétrico a Laser (LVL) [12, 13]. 
A seguir, haverá uma apresentação mais detalhada a respeito do campo de aplicação do 
corte a laser de materiais, em particular de metais, sem dúvida a aplicação industrial mais 
difundida dos lasers de potência.
6 - O Processo de Corte a Laser de Metais
Neste capítulo são abordados a origem, o desenvolvimento e os aspectos teóricos
básicos do processo de corte a laser de materiais metálicos e é dada uma visão geral do uso
corrente de sistemas laser industriais para este processo. Inicialmente é apresentada uma
revisão da literatura pertinente ao processo de corte a laser de materiais metálicos, com
destaque para os metais ferrosos cortados através do uso do laser de CO2 de alta potência, e
às pesquisas e estudos relevantes efetuados nos últimos anos referentes ao tema em questão.
Em seguida, é apresentada a teoria básica relacionada às interações feixe laser de CO2-metal,
onde são descritos genericamente os mecanismos físicos envolvidos durante o processo de
corte a laser de materiais metálicos e os aspectos particulares do processo e seus resultados
em função dos parâmetros do material e da potência de saída do laser. Em relação a este
último aspecto, é destacado o uso do regime em superpulso como importante modo de saída
de potência laser em algumas situações específicas de trabalho com metais. Este capítulo
termina com uma breve descrição das características fundamentais dos sistemas laser
atualmente usados no processo de corte de materiais metálicos dentro do ambiente de
fabricação industrial, e com uma breve comparação, baseada em aspectos econômicos, do
processo de corte a laser com a estampagem mecânica convencional.
 
3.1 - Revisão da Literatura
A interação térmica com materiais constituiu a primeira aplicação prática de um feixe
laser e foi efetuada em 1961 por W. S. Boyle [14] na empresa norte-americana Bell
Telephone Laboratories Inc.. Naquela ocasião, Boyle obteve a formação de uma cavidade
cônica em um bloco de carbono por meio de uma seqüência de pulsos de energia provenientes
de uma fonte laser de rubi. Estes pulsos vaporizaram progressivamente a superfície do
material no ponto de incidência dos mesmos. Entretanto, o laser de rubi demonstrou ter um
campo de aplicações limitado em relação às interações com materiais que exigissem altas
densidades de potência do feixe laser e uma saída contínua ou com alta taxa de pulsamento,
como é, o caso do corte a laser de metais, em função das propriedades da estrutura do meio
14
14
ativo do laser de rubi (sólido refratário) permitir apenas operações em um regime pulsado de
potência de saída caracterizado por baixas taxas de repetição dos pulsos, com potências
médias relativamente baixas. 
 Por outro lado, a intensa pesquisa efetuada no começo da década de 1960 sobre
possíveis novas formas de emissão laser, utilizando outros tipos de meio ativo, conduziu à
descoberta dos lasers com meio ativo gasoso, entre os quais o laser de CO2 por C. Patel em
1964 [15]. Este primeiro modelo de laser de CO2 tinha uma potência de saída em regime
contínuo de apenas alguns miliwatts, porém as propriedades de emissão reveladas por este
tipo de laser abriram uma nova perspectiva para o emprego do laser como ferramenta para a
transformação térmica de materiais. Entre as características favoráveis apresentadas pelo laser
de CO2 destacam-se o potencial demonstrado por ele em atingir níveis de potência de saída
bastante altos, uma relativamente alta eficiência energética e a possibilidade de conduzir a
energia do feixe em várias formas de regime temporal e espacial. Essas propriedades logo
despertaram o interesse de vários pesquisadores no desenvolvimento do laser de CO2, o que
resultou em uma rápida evolução deste tipo de laser, conforme descrito por W. Witteman
[16], um dos primeiros e principais pesquisadores do assunto.
O campo de pesquisa sobre aplicações do laser no trabalho de materiais teve um
desenvolvimento rápido após a descoberta dos novos tipos de lasers, acompanhando o ritmo
de desenvolvimento dos mesmos. Este fato foi demonstrado no trabalho publicado por
Gagliano et al. em 1969 [17], apenas 8 anos após a primeira emissão experimental de um
laser ter ocorrido [2], no qual são descritos experimentos relacionados com as recentes, à
época, aplicações avançadas de lasers no trabalho com materiais, com ênfase em materiais
componentes de dispositivos eletrônicos. Este trabalho, além de ter mostrado o processo a
laser como alternativa aos outros processos convencionais de fabricação utilizados até então,
revelou novas e revolucionárias técnicas possibilitadas pela exploração das características
únicas dos feixes laser. Esses autores [17] ainda realizaram uma compilação de resultados de
aplicações experimentais obtidos por vários pesquisadores, revelando um grande número de
aplicações industriais do laser desenvolvidas em um período relativamente curto.
Os trabalhos publicados por pesquisadores a partir desta fase inicial de alta
produtividade relativamente ao desenvolvimento de novas aplicações, mostram que a taxa de
crescimento do índice de utilização dos lasers em diversos setores da área de fabricação
industrial impulsionou as pesquisas relativas à completa caracterização da natureza e das
propriedades da interação laser/material, principalmente para os materiais metálicos,
objetivando um maior controle sobre o processo de interação nas diferentes aplicações do
feixe laser em ambiente industrial, especialmente em seu uso para o corte de perfis
geométricos em chapas metálicas. 
Apesar dos significativos avanços obtidos na técnica de corte a laser de metais através
de resultados empíricos, até quase o final da década de 1970 havia uma relativa carência de
modelos que explicassem de modo satisfatório todos os mecanismos físicos envolvidos na
dinâmica do corte a laser com auxílio gasoso e seus efeitos correlatos. Nesse sentido, os
trabalhos publicados por Arata et al. em 1979 [18] e por Mazunder e Steen em 1980 [19]
representaram um considerável avanço ao lançarem mais luz sobre estes tópicos. Arata et al.
descreveram o comportamento dinâmico envolvido no corte a laser de CO2 com auxílio
gasoso (oxigênio) em chapas finas (menos de 2 mm de espessura) de aço com baixo teor de
carbono. Por sua vez, Mazunder e Steen propuseram um modelo bidimensional de
15
transferência de calor para um substrato metálico de pequena espessura irradiado por uma
fonte laser fixa e em movimento. Esses dois trabalhos publicados deram, à época, novo
impulso ao campo de pesquisas teóricas e experimentais referentes ao corte a laser de metais.
Em 1981, outro trabalho de Arata [20] estendeu os resultados obtidos anteriormente
[21] para a otimização da qualidade do resultado do processo corte a laser realizado em aços
inoxidáveis, no qual esta envolvido um número maior de variáveis termomecânicas e reações
químicas com o gás de corte reativo do que no processo de corte de aços carbono. 
Um parâmetro importante para a obtenção de um corte a laser de alta qualidade é a
forma de distribuição de potência na seção transversal do feixelaser, mais especificamente na
frente de onda da radiação eletromagnética. Quanto mais concentrada for estar potência,
maior será a qualidade obtida na linha de corte. Dessa forma, saber como a potência se
distribui, é de fundamental importância para se prever a qualidade final possível. Baseado
nisso, em um estudo efetuado por C. Lim e W. Steen em 1982 [22], mediu-se a distribuição
espacial e temporal de potência no feixe emitido por um laser de CO2 de alta potência, em
vários modos transversais de propagação. 
Desde o início do desenvolvimento do laser de CO2 para o corte de chapas metálicas,
os efeitos de excesso de fusão (burn-off) representavam uma limitação para o laser de CO2,
operando em regime contínuo (CW), cortar geometrias mais ou menos complexas sobre as
chapas, isto é, que apresentassem trechos com velocidade instantânea quase nula de varredura
do feixe laser durante a progressão da linha de corte, como é o caso de ângulos em geral, ou
trilhas paralelas muito próximas cortadas em intervalos de tempo suficientemente pequenos.
Na tentativa de contornar este obstáculo, um trabalho experimental de Moryasu et al. [23],
propôs o uso de um controle adaptativo via CNC, através do qual o laser, inicialmente
cortando em alta velocidade, em regime contínuo de potência de saída, passaria a operar no
modo pulsado um pouco antes e após um ponto de velocidade quase nula, fixados a taxa de
repetição e comprimento dos pulsos. Os bons resultados demonstrados elegeram este tipo de
solução como bastante adequada no tratamento daquele tipo de problema, sendo utilizada,
com algumas alterações, até o momento.
