BR112019000194B1 - Método de processamento a laser de um material metálico, com controle da distribuição de potência transversal do feixe de laser em um plano de trabalho, máquina e suporte compreendendo um conjunto de instruções para implementar o dito método - Google Patents

Abstract

São descritos um método de processamento a laser de um material metálico, com controle da distribuição de potência transversal do feixe de laser (B) em um plano de trabalho, e uma máquina e um programa de computador para a implementação do dito método. Um método de processamento a laser de um material metálico compreende um feixe de laser (B) tendo uma distribuição de potência transversal predeterminada, focalizado em pelo menos um plano de trabalho do material metálico, compreendendo as etapas de: prover uma fonte de emissão de feixe de laser; conduzir o feixe de laser ao longo de um trajeto óptico de transporte de feixe até um cabeçote de trabalho disposto próximo do material; colimar o feixe de laser ao longo de um eixo óptico de propagação incidente sobre o material; focalizar o feixe de laser colimado em uma área de um plano de trabalho do material; e conduzir o dito feixe de laser focalizado ao longo de um trajeto de trabalho sobre o material metálico, compreendendo uma sucessão de áreas de trabalho; com o feixe de laser sendo conformado por: reflexão do feixe colimado por meio de um elemento refletor de superfície controlada e deformável, tendo uma pluralidade de (...).

Description

[001] A presente invenção refere-se ao processamento a laser de um material metálico, mais especificamente a um método de processamento a laser para corte, perfuração ou soldagem do referido material, conforme especificado no preâmbulo da reivindicação independente 1.

[002] De acordo com outros aspectos, a presente invenção refere-se a uma máquina para processamento a laser de um material metálico, configurada para implementar o método de processamento a laser, e a um programa de computador compreendendo um ou mais módulos de código para implementar o método acima mencionado, quando o programa é executado por meios de processamento eletrônico.

[003] Na descrição a seguir e nas reivindicações, o termo "material metálico" é utilizado para definir qualquer peça de trabalho metálica, tal como uma chapa ou perfil alongado tendo indiferentemente uma seção transversal fechada - como por exemplo uma forma oca circular, retangular ou quadrada - ou uma seção aberta - por exemplo, uma seção plana ou uma seção em formato de “L”, “C”, “U”, etc..

[004] Nos métodos industriais de processamento de metal, e em particular para chapas e perfis metálicos, o laser é usado como uma ferramenta térmica para uma ampla variedade de aplicações que dependem dos parâmetros de interação do feixe de laser com o material sendo processado, especificamente a densidade energia por volume de incidência do feixe de laser sobre o material e o intervalo de tempo de interação.

[005] Por exemplo, direcionando-se uma baixa densidade de energia (da ordem de dezenas de W por mm2 de superfície) durante um tempo prolongado (da ordem de segundos), um processo de endurecimento é alcançado, enquanto que direcionando-se uma alta densidade de energia (da ordem de dezenas de MW por mm2 de superfície) durante um tempo na ordem de femtossegundos ou picossegundos, um processo de foto- ablação é alcançado. Na faixa intermediária, com aumento da densidade de energia e diminuição do tempo de trabalho, o controle desses parâmetros permite que os processos de soldagem, corte, perfuração, gravação e marcação sejam realizados.

[006] Em muitos processos, incluindo processos de perfuração e de corte, um fluxo de gás auxiliar deve ser provido à região de trabalho onde ocorre a interação entre o feixe de laser e o material, tendo funções mecânicas de propulsão do material fundido, ou funções químicas de assistência à combustão, ou mesmo funções tecnológicas de blindagem do ambiente em torno da região de trabalho.

[007] No campo do processamento a laser de materiais metálicos, o corte, a perfuração e a soldagem a laser são operações de processamento que podem ser realizadas pela mesma máquina, adaptada para gerar um feixe de laser focalizado de alta potência tendo uma predeterminada distribuição de potência transversal sobre pelo menos um plano de trabalho do material metálico, tipicamente um feixe de laser com uma densidade de potência variando de 1 a 10.000 kW / mm2, e adaptada para governar a direção do feixe e a posição de incidência ao longo do material. A diferença entre os diferentes tipos de processamento que podem ser realizados em um material é substancialmente atribuível à potência do feixe de laser utilizado e ao tempo de interação entre o feixe de laser e o material submetido a processamento.

[008] Máquinas de processamento a laser de acordo com o estado da técnica anterior são mostradas nas figuras 1 e 2.

[009] A figura 1 mostra esquematicamente uma máquina de processamento industrial tendo um laser de CO2 com um trajeto óptico do feixe de laser no ar, compreendendo uma fonte de emissão 10, tal como um dispositivo gerador de laser de CO2, capaz de emitir um feixe de laser B monomodo ou multimodo, e uma pluralidade de espelhos refletores 12a, 12b e 12c, adaptados para conduzirem o feixe de laser emitido a partir da fonte de emissão ao longo de um trajeto óptico de transporte de feixe até um cabeçote de trabalho, indicado coletivamente pelo numeral 14, disposto próximo a um material WP. O cabeçote de trabalho 14 compreende um sistema de focalização óptica 16 do feixe de laser, consistindo geralmente de uma lente de focalização, adaptada para focalizar o feixe de laser ao longo de um eixo óptico de propagação incidente sobre o material metálico. Um bocal 18 está disposto a jusante da lente de focalização, sendo atravessado pelo feixe de laser direcionado para uma área de um plano de trabalho do material. O bocal está adaptado para direcionar um feixe de um gás auxiliar injetado por um sistema correspondente, não mostrado, em direção à área de trabalho no material. O gás auxiliar é usado para controlar a execução de um processo de trabalho, bem como a qualidade do processamento que pode ser obtido. Por exemplo, o gás auxiliar pode incluir oxigênio, o que favorece uma reação exotérmica com o metal, permitindo que as velocidades de corte sejam aumentadas, ou um gás inerte como o nitrogênio, que não contribui para a fusão do material, mas protege o material da oxidação indesejada nas bordas do perfil de trabalho, protege o cabeçote de trabalho contra qualquer respingo de material fundido, e também pode ser usado para resfriar os lados da ranhura produzida no material, limitando a expansão da área termicamente alterada.

[010] A figura 2 mostra esquematicamente uma máquina de processamento industrial com o feixe de laser canalizado através de fibra ótica. Ela compreende uma fonte de emissão 10, tal como um dispositivo gerador de laser capaz de alimentar um feixe de laser em uma fibra de transporte, como por exemplo uma fibra de laser dopada com itérbio, ou um laser de diodo direto, adaptado para emitir um feixe de laser monomodo ou multimodo, e um cabo de fibra ótica 12d adaptado para conduzir o feixe de laser emitido pela fonte de emissão até o cabeçote de trabalho 14, disposto próximo ao material M. No cabeçote de trabalho, o feixe de laser que emerge da fibra com sua divergência controlada é colimado por um sistema de colimação dióptrico 20 e refletido por um sistema catóptrico 22, antes de ser focalizado através de um sistema de focalização óptica 16, consistindo geralmente em uma lente de focalização, ao longo de um eixo óptico de propagação incidente sobre o material WP, passando através do bocal emissor 18.

[011] A figura 3 ilustra um cabeçote de trabalho exemplificativo 14 de acordo com o estado da técnica anterior. O numeral 30 indica um canal tubular tendo seções cilíndricas ou cônicas dentro das quais o feixe de laser é transmitido, indicado por B. O feixe de laser B gerado pela fonte de emissão 10 e transportado para o cabeçote de trabalho por meio de um trajeto óptico, através do ar com múltiplas reflexões ou através de fibras ópticas, é colimado em um elemento defletor refletivo 32 que deflete o seu eixo de propagação óptica em uma direção de incidência sobre o material a ser processado. O sistema de focalização óptica 16 fica disposto intermediariamente entre o elemento defletor refletivo 32 e uma peça deslizante protetora 34 disposta a jusante, adaptada para proteger o sistema de focalização contra quaisquer respingos de material fundido, e compreende uma unidade de suporte de lente 36 à qual estão acoplados mecanismos de ajuste mecânico 38, para calibração do posicionamento da lente transversalmente à direção de propagação do feixe (eixos X-Y) e na direção de propagação do feixe (eixo Z).

[012] O processamento óptico ao qual o feixe de laser é submetido no cabeçote de trabalho está ilustrado nas figuras 4 e 5.

[013] O feixe de laser B que se origina de uma fonte de emissão S, através de um trajeto de transporte óptico no espaço livre ou em fibra, atinge o cabeçote de trabalho com uma predeterminada divergência. Um sistema de colimação óptica, mostrado na figura 4 pela lente C, proporciona a colimação do feixe de laser B, direcionando-o para um sistema de focalização óptica disposto a jusante, representado pela lente F, capaz de produzir um feixe de laser focalizado. Na primeira aproximação, um feixe de laser ideal, isto é, um feixe de laser idealmente colimado em raios paralelos, a jusante de um sistema de focalização óptica, é concentrado em um ponto focal de acordo com as leis da óptica geométrica. As leis físicas de difração, no entanto, indicam que o feixe de laser, mesmo na melhor configuração de colimação e foco, apresenta, a jusante do sistema de focalização óptica, um ponto focal finito em sua “cintura”. Isto é representado na figura 4 pela região indicada por W, que corresponde à área focal do feixe B. Geralmente, no uso no processamento industrial, o plano de trabalho de um material coincide com o plano transversal na “cintura” do feixe.

[014] A figura 5 mostra a distribuição da densidade de potência de um feixe de laser normalmente colimado, tendo tipicamente um formato Gaussiano com simetria rotacional, no caso de um feixe monomodo, isto é, com potência concentrada em torno do eixo longitudinal do feixe (eixo Z) e diminuindo gradualmente ao longo de uma “saia” periférica, ou podendo ser descrito como o envelope de perfis Gaussianos com simetria rotacional, no caso de um feixe multimodo.

[015] O uso de feixes com uma radiação laser monomodo ou multimodo, que pode ser descrita em uma primeira aproximação como Gaussiana, atende aos requisitos de controle tecnológico no campo das aplicações de lasers de alta potência. De fato, um feixe Gaussiano é facilmente descrito por alguns parâmetros, e é facilmente controlável em sua propagação ao longo de um trajeto de transporte óptico a partir de uma fonte de emissão até o cabeçote de uma máquina de processamento, pois apresenta a característica de se propagar sem modificar a distribuição de potência, podendo ser descrito através de um valor de raio e um valor de divergência em condições de propagação distante do campo (caso em que uma aproximação de óptica geométrica pode ser usada). Nas condições de propagação do feixe focalizado no campo próximo, ao longo de uma trajetória de trabalho onde a aproximação da óptica geométrica não é mais válida, o feixe mantém, em qualquer caso, o padrão de distribuição de potência Gaussiano em cada uma de suas seções transversais.

[016] Um feixe de laser compreendendo modos transversais de ordem mais alta apresenta, pelo contrário, uma distribuição de potência não Gaussiana. Normalmente, essas condições são obtidas usando-se sistemas de dioptria (sistemas ópticos do tipo transmissivo, isto é, lentes) que modificam o formato do feixe a partir de uma distribuição Gaussiana. Uma característica típica dos sistemas ópticos utilizados para este propósito é a sua "natureza estática" ou "rigidez" em relação à configuração óptica da máquina. De fato, um sistema óptico específico é projetado para produzir uma e somente uma geometria de distribuição de potência, como por exemplo uma distribuição de potência mais ampla que a distribuição Gaussiana para operações de corte em materiais grossos (onde "grosso" significa, para um laser com comprimento de onda próximo do infravermelho, uma espessura de cerca de 4 mm até aproximadamente 20 mm), ou uma distribuição de potência mais estreita em comparação com a distribuição Gaussiana para operações de corte rápido em materiais finos (onde "fino" significa uma espessura igual ou inferior a 4 mm), e tal sistema é instalado com antecedência no cabeçote de trabalho da máquina, pelo que a geometria da distribuição de potência não pode ser modificada sem substituição do sistema de cabeçote óptico.

[017] Outras soluções são conhecidas no estado da técnica, em que o formato da distribuição de potência do feixe de laser pode ser selecionado entre dois estados predeterminados, obtidos, por exemplo, controlando-se o transporte do feixe a partir da fonte até o cabeçote de trabalho através do núcleo da fibra de transporte ou através de um revestimento intermediário, modificando-se assim o diâmetro efetivo do feixe que entra no sistema de colimação óptica do cabeçote de trabalho, ou controlando-se o BPP (Beam Parameter )roducé, isto é, o produto do raio do ponto focal e o ângulo de semi- divergência do feixe, ou a divergência na fonte, antes dele ser introduzido na fibra, de modo a produzir a jusante da focalização feixes correspondentes tendo diferentes diâmetros e divergências. Em ambos os casos, não é possível quebrar a simetria rotacional, devido à construção dos próprios dispositivos.

[018] Diferentemente das soluções acima citadas, foi proposto no passado recente pelo professor Fleming Ove Olsen um modelo descritivo do processo de corte segundo o qual a quebra da simetria rotacional traria uma vantagem ao processo: gerando-se uma distribuição de potência secundária de formato crescente atrás de uma distribuição de potência primária de pico tendo uma forma Gaussiana (na direção de avanço do processo), é possível irradiar tanto a frente de avanço do corte (pela distribuição de potência primária) quanto a parte de material fundido gerada pela distribuição de potência primária, que tende a descer ao longo das bordas da ranhura de corte assim produzidas e que resfria rapidamente (através da distribuição de energia secundária). Tal modelo pode ser implementado de acordo com o estado da técnica anterior, através de um aparelho complicado e volumoso para recombinação de um feixe de laser abrangente tendo uma distribuição de potência obtida pela combinação de uma pluralidade de feixes de laser componentes, cada um deles sendo gerado e controlado independentemente dos outros. O pedido de patente internacional WO 2008 / 052.547 diz respeito a essa solução. Também neste caso, a solução construtiva não permite que uma máquina seja fácil e rapidamente reconfigurada durante um processo de trabalho, sem ser preciso fazer modificações substanciais na estrutura dos componentes ópticos.

[019] Embora seja possível controlar uma fonte de laser ou um sistema de transporte óptico de um feixe de laser de modo a gerar modos eletromagnéticos transversais (TEM - "Transverse E/ertromagneticModd) de ordem mais alta que o modo fundamental TEM00 (correspondente ao feixe Gaussiano), eles têm a desvantagem de não se propagarem enquanto são iguais; então, embora geralmente seja possível obter formatos da distribuição de potência transversal do feixe de laser diferentes da forma Gaussiana, e possivelmente com simetria diferente da rotacional, isto só pode ser obtido em uma posição de propagação (plano focal) bem definida do feixe.

[020] Por essas razões, no campo do processamento a laser, sempre houve uma necessidade de controlar a propagação do feixe de laser de modo a que ele tenha uma distribuição de potência transversal Gaussiana (ou aproximadamente Gaussiana), e estabelecer de uma vez por todas a posição mútua entre o eixo óptico de propagação do feixe de laser e o eixo baricêntrico do fluxo de gás auxiliar.

[021] Esta escolha de projeto, que no caso de um feixe puramente monomodo respeita a simetria rotacional do feixe e o fluxo de gás auxiliar, respectivamente ditados pela distribuição Gaussiana da potência do feixe de laser e pela seção circular da boca do bocal de saída do gás auxiliar, assegura a isotropia do comportamento de cada processo de trabalho (corte, soldagem, etc.) em relação às direções que o processamento pode seguir.

[022] A isotropia do processo em relação às trajetórias de trabalho sobre o material sempre foi considerada vantajosa quando um processo de trabalho a laser é controlado por meios de processamento eletrônicos, de acordo com quaisquer trajetos e geometrias predeterminados em sistemas de CAD / CAM.

[023] Acredita-se que um sistema fisicamente "desequilibrado" ou sem simetria rotacional nos pontos de incidência do feixe de laser e do gás auxiliar sobre o material resulta em complexidade e dificuldades no controle dos trajetos de trabalho, ou em pior qualidade dos resultados do processamento.

[024] O objetivo da presente invenção é prover um método de processamento a laser com desempenho aprimorado em termos de velocidade de operação, qualidade de resultados, e efetividade de custo do processo.

[025] Outro objetivo da presente invenção é prover um método de processamento a laser controlável em tempo real para obter resultados de processamento precisos em todas as condições de operação, realizáveis sem aumentar o tamanho das máquinas já existentes.

[026] De acordo com a presente invenção, estes objetivos são alcançados através de um método de processamento a laser de um material metálico tendo as características referidas na reivindicação 1.

[027] Formas de incorporação particulares são o objeto das reivindicações dependentes, cujo conteúdo deve ser entendido como parte integrante da presente descrição.

[028] Um outro objetivo da invenção é prover uma máquina para o processamento a laser de um material metálico, e um programa de computador, conforme reivindicado.

[029] Em resumo, a presente invenção inspira-se na consideração de que controlar a distribuição de potência de um feixe de laser, e possivelmente quebrar a simetria rotacional do feixe, pode permitir um melhor desempenho em termos de velocidade, qualidade e efetividade de custo do processo de trabalho, pois permite que a distribuição de potência seja localizada ou expandida onde for necessário, com relação ao trajeto de trabalho, e para explorar uma parte da potência de laser disponível para operações auxiliares ao processamento principal, como por exemplo para aquecer / manter o material fundido em uma operação de corte ou perfuração, o que facilita a remoção do mesmo do material que está sendo processado, por meio do fluxo de gás auxiliar, e permite alcançar uma pureza dos perfis e superfícies de corte superior àquela obtida por processos baseados em distribuição de energia de forma Gaussiana, com o mesmo nível de desempenho.

[030] De acordo com o invento, a aplicação das considerações acima mencionadas aos sistemas do estado da técnica anterior é conseguida pela realização de um controle eficiente da distribuição de potência transversal do feixe de laser durante o processamento, por meio do controle da conformação em tempo real do feixe de laser. O formato do feixe de laser é convenientemente controlado para obter sobre o plano de trabalho uma distribuição de potência transversal, por exemplo, a partir de uma distribuição do tipo Gaussiana com diâmetro predeterminado, obter uma distribuição anelar (em formato de “rosquinha”), uma distribuição de perfil chato tendo um diâmetro predeterminado (com topo chato ou formato de “cabana”), uma distribuição de simetria circular complexa obtida por sobreposição concêntrica de uma distribuição Gaussiana e uma distribuição anelar externamente concêntrica à distribuição Gaussiana, uma distribuição assimétrica complexa compreendendo uma distribuição de potência primária de pico em formato Gaussiano e uma distribuição de potência secundária de formato crescente atrás da distribuição de potência primária, descritas na literatura [F.O. Olsen, K.S. Hansen e J.S. Nielsen, (MiMbeam facer (ibeo cutting" ("Corte de Fibra com Laser Multifeixe”), J. Lavor Appl.. Vol. 21, pág. 133, 2009], uma distribuição astigmática com seçã transversal elíptica, e diversas combinações das mesmas.

[031] O formato do feixe de laser também pode ser convenientemente controlado para determinar, no plano de trabalho, uma distribuição de potência transversal correspondente a uma pluralidade (por exemplo, um par) de feixes Gaussianos espacialmente correlacionados - por exemplo, acoplados de acordo com uma relação predeterminada de evolução no tempo e adjacentes dentro de uma zona de distribuição do fluxo de gás auxiliar, cuja posição mútua e / ou a posição relativa ao baricentro da distribuição acima mencionada, dentro da área de distribuição do fluxo de gás, pode ser controlada sincronizadamente ou assincronamente ao longo do tempo.

[032] A presente invenção se baseia no princípio da utilização de um sistema óptico com deformação controlada, conhecida per seem aplicações científicas, para o processamento de sinais ópticos (portanto, de radiação óptica de baixa potência), para conformar um feixe de laser de alta potência para aplicações industriais.

[033] A aplicação de um sistema óptico de deformação controlada em um sistema de transporte óptico de feixe de laser permite aumentar a faixa de formatos do feixe de laser que podem ser obtidos, de uma maneira rapidamente modificável, consequentemente melhorando o desempenho dos processos de usinagem ou permitindo implementar processos de usinagem inovadores.

[034] Vantajosamente, o método da invenção permite que um processo de trabalho a laser seja controlado em tempo real, através da conformação da distribuição de potência do feixe de laser em torno do eixo óptico original, evitando assim a necessidade de adotar sistemas ópticos específicos para as respectivas geometrias de distribuição de potência dependendo da aplicação desejada, ou de controlar certos parâmetros do feixe no estágio de geração ou de transporte de feixe, isto é, longe do cabeçote de trabalho, o que só pode ser conseguido através da intervenção de um operador ao configurar a máquina para um processo predeterminado.

[035] Ainda mais vantajosamente, o método da invenção permite que a distribuição de potência transversal do feixe de laser seja controlada de acordo com uma pluralidade de formas predefinidas, com um tempo de estabilização rápido, de modo a que tal controle possa não apenas ser executado como uma “configuração preparatória” de um ciclo de trabalho, mas possa ser implementado em tempo real durante um processo de trabalho, para controlar a distribuição de potência transversal do feixe de laser ao longo do trajeto de trabalho sobre o material.

[036] Em outras palavras, o método da invenção permite que uma estratégia de distribuição de potência transversal predeterminada do feixe de laser seja definida automaticamente e desenvolvida durante um processo de trabalho, por exemplo, controlando-se instantaneamente a distribuição de potência transversal do feixe de laser em um predeterminado plano de trabalho do material em relação à sua superfície livre e em uma posição predeterminada, e de acordo com uma certa orientação em relação à direção atual do trajeto de trabalho (a direção de avanço do processo).