Um trabalho de Sasnett [7], publicado no ano de 1986, fez uma consideração sobre o
processamento de materiais através de laser de CO2 operando em regime em superpulso da
potência de saída. Foi realizada uma importante análise comparativa referente a lasers de CO2
operando em regime contínuo e em superpulso, descrevendo as características mais
apropriadas de operação em um e outro regime.
A otimização do processo de corte de metais por laser de CO2 operando em regime
pulsado, foi o objetivo empreendido por Powell et alii [24] em 1985 e continuado em outro
[25], no ano de 1986. Nestas publicações foram descritos os resultados experimentais obtidos
em técnicas de exploração e otimização dos parâmetros do regime de saída da potência laser
no modo pulsado para o corte de chapas de aço baixo-carbono em várias faixas de espessuras.
Publicada em 1987, uma abordagem comparativa efetuada por Biermann, Nuss e Geiger
[26] analisou os efeitos das interações que ocorrem entre os dispositivos cinemáticos do
sistema laser, a peça de trabalho e o feixe laser sobre a precisão final obtida no corte a laser
de chapas metálicas. 
 
16
16
Para metais não ferrosos, como o cobre e alumínio, Powell et alii desenvolveram um
estudo [27], publicado em 1989, sobre as características e modos de obtenção de um corte
com boa qualidade, realizado por feixe laser de CO2, em metais e ligas não-ferrosas. Os
pesquisadores efetuaram neste trabalho uma abordagem comparativa com o corte a laser de
CO2 em aços.
Segundo Fukaya et al. [28], em publicação de 1991, um dos fatores mais importantes
para a qualidade do corte a laser de CO2, e ao mesmo tempo limitador do nível máximo
possível de potência de operação do laser, é sua óptica de focalização. Para feixes com altos
níveis de potência de saída (maiores que 2 kW) e operando em modos transversais do feixe de
mais baixa ordem, a óptica de transmissão sofre distorções térmicas, produzindo um efeito de
desfocalização, o que limita o corte de chapas de maiores espessuras. Fukaya et al.
analisaram as distorções térmicas na óptica de focalização, propondo um modo teórico de
propagação onde esta distorção seria minimizada, permitindo que um laser de CO2 de 2 kW
pudesse cortar uma chapa de aço doce em espessuras de até 20 mm, com razoável qualidade
de corte.
Em 1991, Beyer e Petring [29] demonstraram a possibilidade de corte a laser em chapas
de aço inoxidável em espessuras de até 30 mm, e a obtenção de velocidades de corte bastante
elevadas (100 m/min) em chapas finas de 0,3 mm de espessura.
Ivarson, Powell e Magnusson [30] estimaram o calor gerado pelo processo de oxidação
no corte a laser de CO2, com auxílio gasoso, em chapas de aço baixo-carbono e aço
inoxidável, através da coleta e análise das partículas metálicas oxidadas e ejetadas da zona de
corte durante o corte a laser dos aços. Este trabalho, publicado em 1991, teve seqüência em
outro publicado pelos mesmos autores em 1993 [31], o qual concentrou-se na análise das
características físicas e metalográficas das partículas coletadas anteriormente. Os resultados
obtidos possibilitaram aos pesquisadores determinar o histórico completo do processo de
oxidação nas partículas durante o corte a laser com auxílio de oxigênio.
Em 1992, Ivarson et alii [ 32 ] publicaram os resultados de um estudo experimental
sobre a otimização do corte a laser auxiliado por gás em chapas de aço inoxidável de pequena
espessura. Foi descoberto que a máxima velocidade de corte, a uma dada potência do laser,
podia ser aumentada em até 15% se os parâmetros do regime pulsado do laser fossem
otimizados através de uma mudança no mecanismo de remoção de material na zona de corte,
onde o processo tradicional de fusão-oxidação-ejeção foi substituído por pequenas explosões
no início de cada pulso do laser.
Investigações experimentais, realizadas por Schreiner-Mohr et al. [33], em 1992,
revelaram que maiores velocidades de corte podiam ser obtidas utilizando-se um feixe laser de
CO2 polarizado circularmente ao invés de polarizado paralelamente à direção de corte, como
era usualmente utilizado. Uma simulação numérica efetuada pelos pesquisadores apontou o
processo de corte como sendo não somente dependente da absorção da radiação
eletromagnética do feixe, mas também da condução de calor local e da largura da linha de
corte formada.
 Dentro do campo de pesquisa teórica sobre o comportamento do corte a laser com
auxílio gasoso, um modelo simples do processo de corte de metal foi proposto por Chen e
Steen, em 1992 [34], com o objetivo principal de entendimento dos papéis cinético e químico
17
do gás. O modelo considerou a evolução da frente de corte como um fenômeno superficial de
reação e absorção, com uma análise dos efeitos de finas camadas de óxido, polarização do
feixe e forma da frente de corte. Foi mostrado que níveis muito pequenos de impureza no
oxigênio de corte poderiam ter um efeito significativo no desempenho do corte.
Em 1992, um trabalho teórico e empírico publicado por Yilbas et alii [35] realizou um
estudo teórico relativo à interação entre o metal fundido e o jato gasoso, considerando a
quantidade de movimento do jato e a tensão de cisalhamento na interface gás-líquido, bem
como as diversas relações entre os vários parâmetros que influenciam a ação de corte durante
o corte a laser de CO2 auxiliado por gás. Na parte experimental deste trabalho foram cortadas
a laser chapas de aço baixo-carbono em diferentes espessuras, utilizando uma mistura gasosa
argônio/oxigênio para verificar a profundidade de resolidificação em torno da poça de fusão,
e apenas oxigênio na análise do movimento do plasma gerado durante o processo de corte a
laser. 
Powell et al. [36], em publicação de 1993, descreveram as entradas térmicas para a
zona de corte quando é realizado o corte de aço baixo-carbono utilizando o oxigênio como
gás de corte. A investigação concentrou-se na termodinâmica química na zona de corte, com
atenção especial sobre a influência da diluição da concentração de oxigênio ao longo do ciclo
de corte. Os autores, através de um detalhado procedimento experimental, também analisaram
a influência exercida no processo pelograu de pureza do oxigênio.
Neimeyer, Smith e Kaminski [37] publicaram em 1993 um estudo experimental
quantitativo para determinar os efeitos dos principais parâmetros de operação do laser na
qualidade superficial da face de corte formada em chapas de aço com baixo carbono. Para
estudar a variação do efeito dos demais parâmetros em função do parâmetro espessura foi
utilizada pela primeira vez uma chapa em forma de cunha, facilitando a obtenção dos
resultados de variação de outros parâmetros sobre a variação da espessura da chapa.
 Segundo O'Neill, Gabzdyl e Steen [38], em um processo de corte a laser de CO2 com
auxílio de gás de corte, a eficiência e qualidade do processo são bastante dependentes dos
parâmetros do gás de corte. O comportamento dinâmico do jato de gás durante o processo de
corte a laser, segundo os autores um tópico pouco pesquisado, tem um efeito significativo no
processo de corte, principalmente para espessuras de chapa maiores. Os autores realizaram,
em conseqüência, uma análise deste comportamento dinâmico durante o corte a laser de CO2
de chapas de aço com espessuras entre 10 mm e 20 mm, comparando os resultados práticos
obtidos, de redução da massa de oxigênio, com uma análise teórica da transferência
turbulenta de massa dentro da região de corte.
 Em um trabalho de modelagem teórico, publicado em 1993, Tsai e Weng [39]
utilizaram um “método de perturbação” para investigar a estabilidade do comportamento de
uma fina camada fundida durante o corte a laser em regime contínuo, chegando à conclusão
que a espessura da camada fundida é distorcida devido a efeitos convectivos e que existe um
velocidade de corte ótima em função da espessura da chapa e da velocidade do fluxo gasoso
auxiliar.
Recente trabalho (1994) publicado por Hsu e Molian [40] desenvolveu um modelo
termoquímico para o corte a laser auxiliado por oxigênio, em função dos seguintes
parâmetros: padrão de modo transversal do feixe, densidade de potência, reação de
18
18
combustão, largura da linha de corte e velocidade de corte. Este modelo enfatizou o efeito de
combustão química e o padrão modal, os quais, segundo os autores, são geralmente
desprezados na maioria dos modelos existentes sobre o corte a laser. O modelo mostrou boa
concordância com os resultados experimentais, indicando que aproximadamente 55% a 70%
da energia envolvida no processo de corte é fornecida pela reação exotérmica do aço com o
oxigênio.
Powell et alii [41] realizaram um trabalho experimental, publicado em 1994, cujo
escopo foi analisar as perdas por condução térmica em um substrato metálico durante o corte
a laser em regime contínuo, com um nível constante da potência de saída. Verificou-se que
embora a potência necessária para realizar um corte aumentasse em função do aumento da
espessura da chapa, as perdas por condução também aumentaram e em uma taxa suficiente
para reduzir a velocidade de corte. 
 Trabalho publicado em 1994 por Ivarson et al. [42] salienta aspectos da utilização do
laser de CO2 para o corte a laser dentro do ambiente industrial, mais especificamente para o
corte em chapas de aço com baixo teor de carbono, e a utilização a dinâmica da reação de
oxidação do metal durante o processo de corte a laser de chapas de aço baixo-carbono. Os
autores fizeram uma análise da dinâmica de oxidação que ocorre no corte a laser de CO2
naqueles materiais, e pretenderam fornecer uma explicação completa sobre o efeito da
formação de estriações cíclicas na face de corte da chapa metálica, baseada na natureza
auto-limitadora da oxidação do aço na região de corte. 
Di Pietro e Yao [43], em publicação de 1994, analisaram o panorama de utilização do
corte a laser nos últimos anos e propuseram tendências futuras de aplicação, abordando a
importância vital da qualidade obtida no processo de corte a laser e sua possível otimização.
Esta otimização, conforme afirmam, tende a seguir a tendência de máquinas que exigem cada
vez menos a intervenção humana, exigindo em contrapartida desenvolvimento nos campos
correlacionados com o processo de corte a laser, tais como monitoramento, diagnóstico,
regulação e modelamento automáticos. Segundo os autores, a principal dificuldade para
melhorar a qualidade do corte está relacionado com a complexidade do processo térmico
envolvido no corte a laser, o qual ainda não é completamente entendido. 
Gabzdyl e Morgan [44], em publicação de 1993, salientam a importância do jato gasoso
coaxial ao feixe durante o processo de corte a laser de CO2 de alta potência, com gás auxiliar,
no corte de materiais utilizados na maior parte das aplicações industriais. Os autores mostram
resultados experimentais que levam à conclusão que a qualidade do gás auxiliar pode ter uma
influência notável na qualidade do corte a laser obtido
Um modelo bidimensional transiente foi desenvolvido e resolvido numericamente por Di
Pietro e Yao [45] (1994) para investigar os efeitos do movimento CNC do sistema laser e do
perfil geométrico da peça na mobilidade e temperatura da frente de corte no material, durante
o corte a laser de CO2 com auxílio gasoso. Os resultados experimentais efetuados levou os
autores a concluir que uma apropriada programação CNC de corte pode minimizar os efeitos
negativos do movimento do sistema e do perfil da peça. Foi obtido também um modelo mais
realístico de distribuição de temperatura na peça, considerando a presença da linha de corte e
do ambiente convectivo em torno da região de corte.
19
 Segundo La Rocca [46], em trabalho publicado em 1994, nos processos de corte e
soldagem a laser fenômenos transientes dominam as fases fluidas geradas pelas interações
entre o feixe laser de alta potência, o material e os gases auxiliares de corte. Fluxos de fluidos
misturados e bastante reativos, devem ser compreendidos e controlados para melhorar o
processo. É feita uma análise experimental e fenomenológica sobre os eventos que ocorrem
nos processos a laser na tentativa de esclarecer alguns dos mais intrincados aspectos dos
problemas relacionados. Novos projetos de bocal para os processos de soldagem e corte são
propostos, os quais se mostraram promissores em testes realizados. 
Em um trabalho de pesquisa de 1992 sobre a viabilidade econômica advinda das
características técnicas do corte a laser efetuado por sistemas laser industriais, Daly e Salvo
[47] destacam as reduções de custo advindas do processo em comparação com outros
processos convencionais, e chamam a atenção para a tendência de utilização industrial de
máquinas laser multitarefas. No mesmo ano, Dilthey, Faerber e Weick [48] também
abordaram esta utilização das máquinas laser, discorrendo sobre as características vantajosas,
segundo eles, apresentadas pelo feixe laser na usinagem de materiais com amplo uso
industrial.
Em artigo publicado em 1994, Irving [49] destacou novos desenvolvimentos e
aplicações industriais para os lasers de potência, com maior destaque para aplicações no setor
de fabricação automotiva, em virtude do nível de qualificação técnica dos sistemas laser
recentemente desenvolvidos. O autor ainda registrou o desenvolvimento de um laser industrial
com 45 kW de potência média.
Os fundamentos do processo de fabricação através do corte a laser são discutidos por
Gropp et al. [50], em publicação do ano de 1995. Nela são descritos os equipamentos
necessários para operações de corte a laser em duas e três dimensões bem como critérios para
caracterizar a qualidade do corte obtido em peças para diferentes aplicações. 
Hilton [51], em artigo de 1995, relatou uma nova técnica para o corte de seções
espessas de aço baixo-carbono utilizando lasers de relativa baixa potência. Neste artigo,
Hilton fez uma comparaçãoentre o corte a laser e outros processos térmicos de corte em
termos da largura da linha de corte, velocidade, rugosidade e dimensão da zona termicamente
afetada produzida em cada caso. 
3.2 - Resumo da Teoria
O processo de corte dos mais diversos materiais é baseado, em linhas gerais, em um dos
três diferentes mecanismos que permitem a utilização da intensidade média de um laser para
efetuar cortes em materiais. Nestes mecanismos todos os processos de transferência de
energia estão presentes, em proporções distintas, tais como condução, convecção e
irradiação. São eles [3, 4]: 
· Vaporização: a intensidade média e o tempo de interação são estabelecidos, de
forma a levar o material ao ponto de ebulição ao longo da linha de corte; o material é
auto-ejetado sob forma de vapor. Quase sempre o laser opera em regime pulsado.
Devido às elevadas quantidades de energia requeridas e às baixas velocidades de corte
obtidas, o processo por vaporização não é muito utilizado industrialmente, exceto para
20
20
espessuras muito pequenas (inferiores a 0,5 mm). De um modo geral, é preciso dez
vezes mais potência para vaporizar um metal do que para fundi-lo. Assim, este processo
tem sido utilizado principalmente para perfuração em materiais refratários e de alta
dureza, sensíveis ao surgimento de trincas.
· Fusão auxiliada por gás inerte: neste processo, a energia específica fornecida
pelo feixe laser apenas leva o material ao ponto de fusão; um gás inerte é empregado
para ejetar o material fundido para fora da região da aresta de corte. O processo de
fusão com gás inerte é empregado no corte de quase todos os materiais não-metálicos e
também em alguns metais. O laser de CO2 é o mais utilizado nesse processo. Para
materiais com baixa absorção ao comprimento de onda do laser de CO2, ou em peças
com detalhes complexos, o laser de CO2 opera com potência de saída pulsada ou em
regime de superpulso. Como gases de alimentação geralmente emprega-se ar-
comprimido ou nitrogênio. Gases neutros (argônio, hélio) são empregados no corte de
metais que não se oxidam facilmente como as ligas de níquel, ou ainda quando deseja-se
evitar a presença de óxidos na face metálica cortada a laser, como no caso de aços
inoxidáveis.