[037] O método da invenção também permite configurar automaticamente uma estratégia de modificação variável para a distribuição de potência transversal do feixe de laser durante um processo de trabalho, por exemplo, dependendo da posição espacial da área de trabalho sobre o material ao longo de um trajeto de trabalho predeterminado, ou da direção instantânea de tal trajeto, tudo em função, por exemplo, da espessura do material que está sendo processado. Para espessuras grandes, por exemplo, iguais ou superiores a 4 mm, a necessidade tecnológica do processo consiste em criar uma ranhura ampla, permitindo a fácil remoção do material fundido, e manter uma alta viscosidade do próprio material fundido para garantir uma redução ou ausência de adesão do material fundido nas paredes da própria ranhura, proporcionando finalmente um corte isento de rebarbas e com uma rugosidade reduzida em comparação com o que é obtido com um feixe Gaussiano. Uma distribuição assimétrica do feixe, tal como, por exemplo, quando o feixe é composto por um componente Gaussiano central e um componente em formato crescente atrás da direção de avanço, satisfaz a necessidade de melhorar o processo e, ao mesmo tempo, a necessidade a ser girada em relação à superfície do material, de acordo com a direção instantânea do trajeto de corte, por sua natureza tipicamente não fixa. No caso do uso de dois feixes acoplados de acordo com uma predeterminada relação de evolução no tempo, a invenção permite controlar a sua posição tanto no plano de incidência sobre o material como na profundidade da espessura do próprio material, de modo a iluminar instantaneamente e em alta frequência um certo volume do material, enquanto o processamento prossegue ao longo de um trajeto predeterminado (ou seja, enquanto a distribuição de potência óptica geral acompanha a borda frontal do corte). Também neste caso é obtida uma viscosidade reduzida do volume fundido expelido da ranhura.

[038] O controle da distribuição de potência transversal do feixe em uma área do plano de trabalho sobre o material metálico é implementado, de acordo com o invento, em uma vizinhança predeterminada do eixo do fluxo de gás auxiliar que define uma zona de distribuição do dito fluxo. A zona de distribuição do fluxo de gás auxiliar - que representa o campo de ação volumétrico do método de controle da invenção - é identificável como o "volume afetado" do bocal de um cabeçote de trabalho - um bocal tendo tipicamente uma boca cujo diâmetro está entre 1 mm e 3,5 mm, e dimensões que são típicas de um cone truncado tendo uma altura de 6 mm a 20 mm, com uma base menor (no bocal) tendo um diâmetro igual ao diâmetro da boca do bocal aumentado de 1 a 3 mm, e uma base maior cuja dimensão característica é uma função da altura do volume troncocônico e do ângulo de inclinação da linha geratriz, tipicamente entre 15 e 30 graus. Apropriadamente, o volume do bocal é o menor possível, e ele apresenta a aparência mais fina possível para que também possa operar dentro das concavidades das superfícies a serem processadas.

[039] Vantajosamente, o controle automático executado pelo método da invenção pode ser realizado em tempo real com frequências de operação entre 100 Hz e 10 kHz.

[040] O sistema de controle adaptado para realizar o método da invenção é vantajosamente distinguido dos sistemas do estado da técnica anterior porque pode ser integrado em um cabeçote de trabalho, isto é, ele é independente da geração do feixe de laser e do seu transporte para o cabeçote de trabalho.

[041] Além disso, ao contrário das soluções conhecidas para configuração ou comissionamento de uma máquina para um processamento específico, em que a distribuição de potência transversal do feixe de laser pode ser ajustada através de uma intervenção manual por um operador para substituir uma óptica específica, ou em que a modificação da distribuição de potência transversal do feixe de laser é implementada dentre um número muito limitado de formas predefinidas, o método da invenção permite controlar eficazmente em tempo real a distribuição de potência transversal do feixe de laser em função da localização do feixe ao longo de um trajeto de trabalho, sendo possível modificar a distribuição de potência transversal do feixe de laser de uma maneira precisa, dependendo das condições de trabalho programadas que ocorrem em posições predeterminadas ao longo do trajeto de trabalho. Tais condições de processamento programadas incluem, a título de exemplo não limitativo, a posição de trabalho atual (ou, mais geralmente, a área do plano de trabalho atual) ao longo de uma trajetória de trabalho predeterminada, e / ou a direção atual do trajeto de trabalho sobre o material, e/ou a direção atual de translação do eixo do fluxo de gás auxiliar, bem como o tipo de processamento esperado em uma determinada posição de trabalho (por exemplo, alternando entre uma perfuração, aproximando-se do corte, e um processo de corte).

[042] Em um processo de perfuração de um material, o método da invenção melhora o processo tornando-o controlável em tempo real e mais eficiente, por exemplo, realizando uma sucessão de operações de processamento compreendendo pelo menos um primeiro estágio incluindo uma irradiação de uma série predeterminada de primeiros pulsos de feixe estreito em uma posição fixa predeterminada no material de trabalho, e uma segunda fase incluindo uma irradiação de um feixe de laser que avança ao longo de um trajeto de trabalho predeterminado com um diâmetro em expansão para permitir a liberação do material fundido.

[043] De acordo com um outro exemplo de um processo de perfuração, é executada uma sucessão de operações de processamento, compreendendo - em uma primeira etapa - uma irradiação de uma primeira série predeterminada de pulsos de feixe estreito em uma predeterminada coordenada de perfuração no material de trabalho, cujo eixo de propagação está centralizado no volume afetado do fluxo de gás auxiliar, e - em uma segunda etapa - uma irradiação (contínua ou pulsada) de um feixe de laser de acordo com um movimento circular ou em espiral concêntrico à referida coordenada de perfuração predeterminada, adaptada para "misturar" o material fundido enquanto a perfuração está sendo concluída.

[044] Em um processo de corte de um material, o método da invenção permite que o processo seja melhorado tornando-o controlável em tempo real e mais eficiente, por exemplo, executando uma sucessão de operações de processamento, compreendendo: - a modificação do diâmetro do feixe em função da espessura local do material a ser cortado ou da operação de corte específica necessária (por exemplo, corte contínuo em ranhura ou chanfrado com borda inclinada); e / ou - a modificação contextual da distribuição da potência do feixe em favor de um modo de perfil chato para reduzir, em comparação com a distribuição Gaussiana, a porcentagem de potência do feixe de laser irradiado tanto no centro da ranhura de corte como em suas laterais, que de outra forma seriam desnecessariamente aquecidas gerando assim uma dispersão de energia por condução lateral, resultando na geração de material fundido a baixa temperatura, que é redepositado antes de sair da ranhura, criando rebarbas; e / ou - a modificação contextual da distribuição de potência do feixe em favor de um modo de tipo anelar, possivelmente combinado por sobreposição com uma distribuição Gaussiana localizada axialmente, adaptado para aumentar a temperatura da cauda do material fundido, de modo a eliminar rebarbas; e / ou - a ruptura da simetria rotacional e a distribuição de cada uma das formas previamente descritas na direção do corte, e o correspondente truncamento nas outras direções e na direção de expulsão do material da ranhura; e / ou - a ruptura da simetria rotacional e a ênfase na distribuição de potência na direção de avanço do processamento, por um feixe elíptico instantaneamente direcionado ao longo da direção de corte.

[045] Vantajosamente, para além de conseguir diferentes distribuições de potência transversal do feixe de laser, a invenção também diz respeito à capacidade de controlar duas outras dimensões do processo: profundidade e tempo.

[046] De fato, as distribuições de potência transversal acima descritas só podem ser obtidas em um plano focal bem definido, com um intervalo de coerência (ou "espessura") ao longo da direção de propagação do feixe (as cáusticas ópticas do feixe em torno do melhor plano de focalização), que depende do sistema de focalização óptica utilizado. A solução técnica da invenção permite que a posição do plano focal seja controlada ao longo da direção de propagação do feixe na qual a distribuição de energia desejada é estabelecida, de modo que a profundidade do plano de trabalho em relação à superfície do material é mais um parâmetro de processo modificável oeline (em tempo real). Esta característica é relevante porque permite uma flexibilidade tridimensional no controle de um processo de trabalho de um material, diferentemente dos sistemas do estado da técnica conhecida, incluindo sistemas com scanner com espelhos galvanométricos, que normalmente têm apenas uma posição focal que não pode ser ajustada, a não ser que o cabeçote de trabalho inteiro seja movido em relação ao material.

[047] Além disso, controlando-se rapidamente a distribuição do feixe e seu posicionamento no espaço, ou seja, em freqüências maiores que aquelas correspondentes aos tempos de interação típicos do processo (acima de 100 Hz, mas também até 10 kHz), é possível definir um volume aparente de interação entre o feixe de laser e o material de uma forma arbitrária, controlando-se simplesmente em um tempo reduzido uma sequência de distribuições de potência de feixe, cujo envelope constitui o dito volume aparente.

[048] Outras características e vantagens da invenção serão descritas em maiores detalhes na seguinte descrição detalhada de uma forma de incorporação da mesma, dada a título de exemplo não limitativo, com referência aos desenhos anexos, onde: - As figuras 1 e 2 são exemplos de máquinas para processamento a laser de acordo com o estado da técnica anterior; - A figura 3 mostra um exemplo da estrutura de um cabeçote de trabalho de uma máquina de laser de acordo com o estado da técnica anterior; - As figuras 4 e 5 mostram uma representação esquemática do formato de um feixe de laser para aplicações de processamento industrial de materiais metálicos de acordo com o estado da técnica anterior; - A figura 6 é um diagrama esquemático de um trajeto óptico de um feixe de laser em um cabeçote de trabalho adaptado para executar o método do invento; - A figura 7 é uma representação esquemática de um elemento refletor de superfície controlada para a conformação do feixe óptico, para a implementação do método da invenção; - A figura 8 é um diagrama de blocos da eletrônica de controle de uma máquina de processamento a laser, adaptada para executar um método de processamento de acordo com a invenção; - A figura 9 é um gráfico mostrando uma distribuição de potência transversal de formato Gaussiano, respectivamente por meio de uma representação tridimensional da intensidade do feixe e de uma representação bidimensional da distribuição da intensidade do feixe no plano de focalização transversal; - A figura 10a é um gráfico mostrando uma distribuição de potência transversal de perfil chato, respectivamente por meio de uma representação tridimensional da intensidade do feixe e de uma representação bidimensional da distribuição da intensidade do feixe no plano de focalização transversal; - A figura 10b é um gráfico mostrando a configuração tridimensional da superfície do elemento refletor de superfície controlada, deformável, adaptado para gerar a distribuição de potência transversal da figura 10a; - A figura 10c é um gráfico mostrando a evolução da distribuição de intensidade do feixe (em uma representação bidimensional) ao longo da direção de propagação do mesmo feixe, o qual apresenta um perfil chato no plano de trabalho; - A figura 11a é um gráfico mostrando uma distribuição de potência transversal tendo um perfil anelar real, respectivamente por meio de uma representação tridimensional da intensidade do feixe e de uma representação bidimensional da distribuição da intensidade do feixe no plano de focalização transversal; - A figura 11b é um gráfico mostrando a configuração tridimensional da superfície do elemento refletor de superfície controlada, deformável, adaptado para gerar a distribuição de potência transversal da figura 11a; - A figura 11c é um gráfico mostrando a evolução da intensidade de distribuição do feixe (em uma representação bidimensional) ao longo da direção de propagação do mesmo feixe, o qual apresenta um perfil anelar no plano de trabalho; - A figura 12a é um gráfico mostrando uma distribuição de potência transversal anelar que pode ser obtida com um elemento refletor inclinado a 45° em relação à direção de incidência do feixe, respectivamente por meio de uma representação tridimensional da intensidade do feixe e de uma representação bidimensional da distribuição da intensidade do feixe no plano de focalização transversal; - A figura 12b é um gráfico mostrando a configuração tridimensional do elemento refletor de superfície controlada, deformável, adaptado para gerar a distribuição de potência transversal da figura 12a; - A figura 13a é um gráfico mostrando uma distribuição de potência transversal tendo um perfil simétrico circular, que pode ser obtida por sobreposição concêntrica de uma distribuição Gaussiana e uma distribuição anelar externamente concêntrica à distribuição Gaussiana, respectivamente por meio de uma representação tridimensional da intensidade do feixe e de uma representação bidimensional da distribuição da intensidade do feixe no plano de focalização transversal; - A figura 13b é um gráfico mostrando a configuração tridimensional da superfície do elemento refletor de superfície controlada, deformável, adaptado para gerar a distribuição de potência transversal da figura 13a; - A figura 13c é um gráfico mostrando a evolução da distribuição de intensidade do feixe (em uma representação bidimensional) ao longo da direção de propagação do mesmo feixe, o qual apresenta um perfil do tipo descrito na figura 13a (também descrito como anelar Gaussiano) no plano de trabalho; - A figura 14a é um gráfico mostrando uma distribuição de potência transversal tendo um perfil elíptico, respectivamente por meio de uma representação tridimensional da intensidade do feixe e de uma representação bidimensional da distribuição de intensidade do feixe no plano de focalização transversal; - A figura 14b é um gráfico mostrando a configuração tridimensional do elemento refletor de superfície controlada, deformável, adaptado para gerar a distribuição de potência transversal da figura 14a; - A figura 14c é um gráfico mostrando a evolução da distribuição de intensidade do feixe (em uma representação bidimensional) ao longo da direção de propagação do mesmo feixe, o qual apresenta um perfil elíptico no plano de trabalho; - A figura 15a é um gráfico mostrando uma distribuição de potência transversal conforme descrito por Olsen, respectivamente por meio de uma representação tridimensional da intensidade do feixe e de uma representação bidimensional da distribuição de intensidade do feixe no plano de focalização transversal; - A figura 15b é um gráfico mostrando a configuração tridimensional da superfície do elemento refletor de superfície controlada, deformável, adaptado para gerar a distribuição de potência transversal da figura 15a; - A figura 15c é um gráfico mostrando a evolução da distribuição de intensidade do feixe (em uma representação bidimensional) ao longo da direção de propagação do mesmo feixe, o qual apresenta um perfil conforme descrito por Olsen no plano de trabalho; - As figuras 16 e 17 são representações esquemáticas de exemplos de processamento de acordo com o método da presente invenção; e - A figura 18 é uma forma de incorporação exemplificativa de um elemento refletor de superfície controlada, para a configuração do feixe óptico.