· Fusão auxiliada por gás reativo: mais amplamente utilizado para metais. Nele,
a energia necessária para o metal atingir o ponto de fusão é gerada, em grande
parte, por uma reação exotérmica entre um gás reativo, geralmente oxigênio, e o
metal fundido inicialmente pelo feixe laser. O jato de gás também elimina o
material fundido da região da aresta formada e, assim, somente uma fina camada
fundida ao longo da espessura do material na frente de corte continua a reagir
com o oxigênio. O processo de fusão auxiliado por gás reativo é o mais
amplamente utilizado nas aplicações industriais de corte a laser, sendo indicado
para metais que reagem, a altas temperaturas, com o oxigênio em um processo
exotérmico de oxidação, tais como os aços em geral, os metais ferrosos e as ligas
a base de titânio. Graças a esse mecanismo, os lasers de CO2 multiquilowatts
podem cortar grandes espessuras de chapa, até 30 mm ou mais, em velocidades
relativamente elevadas (da ordem de vários metros por minuto) em regime
contínuo de potência de saída. O regime pulsado ou utilizando superpulso é
empregado no corte de peças com características “termo-geométricas”
desfavoráveis à dissipação térmica no corte contínuo.
Em todos estes casos, a interação entre radiação e matéria ocorre com características
específicas, dependendo dos parâmetros que controlam o processo. Os mais relevantes são:
( 1 ) - Parâmetros relativos à fonte laser: magnitude e regime temporal da potência de
saída, comprimento de onda, estrutura TEM do feixe, divergência do feixe, tipo de
polarização e diâmetro (D) do feixe;
( 2 ) - Parâmetros relativos ao gás injetado: tipo de gás (reativo ou inerte), pressão de
saída, distância e forma do jato de gás emergente do bocal sobre a superfície de corte;
( 3 ) - Parâmetros relativos ao sistema de focalização do feixe: tipo de lente, distância
focal (F), campo focal (Zf), aberrações ópticas, número f, etc. ;
21
( 4 ) - Parâmetros relativos ao substrato metálico, tais como: índice de absorção,
difusidade térmica, dimensões, temperaturas de fusão ou vaporização, reatividade com
gases de corte, etc.
Todos estes parâmetros agindo conjuntamente determinam as máximas velocidades de
corte possíveis de serem obtidas em regime contínuo da potência de saída. Os elevados
valores de condutividade térmica e refletividade das superfícies metálicas implicam em
potências laser médias elevadas, geralmente entre 500 W e 3000 W, para efetuar operações
de corte com velocidades razoáveis.
No processo de corte, o feixe laser é focalizado por uma lente especial (ou espelho no
caso de lasers de maior potência) sobre uma pequena área circular na superfície do material
ou um pouco abaixo dela, com diâmetro d = 2K(l/D)F (como descrito no capítulo 2). Via de
regra, para o corte de chapas metálicas o ponto focal do feixe laser é posicionado não
exatamente sobre a superfície do material, mas em um ponto a 1/3 da espessura total abaixo
da superfície de incidência. A razão para isto é que com este procedimento a cavidade
inicialmente formada no 1/3 superior se ajusta melhor com a forma da frente de onda do feixe,
servindo como um tipo de guia de ondas para a radiação eletromagnética subsequente,
facilitando a continuidade do processo de fusão nos 2/3 restantes da espessura, apesar da
menor intensidade média inicial que é provida na superfície devido ao efeito de
desfocalização.
A figura 6 [5] mostra um feixe focalizado em aproximadamente 1/3 de espessura da
chapa, e a forma típica das arestas de corte formadas. As arestas em formação comportam-se
de uma certa maneira como superfícies semi-refletoras para o feixe laser que entra no espaço
entre elas, o qual sofre algumas reflexões antes de ser totalmente absorvido ou atravessar a
espessura da peça, aumentando com isso o rendimento energético do feixe na continuidade de
formação das arestas. Notar, na figura 5, que as bordas superiores da aresta de corte (entrada
do feixe laser) exibem um arredondamento, provocado pela entrada de material fundido das
regiões adjacentes à aresta para dentro da mesma, provocada pelo arrasto do jato gasoso
durante o processo, e nas bordas inferiores ocorre a formação de finas rebarbas constituídas
de material fundido que se solidificou em um ponto com maior gradiente térmico. Essa
rebarba é, em geral, frágil e com pouca aderência ao substrato sobre o qual se formou, sendo
facilmente retirado.
22
22
FIGURA 5 - Esquema de uma aresta de corte típica, formada pelo
processo com auxílio gasoso, com o ponto focal a um terço da
superfície da chapa.
Como referido anteriormente, no processo de corte a laser de metais, é duplo o papel
do gás injetado, geralmente em velocidades supersônicas, conforme Sona [6]:
( i ) - ele exerce uma ação meramente mecânica na remoção do metal fundido,
removendo a camada líquida formada pela interação entre o feixe laser e o material. Este
processo não é tão simples quanto pode parecer, sendo que uma influência peculiar da
pressão do gás sobre a qualidade da aresta de corte pode ser notada, a qual ocorre devido à
formação de ondas de pressão estacionárias entre o bocal de saída do gás e a superfície da
peça;
( i i ) - o gás injetado pode também iniciar uma reação exotérmica com o substrato
metálico, proporcionando uma fonte de calor adicional para a fusão do mesmo. Resultados
teóricos e experimentais, como os de Hsu e Molian [40], e Chen e Steen [34], indicam que
entre 55% e 70% da energia totalde corte é fornecida pela reação exotérmica a altas
temperaturas entre o aço fundido e o oxigênio. Isto permite um corte a laser com velocidade
de corte substancialmente aumentada em relação a que seria obtida sem o jato de gás para a
mesma potência do feixe, mesmo que o fluxo gasoso também resfrie a zona de interação, e
uma maior profundidade de penetração. Em geral, observa-se na seção de corte uma
rugosidade residual na forma de um conjunto característico de estrias de espaçamento regular,
típicas do corte com gás reativo. Essas estrias apresentam uma diferença na inclinação das
estrias entre as camadas superior e inferior da seção de corte. A explicação para este
fenômeno reside no fato de que a camada superior é fundida principalmente pela absorção
direta da radiação laser, enquanto que na camada inferior, a reação exotérmica com o gás tem
um papel mais destacado, como atesta a maior rugosidade média nesta região.
A figura 6 apresenta um esquema da formação contínua da erosão de frente de corte
com o movimento relativo do feixe laser sobre uma chapa de aço genérica.
23
FIGURA 6 - Mecanismos de transferência térmica no processo de corte a
laser de chapas metálicas auxiliado por jato de O2. [40].
Na figura 6 são apresentados os vários mecanismos, com maior ou menor relevância, de
transferência de calor, incluindo a reação exotérmica entre o O2 e os vários elementos que
podem estar presentes, em porcentagens variadas, na composição da chapa, seja como
elementos de liga ou como revestimentos superficiais do aço.
A tabela 1, a seguir, expõe resumidamente valores referentes às propriedades térmicas,
químicas e ópticas de alguns elementos presentes nos aços carbono com e sem revestimento,
possibilitando uma noção da contribuição e limites de interação de cada elemento
isoladamente no processo de corte a laser com jato de O2.
TABELA-1 : Propriedades de elementos envolvidos na reação de corte a laser auxiliado por
oxigênio de chapas de aço carbono com e sem revestimento. Segundo Maillet [3], Samsonov
[52], e Van Vlack [53].
Elemento 
Calor de 
Combustão
DH (+ O2)
(kJ / mol)
Temperatura
de fusão (Tf) e de
vaporização (Tv)
( K )
Difusidade
térmica 
a
 (10-4 m2 / s )
Refletividade
R
a 10,6 mm
( p/ superfície
sólida)
24
24
Fe Reação � :
- 264,4
Tf = 1812
Tv = 2875 0,202 0,965
Zn
Reação ‚ :
-348,1
Tf = 692
Tv = 1180 0,410 0,973
Al Reação ƒ :
-1670
Tf = 933
Tv = 2333 0,850 0,981
C
Reação „ :
 -110,5
Reação … :
 -283,2
Reação † :
 -393,7
Tf = 4000 ¾ ¾
Propriedades nas CNTP.
As reações indicadas na tabela 3-4 são as seguintes:
Reação � : Fe (l) + ½O2 (g) ® FeO (l)
Reação ‚ : Zn (g) + ½O2 (g) ® ZnO (g)
Reação ƒ : 4Al (l) + 3O2 (g) ® 2Al2O3 (s)
Reação „ : 2C (s) + ½O2 (g) ® 2CO (g)
Reação … : 2CO (g) + O2 (g) ® 2CO2 (g)
Reação † : C (s) + O2 (g) ® CO2 (g)
Acontecem ainda as reações menos importantes nos aços: 
Reação ‡ : 2Mn (l) + O2 (g) ® 2MnO (l)
Reação ˆ: Si (l) + O2 (g) ® SiO2 (l)
Para o corte de aço carbono devem ser consideradas as reações �, „, … , †, ‡ e ,ˆ e
para aços com revestimento de Zn ou Al adicionam-se as reações ‚ e ƒ, respectivamente. As
reações „, … e † são semi-reações da reação global do carbono do aço com o oxigênio. 
De todas as reações acima, a mais importante para o processo é a do Fe com o O2,
obviamente pelo fato do ferro ser o elemento base na composição dos aços, e também pela
propriedade do Fe de ser facilmente oxidado em todas as faixas de temperatura. Embora
outros elementos possam contribuir, em uma reação com o O2, com uma quantidade até
maior de energia para o processo, isoladamente sua porcentagem sobre a massa total é muito
pequena, além do fato de possuírem uma resistência à oxidação maior que o Fe, limitando
assim sua participação efetiva no processo, como é o caso principalmente para o Mn e o Si. O
que ocorre com estes dois elementos constituintes, residuais, dos aços carbono durante o
processo de fusão com jato de oxigênio é uma reação preferencial com o óxido de ferro
25
formado em primeiro lugar, resultando em óxido de manganês e dióxido de silício,
respectivamente, além do Fe puro, segundo as seguintes reações:
Reação ‰ : Mn (l) + FeO (l) ® MnO (l) + Fe (l) 
 Reação Š : Si (l) + 2FeO (l) ® SiO2 (l) + 2Fe (l)
O MnO e o SiO2 formados incorporam-se à escória da poça de fusão e são ejetados
pelo jato gasoso em seguida. Assim, as reações ‰ e Š são mais comuns neste processo que
as reações ‡ e .ˆ
O carbono, apesar de também apresentar-se em reduzidas porcentagens mássicas,
possui também uma cinética de reação elevada com o oxigênio, contribuindo em certa
extensão com uma energia de ativação para outras reações exotérmicas na poça de fusão do
aço. Outro papel do carbono na reação global de fusão é retirar o excesso de O2 da poça, pela
formação e volatilização de CO e CO2 em seu interior. 
Como a energia fornecida pelo feixe laser neste processo de corte deve procurar atingir
a temperatura de fusão do ferro sem no entanto vaporizá-lo, deve ser considerada inicialmente
a temperatura do ferro líquido como a temperatura mínima na qual devem ocorrer as demais
reações. Assim, uma verificação nas temperaturas de fusão e vaporização dos vários
elementos que compõem o aço permite estabelecer o tipo mais provável de reação que
determinado elemento sofrerá. Para o Zn presente nas camadas de revestimento das chapas de
aço galvanizadas, com sua baixa temperatura de fusão (vide tabela 3-4), liqüefaz-se
rapidamente com a incidência do feixe laser em nível de potência ajustada para fundir o Fe.
Como também a difusidade térmica do Zn é relativamente baixa, ele tende a se vaporizar com
a energia recebida, o que realmente ocorre. Dessa forma, apenas uma pequena fração de
átomos de zinco entra na formação da poça de fusão, portanto sua contribuição nos processos
de elevação de energia pode ser desprezado. 
Com o aumento de energia térmica concentrada na linha de fusão, originado da
somatória das reações exotérmicas, a temperatura na poça de fusão tende a aproximar-se da
temperatura de vaporização do ferro, principalmente se a chapa de aço for mais espessa pois
isto implicará em potências laser maiores, velocidades de corte menores e, consequentemente,
maior entrada de calor ao longo da linha de corte. Neste caso uma apreciável fração de
átomos de zinco pode reagir com o oxigênio formando ZnO, em uma reação exotérmica
extremamente rápida. O ZnO forma assim uma fina camada de plasma acima da poça,
movimentando-se junto com ela segundo a direção do corte. A velocidade de ocorrência
desta reação é proporcional ao calor gerado na região da poça de fusão.
 Para discutir a interação do feixe laser com o alumínio, deve-se começar salientando a
sua elevada refletividade ao comprimento de onda do feixe de CO2 a temperatura ambiente, e
também seu alto coeficiente de condução de calor (k = 200 W/m.K) comparativamente ao aço
baixo carbono (k = 63 W/m.K). É claro que, como já foi exposto, este alto valor de
refletividade não é um limite absoluto, bastando uma pequena absorção em algum ponto com
subsequente aquecimento para que a absortividade cresça, permitindo que seja alcançada a
temperatura de fusão do Al. Porém, com o elevado valor de k, a potência laser incidente
absorvida e transformada em energia térmica, é rapidamente conduzida para a massa do
material. Este fato acaba restringindo as espessuras e velocidades de corte máximas no corte
de chapas de Al em comparação com os valores correspondentes para o aço. Em relação à
26
26
reação com o oxigênio (reação ƒ) vê-se que o Al desencadeiauma reação exotérmica de
elevada energia ( DH = - 1670 kJ/mol), bem maior que a liberada entre o Fe e o O2. Esta
reação apresenta-se, no entanto, menos efetiva que a do ferro como fonte geradora de calor
adicional para o corte a laser devido basicamente a um efeito de “selamento” temporário do
Al na reação com o O2, apresentado pela camada de Al2O3 formado em reação preliminar
[27]. Assim que esta camada é destruída pelo jato a alta pressão, nova reação exotérmica tem
lugar. Embora este efeito de impermeabilização à oxidação apresentado, o Al2O3 apresenta
uma absortividade de quase 100% ao comprimento de onda de 10,6 mm do laser de CO2.
3.3 - Corte a Laser em Regime de Superpulso
Entre as características favoráveis apresentadas pelos lasers de CO2 para sua utilização
em processos de fabricação, destaca-se a possibilidade desses lasers serem modulados em
várias formas temporais para a potência de saída, característica que assegura versatilidade de
aplicações com o sistema laser. As formas de modulação, de forma genérica, constam de
potência de saída em regime contínuo (CW) e em regime pulsado. Uma forma especial de
saída de potência laser no modo pulsado é representada pelo regime em superpulso. 
O regime de potência de saída em superpulso é bastante utilizado em várias operações
especiais de corte a laser de materiais metálicos e seu modo de funcionamento consiste
basicamente na formação seqüencial de um trem de pulsos de curta duração e com elevada
potência de pico, conforme descrito em [7].
Em particular, a modulação temporal da potência de saída de um laser de CO2 para a
operação em regime de superpulso constitui uma importante característica de tais lasers para
o trabalho com materiais, na medida em que permite a superação de algumas limitações
relativas ao processamento de certos materiais apresentadas pelo laser de CO2 operando em
regime contínuo, ampliando, dessa forma, o campo de aplicações possíveis com o laser de
CO2 que apresentam resultados satisfatórios.
Os parâmetros que regulam o regime em superpulso dependem primariamente dos
parâmetros de operação da fonte de bombeamento do meio ativo do laser, tais como a
magnitude e duração de aplicação da tensão de ruptura dielétrica do meio ativo do laser e de
sua corrente induzida correspondente, bem como a taxa máxima de repetição destas
grandezas, a qual limita a freqüência máxima possível de pulsamento do laser. 
A potência de pico no superpulso pode atingir um valor várias vezes maior que a
potência de saída nominal do laser operando em regime contínuo, porém este valor varia
sobremaneira dependendo do tipo estrutural de laser de CO2 utilizado (com fluxo axial lento
ou rápido da mistura gasosa que compõe o meio ativo) e suas características de projeto,
segundo Sasnett [7]. Na maior parte dos sistemas laser industriais, a potência de pico no
superpulso corresponde a três vezes a potência de saída nominal no regime contínuo,
conforme retratado por Schwarzenbach e Hunziker [54].
Basicamente, existem duas razões principais para a realização do corte a laser de
materiais metálicos utilizando o regime de superpulso, de acordo com Sasnett [7]: em
primeiro lugar, o nível de potência de saída nominal do laser operando em regime de potência
contínua pode ser insuficiente para romper a barreira de refletividade apresentada pela
27
superfície de um metal ao comprimento de onda do laser de CO2, ou para que seja atingida e
mantida a temperatura de fusão (ou de vaporização) do metal ao longo de toda sua espessura.