[049] As figuras 1 a 5 foram previamente descritas com referência ao estado da técnica anterior e seus conteúdos são aqui referidos como sendo comuns à fabricação de uma máquina de processamento controlada para executar um processo de trabalho de acordo com os ensinamentos da presente invenção.

[050] Um trajeto óptico de um feixe de laser no cabeçote de trabalho de uma máquina para processamento a laser de materiais metálicos de acordo com a invenção está esquematizado na figura 6.

[051] O sistema óptico da figura 6 compreende um dispositivo de entrada 100 de um feixe de laser B, tal como por exemplo a extremidade de um cabo de fibra ótica ou um sistema de captação ótica de um feixe propagado por uma fonte de emissão ao longo de um trajeto ótico no espaço livre, a partir do qual o feixe de laser B emerge com uma predeterminada divergência.

[052] A jusante do dispositivo de entrada 100 está disposto um sistema de colimação óptica 120, como por exemplo uma lente de colimação (tipicamente uma lente de colimação para um cabeçote de trabalho de uma máquina de corte a laser tendo uma distância focal de 50 mm a 150 mm), a jusante do qual o feixe de laser colimado é conduzido para um sistema de focalização óptica 140, como por exemplo uma lente de focalização (tipicamente uma lente de focalização para um cabeçote de trabalho de uma máquina de corte a laser tendo uma distância focal de 100 mm a 250 mm, em que, no caso de soldagem a laser, a distância focal pode atingir 400 mm), disposto de modo a focalizar o feixe sobre um plano de trabalho n através de uma tela ou vidro de proteção 160.

[053] No trajeto óptico entre o sistema de colimação óptica 120 e o sistema de focalização óptica 140 estão interpostos meios de conformação óptica do feixe 180.

[054] Em particular, com referência à esquematização do trajeto óptico de um feixe de laser mostrada na figura 6, o presente invento refere-se a prover meios ópticos 180 para conformarem o feixe de laser, e prover o controle dos referidos meios para conseguir uma distribuição de potência transversal do feixe de laser de maneira controlada em um plano de trabalho predeterminado do material. Na figura, os meios ópticos 180 para conformação do feixe de laser são mostrados em uma forma de incorporação ilustrativa, estando dispostos com o seu próprio eixo de simetria a 45° em relação à direção de propagação do feixe.

[055] Para este propósito, os meios ópticos 180 para conformação do feixe de laser são feitos como um elemento refletor deformável 200 tendo uma superfície controlada, compreendendo uma pluralidade de áreas de reflexão independentemente móveis, como ilustrado na figura 7, que, em um estado de repouso, define uma superfície refletora situada sobre um plano de reflexão de referência. O referido elemento refletor de superfície controlada e deformável 200 provê um espelho de lâmina contínua, cuja superfície reflexiva é modificável tridimensionalmente em relação à superfície refletora plana de referência adotada no estado de repouso. O dito elemento refletor de superfície controlada e deformável 200 possui uma superfície refletora com curvatura contínua, incluindo uma pluralidade de áreas de reflexão às quais estão associados posteriormente uma pluralidade correspondente de módulos de movimento, indicados na figura por 200a, 200b, ..., sendo apropriadamente tratada para o uso com alta potência óptica em virtude do uso conjunto de um revestimento altamente refletivo (pelo menos 99%) no comprimento de onda do feixe de laser, e de uma montagem em um suporte de contato, resfriado com água por canalização direta. Os módulos de movimento estão integrados à superfície refletora de curvatura contínua, e são independentemente móveis. As áreas de reflexão da superfície refletora com curvatura contínua não possuem bordas entre elas, ou seja, a superfície refletora total possui derivações locais contínuas em todas as direções. O movimento da dita pluralidade de módulos de movimento 200a, 200b inclui movimentos de translação das áreas de reflexão correspondentes, tais como movimentos para a frente e para trás, em relação à referida superfície refletora plana de referência adotada no estado de repouso, ou movimentos rotacionais das áeas de reflexão correspondentes em torno de um eixo paralelo à superfície refletora plana de referência adotada no estado de repouso, ou ainda uma combinação dos mesmos. As deformações da superfície refletora, isto é, os movimentos dos módulos de movimento 200a, 200b, são preferivelmente atuados por meio de técnicas piezoelétricas conhecidas, que tornam possível controlar o movimento dos módulos de movimento e a consequente posição das áreas de reflexão, isto é, a modificação da sua posição resultante de uma combinação de movimentos de translação e / ou de rotação de cada módulo em um número predeterminado de graus de liberdade, independentemente dos outros, tipicamente em deslocamentos da ordem de ±40 μm, por meio do que é possível obter aproximações de superfícies de curvatura contínuas definidas por combinações de polinômios de Zernike, através dos quais é possível (pelo menos em teoria e com aproximação suficiente na prática, para os propósitos desejados) aplicar um ajuste da posição do eixo de propagação óptica do feixe de laser, ou, mais geralmente, um controle da distribuição de potência transversal do feixe de laser, de acordo com os objetivos das aplicações de processamento desejadas.

[056] A figura 7 mostra uma forma de incorporação preferida do elemento refletor 200 tendo um perfil elíptico e dos módulos de movimento traseiro relacionados, adotados para um ângulo de incidência do feixe de laser colimado igual a 45°, conforme mostrado no diagrama da figura 6. Tal forma de incorporação deve ser entendida como puramente ilustrativa da, e não limitativa à, implementação da invenção. Em uma forma de incorporação preferida diferente, em que a incidência do feixe de laser colimado é perpendicular ou quase perpendicular à superfície do elemento 200 no estado de repouso, o perfil do elemento refletor 200 é um perfil circular.

[057] Na forma de incorporação do elemento refletor tendo um perfil elíptico, o mesmo apresenta um eixo maior de 38 mm e um eixo menor de 27 mm, correspondendo ao tamanho máximo de abertura transversal do feixe de laser incidente sobre o espelho que pode ser obtido pelo sistema óptico de colimação 120.

[058] Especificamente, em uma forma de incorporação preferida, o dito elemento refletor de superfície controlada e deformável 200 inclui uma pluralidade de áreas de reflexão, independentemente móveis por meio de uma pluralidade correspondente de módulos de movimento compreendendo uma área central e uma pluralidade de fileiras de setores em coroa circular concêntricos à citada área central. Na forma de incorporação atualmente preferida, as fileiras de setores em coroa circular concêntricos são em número de 6, os setores em coroa circular são em número de 8 para cada fileira, e a altura dos setores em coroa circular aumenta a partir da primeira até a terceira fileira e a partir da quarta até a sexta fileira, radialmente, em direção ao exterior do elemento refletor. A altura dos setores em coroa circular da quarta fileira é intermediária entre a altura dos setores em coroa circular da primeira e segunda fileiras. De preferência, a fim de simplificar a estrutura de controle do elemento refletor 200 conforme concebido, a pluralidade de setores circulares que formam a coroa circular periférica pode ser fixa, e apenas as fileiras dos setores em coroa circular internos são móveis, podendo, desse modo, empregar um número total de atuadores limitado a 41.

[059] Em geral, o número de fileiras de setores circulares, o número de setores em coroa circular e a altura dos setores em coroa circular são determinados de acordo com as geometrias de superfície refletiva necessárias para obter predeterminadas distribuições de potência transversal desejáveis do feixe de laser, através de procedimentos de simulação das tendências das distribuições de potência transversal de um feixe de laser incidente sobre o elemento refletor para um número selecionado de áreas de reflexão. De fato, a deformabilidade controlada da superfície de reflexão do elemento 200 induz variações controladas da intensidade do feixe de laser no plano focal, atuando sobre a fase do feixe de laser. Na forma de incorporação atualmente preferida, a deformação da superfície do elemento refletor 200 é controlada de modo a determinar uma superfície refletora atribuível a uma combinação de polinômios de Zernike. Assim, a distribuição da intensidade do feixe de laser no plano focal de acordo com as variações de fase controladas pelo movimento das áreas de reflexão do elemento refletor 200 pode ser vantajosamente simulada utilizando métodos de cálculo matemáticos.