Assim, o mesmo laser operando em regime de superpulso pode desenvolver pulsos com
potências de pico substancialmente maiores que sua potência em regime contínuo, mesmo que
apresente uma potência média inferior a esta última. 
A segunda razão para o uso do superpulso como regime de potência de saída é a
obtenção de elevados gradientes térmicos em relação ao espaço e ao tempo em regiões da
trilha de corte que apresentem características termogeométricas desfavoráveis à ação do feixe
laser operando em regime contínuo de potência de saída, de modo a evitar a ocorrência de
excesso de material fundido nessas regiões. Esse excesso de fusão é provocado por um
superaquecimento local decorrente de uma elevada concentração térmica, como mostrado no
trabalho de Moryasu et al. [23]. 
Dentro desse último aspecto, o corte a laser em superpulso é igualmente efetivo quando
as propriedades físico-químicas do material processado, principalmente quando conjugadas a
uma geometria de corte relativamente complexa, na qual existam regiões onde estão
associadas taxas muito baixas de variação do gradiente térmico em relação ao tempo e ao
espaço quando da passagem do feixe laser pela trilha de corte, o tornam desfavoravelmente
suscetível a reações exotérmicas muito rápidas e relativamente extensas (explosões) com o
gás oxigênio, dentro da linha de corte, nas temperaturas e taxas de aquecimento elevadas do
corte em regime contínuo.
No regime em superpulso a potência média é resultante do “duty cycle” ou “ciclo útil”,
formado pela seguinte relação:
 Rt = t0 / tb 
onde t0 é o tempo do pulso ligado e tb é tempo total do trem de pulsos considerado (isto é,
incluindo o tempo de pulso ligado e o tempo de pulso desligado). Necessariamente, nesta
relação Rt é menor que um, pois se fosse igual a um seria um funcionamento em regime
contínuo. Geralmente, Rt está contido em uma faixa de valores tal que 0,1 £ Rt £ 0,5 no
regime de potência de saída laser em superpulso. A figura 7, a seguir, mostra um trem de
pulsos com a relação Rt = t0 / tb = 0,1, considerando o tempo de pulso desligado igual ao
tempo de pulso ligado (t0). 
28
28
FIGURA 7 - Esquema de um superpulso ideal mostrando o tempo de pulso ligado (t0)
e o tempo total de um trem de pulsos (tb), composto por cinco pulsos..
O tempo de pulso ligado está relacionado com as propriedades físicas do meio ativo do
laser e com o regime de bombeamento utilizado. O valor usual de t0 para lasers de CO2 está
compreendido entre 0,1 ms e 1 ms, conforme Sasnett [7]
A potência de pico para t0 suficientemente curto pode ser aproximadamente seis vezes a
potência média com Rt = 1. Para valores maiores de t0, a potência de pico atingida torna-se
menor devido à ocorrência de efeitos térmicos e elétricos provocados pela descarga de
excitação no meio ativo do laser, podendo, em geral, se reduzir a um valor duas vezes maior
que a potência de saída obtida com Rt = 1 (regime contínuo). Dessa forma, para um tempo
total tb fixo, à medida que t0 aumenta, Rt aproxima-se da unidade e a potência de pico (e sua
média) aproxima-se do nível de potência em regime contínuo. 
A figura 8, a seguir, representa esquematicamente os perfis de variação da potência de
saída em função do tempo (e do espaço) para os regimes em superpulso no caso teórico ideal
e no caso real, e da taxa de aquecimento do material durante o processo de corte com o laser
operando em superpulso.
Percebe-se, pela análise da figura 8, que o pulso unitário real do trem de pulsos sustenta
seu pico de potência em um tempo muito menor que tb e retém uma pequena parte do pulso
durante o tempo de laser desligado, contrariamente ao caso de um pulso ideal. Este desvio do
caso ideal é provocado principalmente por fatores ligados à degeneração e inércia térmica do
meio ativo do laser. Em conseqüência, o trem de pulsos real apresenta uma potência média
menor que no caso ideal.
29
FIGURA 9 - Diagrama esquemático do trem de pulsos ideal e real
do laser operando no regime de superpulso geométrico. [7, 55]
Resumindo, o superpulso é utilizado quando é exigido pelo processo um menor
aquecimento lateral na região da linha decorte sem no entanto deixar de ser atingida a
temperatura de fusão do metal no centro do ponto focal do feixe laser. Portanto, com o
superpulso a taxa de aquecimento no ponto focal é maior, porém modulada pelo próprio
regime de superpulso. 
Em termos práticos, este efeito pode representar uma melhor precisão dimensional da
aresta de corte pela redução da quantidade de material fundido nas regiões contíguas ao
centro da linha de corte, e também a formação de uma zona termicamente afetada (ZTA)
menor que a formada no corte a laser em potência de saída contínua. Estas características,
como dito antes, destacam a utilização do superpulso como regime apropriado para o corte a
laser de peças que apresentam em seu contorno elementos com características
termogeométricas desfavoráveis para o processo em regime com potência de saída contínua .
 Estas características termogeométricas adversas podem ser representadas por ângulos
agudos, retos e obtusos, internos ou externos à peça, ranhuras ou fendas estreitas, furos
muito pequenos e próximos, arestas de corte paralelas muito próximas em termos de espaço e
de tempo na seqüência de corte do feixe laser, e também na furação de início de corte
realizada pelo feixe laser sobre a chapa metálica para vencer a baixa absorção a temperatura
ambiente do metal relativamente ao comprimento de onda do laser de CO2.
30
30
Com o superpulso, o inconveniente é que necessariamente Rt < 1, ou seja, a potência
média em superpulso é inferior à potência média em regime contínuo, o que ocasionará na
maioria dos casos uma redução apreciável da velocidade de corte em comparação com o
corte em regime contínuo, o que pode ser relevante em termos de produtividade do processo.
Dessa forma, o critério de utilização do superpulso sempre deverá levar em consideração os
fatores qualidade e produtividade, estabelecendo tanto quanto possível um ponto de equilíbrio
entre ambos.
Uma solução intermediária para o corte a laser de peças, com qualidade sem diminuir
significativamente a produtividade é a utilização de um regime misto que aproveite tanto a
característica de alta velocidade do corte a laser em regime de potência contínua quanto a
qualidade de corte aceitável em termogeometrias desfavoráveis. Assim sendo, em cortes por
trilhas retilíneas relativamente longas, onde o vetor velocidade se mantenha constante, o
regime de funcionamento do laser ocorrerá em potência contínua, enquanto que nas regiões
onde há uma variação significativa do vetor velocidade, como ocorre em ângulos agudos,
retos, obtusos e em curvas e círculos de pequeno raio de curvatura, é acionado o regime de
potência em superpulso. 
Este procedimento pode ser obtido através da utilização de um superpulso geométrico,
no qual, diferentemente do superpulso temporal convencional citado na literatura, como, por
exemplo, em Sasnett [7], os parâmetros do trem de pulsos são diretamente relacionados e
dependentes dos aspectos dimensionais da trilha de corte. A diferença primordial reside no
fato de que no superpulso geométrico a taxa de pulsação e o tempo de laser ligado mantêm-se
constantes em relação ao espaço e variantes relativamente ao tempo. Portanto, quando
ocorre uma desaceleração ou aceleração do bico de corte do laser, e uma conseqüente
variação da velocidade, a razão número de pulsos/tempo torna-se proporcionalmente menor
ou maior, respectivamente, enquanto que a razão número de pulsos/espaço permanece
constante. A figura 10, na página seguinte, ilustra esta situação.
Portanto, com o superpulso geométrico uma seqüência de corte a laser pode ser obtida
em um sistema misto de regimes de saída de potência contínua e pulsada dependendo dos
aspectos geométricos já citados. 
31
FIGURA 10 - Comportamento do trem de pulsos laser, em relação ao espaço e ao
tempo, em regime de superpulso geométrico, em função da variação da velocidade
de corte.
3.4 - Sistemas de Corte a Laser
Entre as principais características que favoreceram a expansão do laser como
ferramenta comum no ambiente de fabricação industrial, compondo sistemas de usinagem
comandados numericamente através de computador, podem-se citar, segundo Maillet [3],
Steen [4], Luxon e Parker [5], Sona [6], Irving [49], e Warnecke e Hardock [55]: 
· Ausência de contato (e desgaste) de ferramenta e de esforços mecânicos sobre a
peça de trabalho;
· Formação de Zona Termicamente Afetada (ZTA) relativamente bastante reduzida;
· Formação de linhas de corte estreitas e com faces retas, originando cortes com
elevada precisão dimensional e de forma;
· Capacidade do feixe laser de incidir em áreas espacialmente bastante reduzidas,
difíceis ou impossíveis de serem alcançadas por outros métodos de usinagem.;
· Em geral, maior velocidade de processo para uma determinada qualidade
dimensional do corte em relação a outros métodos de corte térmico;
· Alta flexibilidade e facilidade de automação;
· Reduzido tempo de preparação e ajuste, assim como simplicidade de utilização e não
restrição a ambientes especiais tais como câmaras de vácuo.
32
32
Com o desenvolvimento e a amplitude de aplicação alcançados pelo corte a laser em
vários segmentos industriais, consolidou-se o conceito de sistema de corte a laser. Um
sistema significa uma unidade de processamento de corte a laser composta por um laser de
média ou alta potência de saída, em geral um laser de CO2, uma mesa posicionadora onde é
apoiada e/ou fixada a peça de trabalho e uma unidade controladora por comando numérico
computadorizado (CNC) que controla e monitora as funções dos componentes cinemáticos
(movimentos da mesa e do bico de corte laser), a regulagem da óptica de focalização, a vazão
dos gases de corte, bem como os parâmetros da potência de operação do laser (potência de
saída, potência contínua, pulsada, etc.), tudo isso através de programas de controle geral
(instalados na memória de leitura do CNC) e programas de execução de tarefas de corte.
Os sistemas de corte mais difundidos, conforme [3, 4, 5, 6, 49, 55], são aqueles
projetados para cortes em chapas ou folhas metálicas para a obtenção de peças planas, com
geometrias mais ou menos complexas (estampagem a laser), bem como para o corte de
materiais não-metálicos. São sistemas com movimentação de 2 ou 3 eixos ortogonais
(cartesianos). Em sistemas de 2 eixos (X-Y), a mesa pode se mover nas direções X e Y,
alternada ou simultaneamente, enquanto a óptica de focalização no cabeçote laser permanece
fixa, ou, de outro modo, o cabeçote movimenta-se em X-Y enquanto a mesa é fixada. Estas
configurações costumam apresentar problemas relativos à precisão do corte bem como à sua
manutenção, ocasionados pela concentração de movimentos em uma única unidade
cinemática. Há ainda, sistemas X-Y nos quais a mesa e o cabeçote laser movimentam-se
independentemente em X ou Y, respectivamente, representando a melhor solução de projeto
para este caso.
Mais comuns no ambiente industrial para as aplicações de usinagem a laser são os
sistemas com movimentação em 3 eixos ortogonais independentes. Embora bastante similar a
um sistema de 2 eixos, diferem desses pela presença de um grau extra de liberdade (eixo Z),
conferido à óptica de focalização de maneira a manter o feixe constantemente focalizado
sobre a chapa durante o trabalho de corte a laser mesmo em regiões deformadas da chapa ou
com pequenos ressaltos ao longo da trilha de corte. Em geral, há um tipo de sensor na
extremidade inferior do cabeçote, controlando a distância da superfície de trabalho em relação
à extremidade do bocal laser, que, em tempo real, fornece esses dados ao controle adaptativo
do CNC, que então procede imediatamente às correções necessárias na distância bocal-chapa
ou na óptica de focalização.O número de configurações X-Y-Z possíveis, encontradas em
ambiente de fabricação industrial, segue as dos modelos biaxiais já comentados. 
Os sistemas aumentam sua complexidade com a adição de um ou mais eixos,
constituindo os sistemas com 4, 5 ou 6 eixos. Estes sistemas multi-eixos, embora ainda não
tão comuns quanto os sistemas de 3 eixos, experimentaram nos últimos anos um elevado
crescimento em sua taxa de utilização, acompanhando avanços realizados nas áreas de
robótica, computação e de dispositivos condutores de feixes laser, conforme Irving [49],
Gropp et al. [50] e Hilton [51]. 
O conjunto de tais sistemas ampliou ainda mais o número de aplicações do laser nos
processos de manufatura, com a possibilidade de corte a laser em peças de trabalho
tridimensionais, como em chapas de aço conformadas e painéis de material polimérico na
indústria automobilística. As possíveis configurações de movimento destes sistemas são
inúmeras, e podem efetuar-se, parcial ou totalmente, em coordenadas cartesianas, cilíndricas e
33
polares. O eixo óptico do cabeçote tem que ser posicionado sempre normalmente à superfície
de trabalho.
 A maioria dos sistemas de corte a laser utilizados mundialmente opera, conforme
Maillet [3], com lasers de CO2, em potências de saída nominais entre 500 W e 3 kW, em
regime contínuo ou pulsado, para diversas aplicações de corte de geometrias mais ou menos
complexas em peças metálicas, principalmente chapas de aço carbono com e sem
revestimento, como exposto em Warnecke e Hardock [55].
3.5 - Comparação com Outros Processos
Uma análise comparativa entre os diversos processos existentes de corte de materiais,
dentro de um ambiente de fabricação industrial, deve considerar os resultados em um sistema
formado por critérios técnicos e econômicos característicos de cada processo. Desse modo,
ficam estabelecidos os campos de aplicação preferenciais para o processo considerado. 
No caso do corte a laser, as características fundamentais do processo podem
representar concomitantemente fatores favoráveis e desfavoráveis, dependendo do tipo de
aplicação considerada e em uma base de análise que, como dito antes, considere os aspectos
técnicos e econômicos envolvidos. 
Embora o termo corte a laser possa significar, em um sentido geral, qualquer aplicação
onde um feixe laser focalizado é utilizado para a eliminação de uma faixa de material com
uma largura próxima à medida do diâmetro da região focalizada, através da fusão ou
vaporização do mesmo ao longo da espessura total de um substrato, ele é utilizado mais
especificamente para a faixa de aplicação, mais freqüentemente encontrada nos processos
industriais, relacionada com o uso de lasers (na grande maioria dos casos um laser de CO2) de
média e alta potência para o corte de formas geométricas mais ou menos complexas a partir
de chapas metálicas, como no contexto desta dissertação.
 As chapas industrialmente mais utilizadas para as operações de corte a laser são chapas
relativamente finas (até 3 mm) de aços carbono e aços com revestimento superficial metálico,
principalmente os galvanizados, vindo os aços inoxidáveis em terceiro lugar, conforme
relatado em Warnecke e Hardock [55], Webber [56] e Gerck [58]. Na maior parte das vezes,
as peças planas cortadas a laser serão submetidas a processos posteriores de dobramento
e/ou soldagem, dentro das especificações particulares de fabricação, sem a necessidade de
usinagens adicionais após o corte efetuado pelo laser. Resulta deste fato, que o processo de
corte a laser de formas geométricas em chapas finas compete mais diretamente, se forem
considerados conjuntamente aspectos técnicos e econômicos, com o processo convencional
de corte por estampagem mecânica em chapas metálicas do que com outros processos
térmicos. O termo, freqüentemente utilizado no ambiente de fabricação, “estampagem a
laser” foi criado justamente para designar o corte a laser dentro deste campo de aplicação.
Segundo Maillet [3], as características de alta condutibilidade térmica e refletividade em
relação aos comprimentos de onda característicos dos laser apresentadas pelas superfícies
metálicas exigem altas potências nominais (ou de pico, no regime pulsado) de saída dos lasers
(maiores que 1000 W) para a realização de operações de corte com velocidades que
justifiquem economicamente a produção. Porém, dentro dos aspectos técnicos favoráveis,
34
34
comparativamente a outros processos térmicos e mecânicos, resultantes do processo de corte
em metais, podem ser citados: ZTA bastante reduzida; alta precisão dimensional e de posição,
implicando no estabelecimento de faixas de tolerâncias bastante estreitas; nenhum contato ou
esforço mecânicos na região de trabalho (ausência de deformações mecânicas) e precisão no
corte de geometrias complexas. 