[060] A geometria da subdivisão da superfície do elemento refletor 200 ilustrada na figura 7 - correspondente à geometria dos módulos de movimento das áreas de reflexão - foi determinada pelos inventores através de um procedimento de simulação para obter diferentes formas de distribuição de potência transversal, com uma grande liberdade na conformação do feixe, mesmo que não relacionada à retenção da sua simetria rotacional. De outra forma, para aplicações estritamente relacionadas à distribuição de potência Gaussiana, em que uma modificação do formato da distribuição de potência não é necessária, mas apenas o seu deslocamento em relação ao eixo de propagação óptica, é possível usar geometrias mais simples, por exemplo, com fileiras igualmente espaçadas, isto é, em que a altura dos setores em coroa circular é constante entre todas as fileiras dos setores. Para aplicações em que uma simetria rotacional da distribuição de potência do feixe deve ser retida, é possível prover uma pluralidade de áreas de reflexão e respectivos módulos de movimento na forma de coroas circulares radialmente independentes.

[061] A figura 8 mostra um diagrama de circuito de um sistema de controle eletrônico de uma máquina para o processamento a laser de materiais metálicos para a implementação do método da invenção.

[062] O sistema compreende meios eletrônicos de controle e processamento, indicados na figura coletivamente por ECU, que podem ser integrados em uma única unidade de processamento a bordo de uma máquina ou implementados de maneira distribuída, compreendendo assim módulos de processamento dispostos em diferentes partes da máquina, incluindo, por exemplo, o cabeçote de trabalho.

[063] Meios de memória M associados ao processamento eletrônico e meios de controle ECU armazenam um predeterminado padrão ou programa de processamento, compreendendo por exemplo um predeterminado trajeto de trabalho na forma de instruções de movimento para o cabeçote de trabalho e / ou para o material a ser processado, e parâmetros de processamento físico indicando a distribuição de potência do feixe óptico, a intensidade de potência do feixe, e os tempos de ativação do feixe de laser em função do trajeto de trabalho.

[064] Os meios eletrônicos de processamento e controle ECU estão dispostos de modo a acessarem os meios de memória M para adquirirem um trajeto de trabalho e para controlarem a aplicação do feixe de laser de processamento ao longo do referido trajeto. O controle da aplicação do feixe de laser ao longo do trajeto de trabalho predeterminado inclui o controle da distribuição de um fluxo de gás auxiliar e o controle da radiação de uma predeterminada distribuição de potência do feixe de laser em direção a uma predeterminada área de trabalho, fazendo referência ao padrão ou programa de processamento predeterminado, isto é, de acordo com as informações do trajeto de trabalho e os parâmetros de trabalho adquiridos a partir dos meios de memória.

[065] Meios sensores SENS estão dispostos a bordo da máquina para detectarem em tempo real a posição mútua entre o cabeçote de trabalho e o material sendo processado, bem como as mudanças ao longo do tempo de tal posição.

[066] Os meios eletrônicos de processamento e controle ECU estão dispostos de modo a receberem dos meios sensores SENS sinais indicativos da posição mútua entre o cabeçote de trabalho e o material sendo processado ao longo do tempo, ou seja, as mudanças da área do plano de trabalho atual e / ou da direção atual do trajeto de trabalho ao longo do tempo.

[067] Os meios eletrônicos de processamento e controle ECU compreendem um primeiro módulo de controle CM1 para controlar os parâmetros mecânicos do processamento, disposto de modo a emitir primeiros sinais de comando CMD1 para um conjunto conhecido de meios atuadores, compreendendo meios atuadores para moverem o cabeçote de trabalho ao longo dos graus de liberdade a ele permitidos pela forma de incorporação específica da máquina, e meios atuadores para moverem o material sendo processado em relação à posição do cabeçote de trabalho, adaptados para cooperarem com os meios atuadores que movem o cabeçote de trabalho de modo a apresentarem um trajeto de trabalho programado sobre o material sendo processado no bocal do cabeçote de trabalho. Estes meios atuadores não são descritos em detalhe porque já são bem conhecidos no estado da técnica.

[068] Os meios eletrônicos de processamento e controle ECU compreendem um segundo módulo de controle CM2 para controlar os parâmetros físicos do processamento, disposto de modo a emitir segundos sinais de comando CMD2 para os meios de distribuição do fluxo de gás auxiliar, e meios de controle para a geração e transmissão do feixe de laser.

[069] Os meios eletrônicos de processamento e controle ECU compreendem um terceiro módulo de controle CM3 para controlar os parâmetros de processamento óptico, disposto de modo a emitir terceiros sinais de comando CMD3 para o elemento refletor de superfície controlada e deformável 200 dos meios de conformação do feixe óptico, para a implementação dos módulos de movimento das áreas de reflexão independentemente móveis do referido elemento, isto é, para controlar o seu deslocamento espacial mútuo (translação ao longo do eixo óptico do elemento refletor ou inclinação em relação a ele). Os sinais de comando CMD3 são processados por meio de um programa de computador, compreendendo um ou mais módulos de código tendo instruções de um modelo ou programa de controle para a implementação do método da invenção de acordo com a conformação predeterminada do feixe de laser a ser obtido, ou seja, estabelecer uma distribuição de potência transversal predeterminada do feixe de laser e, conseqüentemente, uma posição predeterminada do eixo de propagação óptica do feixe de laser, em função das condições de processamento instantâneas ao longo de um eixo de propagação óptica incidente sobre o material em uma área de pelo menos um plano de trabalho do material metálico, com o plano de trabalho do material sendo o plano de superfície do material ou um plano que varia em profundidade na espessura do material, por exemplo, para o corte ou perfuração de materiais espessos, isto é, tipicamente com espessuras superiores a 1,5 vezes o comprimento de Rayleigh do feixe focalizado (no caso típico, espessuras maiores que 4 mm e até 30 mm). Os sinais de comando CMD3 acima mencionados também são processados pelo programa de computador para o estabelecimento da distribuição de potência transversal predeterminada do feixe de laser, em uma vizinhança predeterminada do eixo do fluxo de gás auxiliar e dentro de uma área de distribuição do dito fluxo de acordo com as condições de trabalho instantâneas, isto é, a área do plano de trabalho atual e / ou a direção atual do trajeto de trabalho sobre o material metálico.

[070] Os meios eletrônicos de processamento e controle ECU estão dispostos, portanto, de modo a detectarem a posição atual e / ou a direção de translação atual do eixo do fluxo de gás auxiliar, para controlarem a translação relativa do eixo do fluxo de gás auxiliar ao longo de um trajeto de trabalho predeterminado sobre o material metálico, e para ajustarem automaticamente a posição do eixo de propagação óptica do feixe de laser ou para controlarem automaticamente a distribuição de potência transversal do feixe de laser de acordo com a posição atual e / ou a direção atual detectada da translação do eixo do fluxo de gás auxiliar.

[071] Uma distribuição de potência convencional de um feixe de laser tendo um perfil Gaussiano em uma seção transversal à direção de propagação correspondente ao plano de trabalho é mostrada na figura 9, onde o gráfico superior é uma representação tridimensional da intensidade normalizada do feixe, e o gráfico inferior é uma representação bidimensional da distribuição de intensidade do feixe no plano de focalização, para um feixe típico tendo um raio de ponto de focalização sobre a área do plano de trabalho da ordem de 60 mícrons.

[072] De acordo com uma forma de incorporação do método da invenção, é implementado um arranjo das áreas de reflexão do elemento refletor de superfície controlada e deformável, adaptado para estabelecer uma distribuição de potência transversal do feixe em uma área do plano de trabalho sobre o material metálico tendo um perfil Gaussiano com um predeterminado diâmetro. Esse arranjo das áreas de reflexão permite obter uma superfície esférica do elemento refletor deformável convexa ou côncava em relação à superfície planar de referência, no caso de uma incidência quase normal, ou uma superfície tórica proporcional a um alongamento elíptico, no caso de uma incidência de 45 graus. Nesta condição, o feixe sofre uma variação de divergência (embora mínima). A distribuição de potência transversal resultante do feixe encontra aplicações nos casos em que é necessário mover a posição do ponto focal entre diferentes planos de trabalho do material, ou ampliar ou estreitar o diâmetro do feixe incidente sobre a superfície do próprio material.

[073] De acordo com uma outra forma de incorporação do método da invenção, é implementado um arranjo das áreas de reflexão do elemento refletor de superfície controlada e deformável, adaptado para estabelecer uma distribuição de potência transversal do feixe em uma área do plano de trabalho sobre o material metálico tendo um perfil chato (com topo chato ou formato de “cabana”) com um predeterminado diâmetro. A distribuição de potência com perfil chato é mostrada na figura 10a, onde o gráfico superior é uma representação tridimensional da intensidade normalizada do feixe e o gráfico inferior é uma representação bidimensional da distribuição de intensidade do feixe no plano focal, para um feixe típico tendo um raio de ponto focal na área do plano de trabalho da ordem de 120 mícrons. O gráfico da figura 10b mostra a configuração tridimensional da superfície do elemento refletor de superfície controlada e deformável, onde os eixos do gráfico não estão em escala, sendo o eixo vertical expresso em mícrons (em oposição aos eixos horizontais expressos em milímetros) para permitir uma melhor visualização do perfil. O deslocamento máximo dos módulos de movimento das áreas de reflexão móveis é da ordem de 0,5 mícron. A evolução da distribuição de intensidade do feixe ao longo da direção de propagação é mostrada no gráfico da figura 10c, onde a mudança na distribuição de potência é simulada em diferentes profundidades do plano de trabalho (indicado pela coordenada 0 ao longo do eixo vertical z). Em particular, a evolução da distribuição de potência foi simulada em uma faixa de profundidade entre 3 milímetros acima e 3 milímetros abaixo do plano de trabalho, com passos de 1 milímetro.

[074] De acordo com uma outra forma de incorporação do método da invenção, é implementado um arranjo para as áreas de reflexão do elemento refletor de superfície controlada e deformável, adaptado para estabelecer uma distribuição de potência transversal do feixe em uma área do plano de trabalho sobre o material metálico tendo um perfil anelar (“rosquinha”) com um predeterminado diâmetro. A distribuição de potência com perfil anelar é mostrada na figura 11a, onde o gráfico superior é uma representação tridimensional da intensidade normalizada do feixe, e o gráfico inferior é uma representação bidimensional da distribuição da intensidade do feixe no plano de focalização para um feixe típico possuindo um tamanho de ponto de focalização sobre a área do plano de trabalho tendo um raio externo da ordem de 180 mícrons e um raio interno da ordem de 40 mícrons, onde a potência dentro do perfil anelar não excede 1% da potência total do feixe. Os gráficos da figura 11b mostram a configuração tridimensional da superfície do elemento refletor de superfície controlada e deformável, onde os eixos do gráfico não estão em escala, sendo o eixo vertical expresso em mícrons (em oposição aos eixos horizontais expressos em milímetros) para permitir uma melhor visualização do perfil. O deslocamento máximo dos módulos de movimento das áreas de reflexão móveis é da ordem de 5 mícrons. Para conseguir um perfil anelar ideal, seria necessário modular o elemento refletor para formar uma superfície de cone tendo um ângulo no vértice inviável, devido à presença de uma área central do elemento refletor com dimensões finitas. Consequentemente, um perfil anelar real pode ser alcançado recorrendo-se à definição de uma superfície similar, mas com um perfil chanfrado no vértice, que é fisicamente viável. Em qualquer caso, essa aproximação da superfície cônica não deteriora excessivamente a distribuição de potência do feixe em termos de quantidade de energia dispersa no centro do ponto. A evolução da distribuição da intensidade do feixe ao longo da direção de propagação é mostrada pelo gráfico da figura 11c, onde a mudança da distribuição de potência é simulada em diferentes profundidades do plano de trabalho (indicado pela coordenada 0 ao longo do eixo vertical z). Em particular, a evolução da distribuição de energia foi simulada em uma faixa de profundidade entre 10 milímetros acima e 50 milímetros abaixo do plano de trabalho, com passos de 10 milímetros.

[075] As figuras 12a e 12b mostram, respectivamente, a distribuição de potência com perfil anelar (“rosquinha”) e a configuração tridimensional da superfície do elemento refletor deformável em uma condição na qual o elemento refletor está disposto a 45 graus em relação à direção de incidência do feixe colimado. O deslocamento máximo dos módulos de movimento das áreas de reflexão móveis é da ordem de 6 mícrons.

[076] De acordo com uma outra forma de incorporação do método da invenção, é implementado um arranjo das áreas de reflexão do elemento refletor de superfície controlada e deformável, adaptado para estabelecer uma distribuição de potência transversal do feixe em uma área do plano de trabalho sobre o material metálico tendo um perfil Gaussiano com um predeterminado diâmetro, sobreposto a um perfil anelar externo ao perfil Gaussiano. A distribuição de potência de acordo com o perfil acima mencionado é mostrada na figura 13a, onde o gráfico superior é uma representação tridimensional da intensidade normalizada do feixe, e o gráfico inferior é uma representação bidimensional da distribuição de intensidade do feixe no plano de focalização para um feixe típico tendo um tamanho de ponto de focalização na área do plano de trabalho da ordem de 130 mícrons, com a potência do perfil central sendo 25% da potência total do feixe. O gráfico da figura 13b mostra a configuração tridimensional da superfície do elemento refletor de superfície controlada e deformável, onde os eixos do gráfico não estão em escala, sendo o eixo vertical expresso em mícrons (em oposição aos eixos horizontais expressos em milímetros) para permitir uma melhor visualização do perfil. O deslocamento máximo dos módulos de movimento das áreas de reflexão móveis é da ordem de 5 mícrons. Em função do diâmetro da área central plana do elemento refletor, é possível produzir diferentes perfis na alocação da potência total do feixe entre o perfil central e o perfil anelar circundante. A evolução da distribuição da intensidade do feixe ao longo da direção de propagação é mostrada no gráfico da figura 13c, onde a mudança na distribuição de potência é simulada em diferentes profundidades do plano de trabalho (indicado pela coordenada 0 ao longo do eixo vertical z). Em particular, a evolução da distribuição de potência foi simulada para uma faixa de profundidade entre o plano de trabalho e 60 milímetros abaixo do plano de trabalho, com passos de 10 milímetros.

[077] Como é evidente a partir dos gráficos mostrados, para aplicações ligadas à modificação da distribuição de potência Gaussiana, a fim de obter uma distribuição de potência transversal com perfil chato (topo chato) ou anelar (“rosquinha”), ou em uma combinação anelar e Gaussiana, que retém a simetria circular, o elemento refletor de superfície controlada e deformável 200 pode incluir uma pluralidade de áreas de reflexão independentemente móveis na forma de coroas circulares radialmente independentes.

[078] De acordo com uma outra forma de incorporação do método da invenção, é implementado um arranjo das áreas de reflexão do elemento refletor de superfície controlada deformável, adaptado para estabelecer uma distribuição de potência transversal do feixe em uma área do plano de trabalho tendo um perfil Gaussiano com seção elíptica, de preferência tendo um eixo de simetria na área do plano de trabalho orientado de acordo com a direção local do trajeto de trabalho, por exemplo, orientado na direção de avanço do trajeto de trabalho. A distribuição de potência tendo um perfil elíptico Gaussiano é mostrada na figura 14a, onde o gráfico superior é uma representação tridimensional da intensidade normalizada do feixe, e o gráfico inferior é uma representação bidimensional da distribuição de intensidade do feixe em um plano de focalização para um feixe típico (monomodo) tendo eixos do ponto de focalização na área do plano de trabalho da ordem de 50 mícrons e 85 mícrons, respectivamente. O gráfico da figura 14b mostra a configuração tridimensional da superfície do elemento refletor de superfície controlada e deformável, onde os eixos do gráfico não estão em escala, sendo o eixo vertical expresso em mícrons (em oposição aos eixos horizontais expressos em milímetros), para permitir uma melhor visualização do perfil. O deslocamento máximo dos módulos de movimento das áreas de reflexão móveis é da ordem de 10 mícrons. A evolução da distribuição da intensidade do feixe ao longo da direção de propagação é mostrada no gráfico da figura 14c, onde a mudança na distribuição de potência é simulada em diferentes profundidades do plano de trabalho (indicado pela coordenada 0 ao longo do eixo vertical z). Em particular, a evolução da distribuição de energia foi simulada a uma profundidade entre 20 milímetros acima e 20 milímetros abaixo do plano de trabalho, com passos de 5 milímetros.

[079] De acordo com uma outra forma de incorporação do método da invenção, é implementado um arranjo das áreas de reflexão do elemento refletor de superfície controlada e deformável, adaptado para estabelecer uma distribuição de potência transversal do feixe em uma área do plano de trabalho sobre o material metálico tendo um perfil tal como descrito por Olsen, ou seja, um perfil complexo assimétrico compreendendo uma distribuição de potência primária de pico com forma Gaussiana e uma distribuição de potência secundária em forma crescente posterior à distribuição de potência primária, tendo preferencialmente um eixo de simetria na área do plano de trabalho e orientado de acordo com a direção local do trajeto de trabalho, por exemplo, orientado na direção de avanço do trajeto de trabalho. A distribuição de potência de acordo com o perfil acima mencionado é mostrada na figura 15a, onde o gráfico superior é uma representação tridimensional da intensidade normalizada do feixe, e o gráfico inferior é uma representação bidimensional da distribuição da intensidade do feixe no plano de focalização, para um feixe tendo tipicamente um tamanho de ponto de focalização na área do plano de trabalho da ordem de 120 mícrons, com a potência do perfil primário sendo da ordem de 30% da potência total do feixe. O gráfico da figura 15b mostra a configuração tridimensional da superfície do elemento refletor de superfície controlada e deformável, onde os eixos do gráfico não estão em escala, sendo o eixo vertical expresso em mícrons (em oposição aos eixos horizontais expressos em milímetros) para permitir uma melhor visualização do perfil. O deslocamento máximo dos módulos de movimento das áreas de reflexão móveis é da ordem de 4 mícrons. O elemento refletor é deformado por um arranjo das áreas de reflexão que é não radialmente simétrico: é possível descrever tal arranjo como a sobreposição entre uma deformação que gera uma distribuição do tipo anelar (“rosquinha”) e Gaussiana e um arranjo que reconstrói um plano inclinado em relação ao plano de referência. Dependendo do tamanho da quebra na simetria da distribuição das áreas de reflexão, é possível produzir diferentes perfis na alocação da potência total do feixe entre o perfil primário central e o perfil secundário circundante. A evolução da distribuição da intensidade do feixe ao longo da direção de propagação é mostrada no gráfico da figura 15c, onde a mudança na distribuição de potência é simulada em diferentes profundidades do plano de trabalho (indicado pela coordenada 0 ao longo do eixo vertical z). Em particular, a evolução da distribuição de potência foi simulada em uma faixa de profundidade entre o plano de trabalho e 60 milímetros abaixo do plano de trabalho, com etapas de 10 milímetros.

[080] Como pode ser visto na figura 15c, a distribuição de potência conforme descrita por Olsen é caracterizada pela possibilidade de executar e controlar simultaneamente uma distribuição de potência primária de Gauss e uma distribuição de potência secundária em forma de crescente, cuja alocação é uma função da propagação ao longo do eixo óptico do feixe, ou seja, a profundidade do plano de trabalho. Isto permite vantajosamente um controle em tempo real da tridimensionalidade do processamento do material, gerando, por exemplo, uma distribuição de potência em que a distribuição de potência primária Gaussiana é predominante em um plano de trabalho sobre a superfície do material onde é necessária iluminação, e portanto aquecimento, da frente de avanço na ranhura, e a distribuição de potência secundária em formato crescente é predominante em um plano de trabalho dentro do volume do material, onde é necessário iluminar a cauda de material fundido no interior do material e que sai da mesma ranhura, o qual pode aderir às paredes da dita ranhura devido ao resfriamento progressivo resultante da falta de iluminação pelo feixe de laser, no caso Gaussiano.

[081] Um exemplo de processamento de acordo com o método da presente invenção é mostrado na figura 16, e em particular uma operação de corte de um recesso retangular R em um material M.

[082] Na figura, um trajeto de trabalho programado é indicado por T. O trajeto de trabalho inclui uma área de perfuração H, um perfil de conexão ou aproximação C, e um perfil de corte P, compreendendo, por exemplo, uma sucessão de seções retas e seções de conexão curvas formando uma linha fechada.

[083] Uma máquina de corte a laser é programada para executar um processamento ininterrupto, variando a distribuição de potência do feixe de laser incidente sobre o material de acordo com a fase de processamento atual.

[084] A atuação do arranjo das áreas de reflexão dos meios de conformação do feixe de laser é controlada para estabelecer uma primeira distribuição de potência transversal do feixe do tipo Gaussiana, com o menor ponto de focalização possível na área de perfuração H, para estabelecer uma segunda distribuição de potência transversal a partir do tipo Gaussiana mais ampla até uma distribuição de topo chato, e depois “rosquinha” (anelar), de modo a alargar a perfuração para a extrusão do material fundido, permitindo ao mesmo tempo um fluxo fácil de material e uma iluminação apropriada da frente de onda, quando então, com a perfuração já completada, o feixe começa a passar através do perfil de conexão ou aproximação A. Uma terceira distribuição de potência transversal do feixe de tipo assimétrico, obtida pela combinação de distribuição Gaussiana e em forma crescente, é usada no perfil de corte C, orientada de acordo com a direção local do trajeto de trabalho na sucessão de seções retas e seções curvas do perfil de corte. Em quaisquer modificações de trajeto com bordas agudas, portanto em paradas locais do movimento, a distribuição de potência transversal também leva em conta o valor de velocidade, facilitando a mudança de direção da expulsão do material fundido e do gás auxiliar, por exemplo, através de uma distribuição de potência elíptica.

[085] A figura 17 mostra um exemplo de processamento de acordo com o método da presente invenção e, em particular, uma sucessão de tempo da evolução da distribuição de potência aplicável durante um processo de corte realizado ao longo de um trajeto predeterminado, não mostrado como um todo, mas com sua direção e sentido de deslocamento estando indicados na figura pela seta F.

[086] Uma máquina de corte a laser é programada para realizar o trabalho sem interrupções, variando a distribuição de potência do feixe de laser incidente sobre o material ao longo do tempo, ciclicamente, de acordo com uma lei descrita abaixo com referência às vistas das figuras 17a, 17b e 17c, onde estão ilustradas, respectivamente, uma vista superior, uma vista traseira e uma vista lateral de uma área de processamento A que se move continuamente ao longo do trajeto predeterminado, seguindo o movimento relativo entre o cabeçote de trabalho e o material.