Embora não seja objetivo desta dissertação realizar um estudo comparativo do processo
de corte a laser em relação aos outros processos de corte de chapas metálicas, entre eles a
estampagem mecânica, a seguir são apresentados alguns estudos publicados que tiveram, em
parte ou exclusivamente, este objetivo, com a finalidade de uma consulta posterior. 
Em trabalho de Miyamoto e Maruo [57], publicado em 1991, onde são analisadas as
características básicas do processo de corte a laser, foi feito um levantamento da taxa
crescente de utilização ao longo dos anos do processo de corte a laser no ambiente de
fabricação, em função da alta qualidade do mesmo, com produtividade e flexibilidade.
Resultados de cortes efetuados por vários processos térmicos são comparados por
Hilton [51]. Neste artigo, do ano de 1995, o autor fez uma comparação entre os processos
térmicos de corte em termos de características do processo e da região da face cortada, tais
como: largura da linha de corte formada, velocidade de processamento, rugosidade média
final e dimensão da zona termicamente afetada produzida.
Uma comparação dos aspectos econômicos envolvidos na produção de peças planas
entre o corte a laser e a estampagem convencional foi publicada por Gerck [58].
 
Deve ser ressaltado que publicações com esse tipo de abordagem comparativa de vários
processos em relação ao processo a laser são apresentadas com uma certa freqüência por
diversos autores, sendo isto devido, principalmente, ao rápido avanço registrado nos campos
de pesquisa de novas aplicações e de otimização das características fundamentais da
tecnologia laser aplicada à fabricação industrial. 
Sendo que a taxa de evolução do laser como ferramenta mostra-se comparativamente
bem maior que o da maioria dos outros processos de corte e os resultados obtidos, na maior
parte dos casos, revelam um processo mais ajustado à vários requerimentos atuais de
fabricação, é compreensível a freqüência de estudos mencionada e a ocorrência de um fato
interessante entre estudos publicados em intervalos de poucos anos que é a substituição (no
estudo mais recente) de um processo de corte, convencional ou não, pelo corte a laser como
processo preferencial para certas aplicações (ao contrário do estudo anterior) em virtude de
uma otimização em alguma característica do processo de corte a laser com auxílio gasoso,
revelando, assim, o caráter transitório dos resultados dos estudos comparativos e a dinâmica
de desenvolvimento da tecnologia laser.
4 - O Sistema LASER MT-1000Ô
Aqui são descritas as características gerais de um sistema laser de CO2 tipicamente
utilizado para processamento de materiais. Trata-se do sistema CNC/Laser de CO2 de alta
potência MT-1000Ô.
 
35
A máquina integra um sistema laser comandado por um CNC específico, desenvolvido
para esta finalidade, operando com o software CNCXY-2Ô.
 
A MT-1000Ô [60]é uma máquina laser multitarefa, podendo realizar operações
isoladas, ou em conjunto num mesmo ciclo de fabricação, de soldagem, corte, marcação,
texturização e tratamento térmico. A figura 11 mostra uma foto com visão panorâmica do
MT-1000™, e a tabela 2 apresenta um resumo informativo de suas principais características.
FOTO 11 - Vista geral em perspectiva da máquina CNC/Laser MT-1000™ .[60]
TABELA-2 : Características principais da máquina CNC/Laser MT-1000Ô.[60]
Potência Laser........................................3000 W Capacidade........................até 3,0 mm em aço
Área de corte....................................2 m X 1,6 m Regimes de Corte.............Contínuo, Superpulso
Velocidade Máxima..............................30 m/min Menor furo possível................................0,1 mm
Precisão.................................................0,05 mm Eixo Z..................................Sensor sem contato
Peso......................................................4500 Kg Estrutura........................Monobloco pré-alinhado
Motores...............................................Servo AC Base do Laser...........................Granito, 1000 Kg
Guias Lineares........................À prova de poeira CNC com 80 bits de precisão.
Dispositivo de Controle............................Portátil Gases de Processo Controlados por CNC
O sistema CNC/Laser MT-1000ä pode ser dividido em três partes: o módulo de
potência laser, a central de controle CNC e o sistema de movimentação da mesa
posicionadora e do cabeçote laser.
O laser do MT-1000ä encaixa-se na categoria de laser de CO2 de fluxo axial lento. Sua
potência nominal é 3000 W e seu regime de operação pode ocorrer em potência de saída
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contínua, pulsada ou em superpulso. Seu sistema de refrigeração da região ativa (tubo da
cavidade ressonante) é feito por convecção forçada através de circulação de água.
O controle CNC estende-se a um sistema de movimentação com dois graus de liberdade
(eixos X e Y) e um grau extra para posicionamento da óptica de focalização no cabeçote do
laser (eixo Z). Os eixos X e Y são movimentados por servo-motores AC e o eixo Z por um
motor de passo (eixo Z), todos comandados pelo CNC.
A característica principal da óptica de focalização do MT-1000ä, a qual é constituída
por uma lente plano-convexa de ZnSe com 127 mm de distância focal, é a possibilidade de ser
obtido um ponto focal com apenas 0,1 mm de diâmetro, o que resulta em uma alta precisão
dimensional e uma reduzida região de interação térmica no corte em chapas metálicas em
virtude da estreiteza da linha de corte formada.
A figura 12, a seguir, mostra uma foto do gabinete de controle CNC da máquina laser
MT-1000.
FIGURA 12 - Módulo central de controle CNC da máquina laser MT-1000™. [60]
A figura 13 mostra a configuração da área de trabalho do laser, composta pelo sistema
de movimentação lateral da óptica de focalização (eixo horizontal no centro da foto), o
sistema de movimentação da mesa, o bocal cônico de saída do feixe e dos gases auxiliares de
corte, os pinos de sustentação e os fixadores na mesa posicionadora. Na parte central da foto,
posiciona-se a placa de suporte e movimentação do bico de corte (cabeçote). O cabeçote é
movimentado ao longo do eixo Z por um servo-motor. Um sensor de proximidade está
localizado ao lado do bocal.
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FIGURA 13 - Parte frontal da máquina MT-1000Ô, onde são visualizados o cabeçote
laser (A), o sistema de movimentação do cabeçote (B), a mesa posicionadora (C), o
bocal de saída dos gases auxiliares (D) e o sensor de proximidade (E). [60]
A figura 14 mostra o detalhe do bocal, com o sensor e os tubos de condução dos gases
de corte e resfriamento da óptica de focalização, com o laser atuando em trabalho de corte
sobre uma chapa de aço.
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FIGURA 14 - Detalhe do bico de corte do laser MT-1000Ô, em pleno trabalho de corte
em chapa de aço, mostrando o bocal de saída dos gases auxiliares de corte (D), o sensor
indutivo de proximidade (E) e os tubos de transporte: de gás N2 de proteção (T1), de gás
O2 de corte (T2), de saída (T3) e entrada (T4) de água para refrigeração da óptica de
focalização.[60]
Durante as operações de corte, a extremidade do bocal de saída (bico de corte) dos
gases de corte, permanece entre 1 mm e 2 mm acima da superfície da chapa, dependendo do
material que a compõe, para, além de evitar o choque do bico de corte com a chapa, manter a
pressão adequada dos gases auxiliares sobre sua superfície [60]. Esta distância é controlada
em tempo real durante o processo de corte através de um controle adaptativo do CNC, que
usa um sensor de proximidade indutivo, instalado ao lado do bico de corte. A pressão dos
gases de corte sobre a superfície de trabalho deve ser mantida, em geral, em torno de 300 kPa
[60].
Todos os movimentos do sistema cinemático da máquina podem ser controlados pelo
operador da máquina através de um controle portátil conectado ao gabinete CNC através de
cabo flexível. Pode-se assim, controlar e monitorar a operação da máquina, estando próximo
à região de trabalho do feixe laser.
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Alguns procedimentos e requisitos necessários para garantir o funcionamento adequado
da máquina durante as sessões de corte são descritos no manual do MT-1000™ [60], e dizem
respeito à limpeza, ajustes e alinhamento das estruturas óptica e mecânica. 
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