[087] S1, ..., S4 indicam os pontos de incidência do feixe de laser sobre o material sendo processado, circunscritos em torno das posições do eixo óptico do feixe de laser e incluídos em uma zona de distribuição do fluxo de gás auxiliar sobre o material de trabalho que é comum à área de trabalho A inteira. Deve ser notado que, tipicamente, para operações de corte e / ou perfuração em aço carbono com espessuras de 4 mm a 30 mm, aço inoxidável com espessuras de 4 mm a 25 mm, ligas de alumínio com espessuras de 4 mm a 15 mm, e cobre e latão com espessuras de 4 mm a 12 mm, o tamanho típico da zona de distribuição do fluxo de gás auxiliar varia de 1,8 mm a 4 mm.

[088] A distribuição de potência controlada na área de trabalho A é obtida pela combinação de dois feixes Gaussianos separados, alinhados transversalmente em relação à direção do trajeto de trabalho e, portanto, pode ser descrita como um modo eletromagnético transversal TEM10 ."Transverse Electromagnetic Mode .0"). Esta distribuição pode ser obtida dividindo-se o elemento refletor 200 dos meios de conformação do feixe de laser em dois semi-elementos de 200', 200", unidos ao longo de um eixo (diâmetro) do elemento refletor e por meio da área central e orientável, de modo a formarem um ângulo de diedro côncavo (da ordem de 0,1 a 0,3 graus) voltado para o espaço de propagação do feixe de laser, como mostrado na figura 18. Deve ser entendido que o diâmetro de junção dos dois semi-elementos do elemento refletor pode ser qualquer um dos diâmetros identificados pela disposição dos módulos de movimento. Cada semi- elemento de reflexão 200', 200" está adaptado para gerar uma distribuição de potência transversal Gaussiana (separando o feixe original), e os respectivos módulos de movimento são controlados de modo a fazerem predeterminados movimentos de inclinação geral de cada semi-elemento como um todo, em relação aos seus respectivos estados de repouso, de preferência em sincronia uns com os outros e espelhando-se mutuamente, o que determina o deslocamento espacial do ponto do feixe de laser sobre o material de trabalho.

[089] A posição relativa do respectivo eixo de propagação óptica dos dois feixes Gaussianos varia ao longo do tempo de acordo com a lei espacial mostrada nas figuras. O movimento dos dois feixes na área de trabalho ocorre em sincronia de acordo com a direção local do trajeto de trabalho e em uma sucessão de planos de trabalho. Pode ser descrito, com referência às figuras 17a, 17b e 17c, combinando-se os seguintes movimentos: 1) O baricentro da distribuição total de potência avança ao longo do tempo de acordo com a direção local da trajetória de trabalho F, e coincide com o eixo de distribuição do fluxo de gás auxiliar, ou está a uma distância do eixo de distribuição do fluxo de gás auxiliar não superior à metade do raio da boca do bocal, em uma posição à frente da direção de avanço do trajeto de trabalho. 2) Na projeção no plano horizontal da figura 17a, o eixo óptico de cada um dos dois feixes Gaussianos move-se localmente de acordo com uma trajetória elíptica em torno de um respectivo baricentro geométrico predeterminado de rotação de tempo, respectivamente no sentido horário à direita do baricentro da distribuição total de potência em relação à direção de avanço do processo, e no sentido anti-horário à esquerda do baricentro da distribuição total de potência em relação à direção de avanço do processo, a uma distância do respectivo baricentro de revolução entre 0,3 e 2 vezes o raio do ponto de focalização do feixe único, na “cintura” do feixe. 3) Durante o movimento de revolução no tempo em torno do respectivo baricentro predeterminado, a localização do plano de focalização de cada um dos dois feixes Gaussianos ao longo do respectivo eixo de propagação óptica varia em profundidade na espessura do material, com uma evolução retrógrada de acordo com um trajeto de paralelogramo na projeção do plano sagital da figura 17c, que determina a evolução do eixo óptico de cada um dos dois feixes Gaussianos na projeção de plano frontal mostrada na figura 17b. 4) Os baricentros de revolução do eixo óptico de cada um dos dois feixes Gaussianos avançam ao longo do tempo de acordo com direções paralelas à direção de movimento do baricentro da distribuição total de potência, respectivamente à direita e à esquerda dele, determinando, na projeção no plano frontal e no plano sagital, uma evolução total de acordo com um padrão senoidal.

[090] Os movimentos descritos nas etapas anteriores 1 a 4 estão representados na figura pelas linhas orientadas. S1 indica o ponto de focalização de cada feixe Gaussiano na superfície do material, na posição localmente mais avançada de acordo com o trajeto de trabalho F. S2' e S2" indicam os pontos de focalização separados dos feixes Gaussianos, em uma primeira profundidade intermediária no volume de material e em uma primeira posição intermediária retraída em comparação com a posição S1 com respeito ao trajeto de trabalho F durante o movimento de revolução em torno de um respectivo baricentro geométrico predeterminado de revolução no tempo. S3' e S3" indicam pontos de focalização separados dos feixes Gaussianos, em uma profundidade máxima no volume do material e em uma segunda posição retraída intermediária em comparação com a posição S1, e posteriormente retraída em comparação com as posições S2' e S2" com respeito à trajetória de trabalho F, durante o movimento de revolução em torno do respectivo baricentro geométrico predeterminado de revolução no tempo. Finalmente, S4 indica o ponto de focalização de cada feixe Gaussiano em uma segunda profundidade intermediária no volume de material e em uma terceira posição retraída intermediária em comparação com a posição S1, com respeito ao trajeto de trabalho F durante o movimento de revolução em torno do respectivo baricentro geométrico predeterminado de revolução no tempo.

[091] Tal processamento é efetuado, por exemplo, para cortar uma placa de aço de 10 mm de espessura em uma atmosfera de nitrogênio, com uma velocidade de alimentação típica, ao longo de um predeterminado trajeto de trabalho, entre 1.000 e 2.000 mm / min. Uma freqüência de controle cíclica da distribuição de potência do feixe de pelo menos 500 Hz e preferencialmente de 1 kHz, ou mais geralmente sendo um múltiplo inteiro de v/2D, onde v é a velocidade de avanço do baricentro da distribuição total de potência, expressa em mícrons / segundo, e D é o diâmetro do ponto de focalização do feixe de laser na sua “cintura”, expresso em mícrons, permite obter um volume estruturado de interação aparente criado pelo deslocamento local rápido do par de feixes Gaussianos. Os dois feixes se encontram sobre a superfície do material na posição S1 para proverem uma quantidade máxima de energia para a borda frontal do corte, depois descem em profundidade e sobre as caudas do material a ser expelido, para mantê-lo fluido. Vantajosamente, este método de processamento permite, em princípio, manter ou aumentar o esforço de corte na frente de avanço, para aumentar a força de auto-expulsão do próprio material, resultando em uma redução na necessidade por gás auxiliar.

[092] Deve ser entendido que o que se refere, na forma de incorporação exemplificativa anterior, às distribuições de potência Gaussianas, pode se estender a outros tipos de distribuição de potência do feixe de laser gerado por cada semi-elemento, iguais ou diferentes entre si, e a outros movimentos, espelhados ou não, de cada feixe.

[093] Naturalmente, sem alterar o princípio da invenção, as formas de incorporação e os detalhes de implementação podem variar amplamente em relação ao que foi descrito e ilustrado, puramente a título de exemplo não limitativo, sem desse modo fugir do escopo de proteção da invenção conforme definido pelas reivindicações anexas.

Claims (20)

1. Método de processamento a laser de um material metálico (WP; M), em particular para corte, perfuração ou soldagem a laser do referido material, por meio de um feixe de laser (B) tendo uma predeterminada distribuição de potência transversal, focalizado em pelo menos um plano de trabalho (Fl) do material metálico (WP; M), compreendendo as etapas de: prover uma fonte de emissão (10) de feixe de laser; conduzir o feixe de laser (B) emitido pela dita fonte de emissão (10) ao longo de um trajeto óptico de transporte de feixe até um cabeçote de trabalho (14), disposto próximo do citado material metálico (WP; M); colimar o feixe de laser (B) ao longo de um eixo óptico de propagação incidente sobre o material metálico (WP; M); focalizar o referido feixe de laser (B) colimado em uma área de um plano de trabalho (Fl) do referido material metálico (WP; M); e conduzir o dito feixe de laser (B) focalizado, ao longo de um trajeto de trabalho (T; F) sobre o material metálico (WP; M), compreendendo uma sucessão de áreas de trabalho (A); com o método compreendendo a conformação do feixe de laser (B), em que tal conformação do feixe de laser (B) compreende: refletir o dito feixe (B) colimado por meio de um elemento refletor de superfície (200) controlada e deformável, tendo uma superfície refletora com uma curvatura contínua, incluindo uma pluralidade de áreas de reflexão independentemente móveis (200a-200r); e controlar o arranjo das referidas áreas de reflexão (200a-200r) para estabelecer uma distribuição de potência transversal predeterminada do feixe (B) em pelo menos um plano de trabalho (Fl) do material metálico (WP; M), em função da área do plano de trabalho (Fl) atual e / ou da direção atual do trajeto de trabalho (T; F) sobre o material metálico (WP; M); tal método sendo caracterizado por compreender as etapas de: distribuir um fluxo de gás auxiliar para a dita área do plano de trabalho (Fl) do material metálico (WP; M), ao longo de um eixo de fluxo de gás auxiliar; transladar o eixo de fluxo de gás auxiliar em relação a um trajeto de trabalho (T; F) predeterminado sobre o material metálico; detectar a posição atual e / ou a direção da translação atual do eixo de fluxo de gás auxiliar; controlar automaticamente a distribuição de potência transversal do feixe de laser (B) em função da posição atual detectada e / ou da direção da translação atual detectada do eixo de fluxo de gás auxiliar, controlando o arranjo das referidas áreas de reflexão (200a-200r) para estabelecer a mencionada distribuição de potência transversal predeterminada do feixe (B) em uma área do plano de trabalho (Fl) sobre o material metálico (WP; M), compreendida em uma vizinhança predeterminada em torno do eixo do fluxo de gás auxiliar e dentro de uma área de distribuição do referido fluxo.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o controle automático da distribuição de potência transversal do feixe de laser (B) em função da posição atual e / ou da direção da translação atual detectada do eixo de fluxo de gás auxiliar ser realizado por referência a um padrão ou programa de controle predeterminado.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por compreender uma etapa de controlar o arranjo das ditas áreas de reflexão (200A-200r) para estabelecer uma distribuição de potência transversal do feixe (B) em uma área de pelo menos um plano de trabalho (Fl) sobre o material metálico (WP; M), tendo uma forma Gaussiana com um diâmetro predeterminado.

4. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por compreender uma etapa de controlar o arranjo das ditas áreas de reflexão (200a-200r) para estabelecer uma distribuição de potência transversal do feixe (B) em uma área de pelo menos um plano de trabalho (Fl) sobre o material metálico (WP; M), tendo um formato anelar.

5. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por compreender uma etapa de controlar o arranjo das ditas áreas de reflexão (200a-200r) para estabelecer uma distribuição de potência transversal do feixe (B) em uma área de pelo menos um plano de trabalho (Fl) sobre o material metálico (WP; M), tendo um formato de perfil chato com um diâmetro predeterminado.

6. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por compreender uma etapa de controlar o arranjo das ditas áreas de reflexão (200a-200r) para estabelecer uma distribuição de potência transversal do feixe (B) em uma área de pelo menos um plano de trabalho (Fl) sobre o material metálico (WP; M), incluindo uma distribuição Gaussiana tendo um diâmetro predeterminado e uma distribuição anelar externamente concêntrica à distribuição Gaussiana.

7. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por compreender uma etapa de controlar o arranjo das ditas áreas de reflexão (200a-200r) para estabelecer uma distribuição de potência transversal do feixe (B) em uma área de pelo menos um plano de trabalho (Fl) sobre o material metálico (WP; M), incluindo uma distribuição Gaussiana tendo um diâmetro predeterminado e uma distribuição semi-anelar externamente concêntrica à distribuição Gaussiana.

8. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por compreender a orientação do eixo de simetria da referida distribuição de potência transversal do feixe (B), incluindo uma distribuição Gaussiana tendo um diâmetro predeterminado e uma distribuição semi-anelar externamente concêntrica à distribuição Gaussiana, na área do plano de trabalho (Fl), dependendo da direção local do trajeto de trabalho (T; F).

9. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por compreender uma etapa de controlar o arranjo das ditas áreas de reflexão (200a-200r) para estabelecer uma distribuição de potência transversal do feixe (B) em uma área de pelo menos um plano de trabalho (Fl) sobre o material metálico (WP; M), tendo uma forma Gaussiana com uma seção elíptica.

10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por compreender a orientação do eixo de simetria da referida distribuição de potência transversal do feixe (B), tendo uma forma Gaussiana com uma seção elíptica, na área do plano de trabalho (Fl), dependendo da direção local do trajeto de trabalho (T; F).

11. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender a translação relativa do eixo de fluxo de gás auxiliar ao longo de um trajeto de trabalho predeterminado (T; F) sobre o material metálico (WP; M), a detecção da posição atual e / ou a detecção da direção atual de translação do eixo de fluxo de gás auxiliar, e o ajuste automático do eixo óptico de posição de propagação do feixe de laser (B) em função da posição atual detectada e / ou da direção de translação atual detectada do eixo de fluxo de gás auxiliar.

12. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por o ajuste automático da posição do eixo óptico de propagação do feixe de laser (B) em função da posição atual detectada e / ou da direção de translação atual detectada do eixo de fluxo de gás auxiliar ser realizada por referência a um padrão ou programa de ajuste predeterminado.

13. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por compreender uma etapa de controlar o arranjo das referidas áreas de reflexão (200a-200r) para estabelecer uma distribuição de potência transversal total do feixe (B) em uma área de pelo menos um plano de trabalho (n) sobre o material metálico (WP; M), correspondendo a um modo eletromagnético transversal TEM10, incluindo uma combinação de duas distribuições Gaussianas tendo um diâmetro predeterminado alinhado transversalmente em relação à direção do trajeto de trabalho (F), em que a posição relativa do eixo de propagação óptica e o plano de focalização das duas referidas distribuições Gaussianas variam ciclicamente ao longo do tempo, dependendo da direção local do trajeto de trabalho (F), de acordo com uma lei que inclui a combinação dos seguintes movimentos: avanço do baricentro da distribuição total de potência ao longo da direção local do trajeto de trabalho (F); quando projetado em um plano horizontal, movimento do eixo óptico de cada uma das duas referidas distribuições Gaussianas de acordo com uma trajetória elíptica de revolução, em torno de um respectivo baricentro geométrico predeterminado de revolução no tempo, respectivamente no sentido horário à direita do baricentro da distribuição total de potência, com respeito à direção de trabalho progressiva, e no sentido anti-horário à esquerda do baricentro da distribuição total de energia, com respeito à direção de trabalho progressiva; durante o movimento de revolução no tempo em torno do respectivo baricentro predeterminado, variação da localização do plano de focalização de cada uma das duas referidas distribuições Gaussianas ao longo do respectivo eixo óptico de propagação, com evolução retrógrada ao longo de uma trajetória de paralelogramo em projeção em um plano sagital; progressão dos baricentros de revolução do eixo óptico de cada uma das duas referidas distribuições Gaussianas ao longo de direções que são paralelas à direção de movimento do baricentro da distribuição total de potência, respectivamente à direita e à esquerda do mesmo.

14. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por a variação cíclica da posição relativa do eixo óptico de propagação de cada uma das duas referidas distribuições Gaussianas, e da localização do plano de focalização de cada uma das duas referidas distribuições Gaussianas ao longo do seu respectivo eixo óptico de propagação, ocorrer com uma freqüência que é um múltiplo inteiro de v/2D, onde v é a velocidade de progressão do baricentro da distribuição total de potência e D é o diâmetro do ponto de focalização do feixe de laser (B), na “cintura” do feixe.

15. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o controle do arranjo das referidas áreas de reflexão (200a-200r) do elemento refletor (200) da superfície controlada compreender o controle de uma combinação de movimentos das citadas áreas (200a-200r) em relação a uma superfície plana refletora de referência.

16. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado por o controle de uma combinação de movimentos das referidas áreas de reflexão (200a-200r) do elemento refletor (200) de superfície controlada compreender controlar o movimento de translação das mencionadas áreas (200a-200r) ao longo do eixo óptico do elemento refletor (200) e / ou a rotação das referidas áreas (200a-200r), para obter uma inclinação em relação ao eixo óptico do elemento refletor (200).

17. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por compreender a provisão de um elemento refletor (200) de superfície controlada e deformável tendo uma superfície refletora com uma curvatura contínua, incluindo uma pluralidade de áreas de reflexão (200a-200r) independentemente móveis por meio de uma pluralidade correspondente de módulos de movimento, que incluem uma área central e uma pluralidade de fileiras de setores em coroa circular concêntricos à referida área central.

18. Método, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado por as ditas fileiras de setores em coroa circular concêntricos serem em número de 6, com os setores em coroa circular sendo em número de 8 para cada fileira, e a altura dos setores em coroa circular aumentar a partir da primeira até a terceira fileira e a partir da quarta até a sexta fileira, radialmente, em direção ao exterior do elemento refletor, com a altura dos setores em coroa circular da quarta fileira sendo intermediária entre a altura dos setores em coroa circular das primeira e segunda fileiras.

19. Máquina para processamento a laser de um material metálico, conforme descrito na reivindicação 1, em particular para corte, perfuração ou soldagem a laser do referido material, por meio de um feixe de laser (B) tendo uma predeterminada distribuição de potência transversal, focalizado em pelo menos um plano de trabalho (n) do material metálico (WP; M), compreendendo: uma fonte de emissão (10) de feixe de laser; meios (12a; 12b; 12c; 12d) para conduzir o feixe de laser (B) emitido pela dita fonte de emissão (10), ao longo de um trajeto óptico de transporte de feixe até um cabeçote de trabalho (14) disposto próximo do dito material metálico (WP; M); meios ópticos (120) para colimarem o feixe de laser (B) ao longo de um eixo óptico de propagação incidente sobre o material metálico (WP; M); meios ópticos (16; 140) para focalizarem o referido feixe de laser (B) colimado em uma área de um plano de trabalho (n) sobre o referido material metálico (WP; M); em que pelo menos os mencionados meios ópticos (16; 140) de focalização do citado feixe de laser (B) colimado são portados pelo referido cabeçote de trabalho (14) a uma distância controlada do dito material metálico (WP; M); e meios para ajustarem a posição mútua entre o dito cabeçote de trabalho (14) e o citado material metálico (WP; M), adaptados para conduzirem o referido feixe de laser (B) focalizado ao longo de um trajeto de trabalho (T; F) sobre o material metálico (WP; M), compreendendo uma sucessão de áreas de trabalho; meios ópticos (180) para conformar o feixe de laser (B), incluindo um elemento refletor (200) de superfície controlada e deformável tendo uma superfície refletora com uma curvatura contínua incluindo uma pluralidade de áreas de reflexão (200a-200r) independentemente móveis, adaptadas para refletirem o referido feixe de laser (B) colimado, com o arranjo das referidas áreas de reflexão (200a-200r) estando adaptado para estabelecer um distribuição de potência transversal predeterminada do feixe (B) em pelo menos um plano de trabalho (n) do material metálico (WP; M); e meios eletrônicos de processamento e controle (ECU, CM1, CM2, CM3) dispostos de modo a controlarem o arranjo das citadas áreas de reflexão (200a-200r) para estabelecer uma distribuição de potência transversal predeterminada do feixe (B) em pelo menos um plano de trabalho (Fl) do material metálico (WP; M), em função da área do plano de trabalho (Fl) atual e / ou da direção atual do trajeto de trabalho (T; F) sobre o material metálico (WP; M); caracterizada por compreender um bocal (18) adaptado para direcionar o fluxo de um gás auxiliar para a área de trabalho sobre o material (WP; M); com os referidos meios eletrônicos de processamento e controle estando ainda dispostos de modo a: transladarem o eixo de fluxo de gás auxiliar em relação a um trajeto de trabalho (T; F) predeterminado sobre o material metálico (WP; M); detectarem a posição atual e / ou a direção da translação atual do eixo de fluxo de gás auxiliar; e controlarem automaticamente a distribuição de potência transversal do feixe de laser (B) em função da posição atual detectada e / ou da direção da translação atual detectada do eixo de fluxo de gás auxiliar.

20. Suporte compreendendo um conjunto de instruções que quando executadas realizam um método de processamento a laser, conforme descrito em qualquer uma das reivindicações 1 a 18, e executado por meios eletrônicos de processamento e controle em uma máquina para processamento a laser de um material metálico, caracterizado por a dita máquina compreender: meios ópticos para conformarem o feixe de laser, incluindo um elemento refletor de superfície controlada e deformável tendo uma superfície refletora com uma curvatura contínua incluindo uma pluralidade de áreas de reflexão independentemente móveis, adaptadas para refletirem um feixe de laser colimado, com o arranjo das ditas áreas de reflexão estando adaptado para estabelecer um distribuição de potência transversal predeterminada do feixe em pelo menos um plano de trabalho do material metálico; meios eletrônicos de processamento e controle dispostos de modo a controlarem o arranjo das referidas áreas de reflexão, para estabelecer uma distribuição de energia transversal predeterminada do feixe em pelo menos um plano de trabalho do material metálico, em função da área do plano de trabalho atual e / ou da direção atual do trajeto de trabalho sobre o material metálico; em que o referido método de conformar um feixe de laser compreende controlar automaticamente a distribuição de potência transversal do feixe de laser, em função de uma posição atual detectada e / ou uma direção de translação atual detectada do eixo de um fluxo de gás auxiliar distribuído em direção a uma área do plano de trabalho, controlando o arranjo das referidas áreas de reflexão para estabelecer a mencionada distribuição de potência transversal predeterminada do feixe em uma área do plano de trabalho sobre o material metálico, compreendida em uma vizinhança predeterminada em torno do eixo do fluxo de gás auxiliar e dentro de uma área de distribuição do dito fluxo.