Processo de corte a laser - material de aço carbono

I. Corte de materiais de aço carbono

1.1 Tipos de perfuração e princípios de corte

Fenômeno :
Os tipos de perfuração incluem principalmente processamento de pulso e processamento de onda contínua (CW) (conforme mostrado na Figura 3.1-1). O processo de perfuração começa com o feixe de laser irradiando e aquecendo a superfície do material (1), depois se aprofunda gradualmente no material (2)~(4) e finalmente completa a perfuração (5) de forma contínua e ininterrupta.

• Condições CW : Ao usar condições CW, o ponto focal deve ser definido acima da superfície do material (2 > 0) para ampliar a abertura de processamento. À medida que a perfuração se aprofunda, o ponto focal move-se gradualmente para baixo até que a perfuração seja concluída.

• Condições de pulso : Ao usar condições de pulso, ajuda a suprimir a entrada de calor, alcançando assim o efeito de processamento de pequena abertura.

 

 

[Princípio]

1. Perfuração usando condições de pulso
   Quando a espessura do material de aço carbono exceder 9 mm, se a perfuração for realizada em condições de pulso, o tempo de processamento aumentará significativamente. No entanto, o diâmetro do furo perfurado será de apenas cerca de 0,4 mm, que é mais estreito que a costura cortada, e a zona afetada pelo calor também será menor. A Figura 3.1-2 mostra a morfologia quando a irradiação do laser é interrompida no meio da perfuração, que é usada para verificar o progresso da perfuração. A perfuração por pulso é obtida pela irradiação repetida e pela parada do laser, que derrete (ou evapora) o material, descarrega o material fundido e o resfria, aprofundando gradualmente a perfuração. Se houver uma discrepância de tempo entre os processos de fusão e descarga, isso pode levar a respingos de metal fundido para cima ou a um tempo de perfuração prolongado. Quando a frequência está na faixa de 100 a 200 Hz, quanto maior for definida a potência de pico do pulso, melhor será a qualidade do furo perfurado. Se uma frequência mais alta for usada, apenas a capacidade de fusão aumenta, enquanto a eficiência da descarga do metal fundido e do resfriamento diminui.

 

2. Perfuração usando condições CW

Ao perfurar sob condições de onda contínua (CW), uma grande quantidade de metal fundido tende a respingar para cima. Se o metal fundido não puder ser descarregado através da abertura extremamente pequena acima, poderá ocorrer queima excessiva. A desvantagem da perfuração CW é que uma quantidade significativa de metal fundido espirra na superfície da peça, mas a vantagem é que pode reduzir bastante o tempo de processamento. A Figura 3.1-3 mostra fotos da superfície e verso do material SS400 com espessura de 12mm após perfuração usando saída CW com diferentes diâmetros de bico. O diâmetro do bocal corresponde à faixa de oxigênio que está sendo pulverizado na área de perfuração. Quanto maior for o diâmetro do bico, maior será o diâmetro do furo perfurado.

3. Outros

Em condições normais, as condições de perfuração são ajustadas enquanto se observa o progresso da perfuração em condições de pulso ou em CW (ou em ambas as condições). O efeito de perfuração ideal é caracterizado por uma pequena abertura e um curto tempo de processamento.

 

1.2 Métodos para reduzir o tempo de perfuração

Fenómeno

Os métodos para reduzir o tempo de perfuração variam dependendo do tipo de perfuração.

1. Perfuração de condição de pulso

Ao usar condições de pulso para perfuração, a irradiação do laser é pulsada. Um bom efeito só pode ser alcançado se a fusão e a evaporação durante a irradiação do laser forem bem combinadas com o resfriamento durante a pausa. Se o foco for apenas melhorar o derretimento e a evaporação, isso pode facilmente causar queimaduras excessivas; inversamente, se apenas o efeito de resfriamento for enfatizado, o tempo de perfuração será maior.

2. Perfuração de condição CW

A perfuração CW tende a causar um fenômeno de queima excessiva. A vantagem da perfuração CW é que ela pode reduzir o tempo de perfuração, mas à medida que a espessura da placa aumenta, a faixa de fusão continuará a se expandir, afetando assim a qualidade do processamento.

3. Ajustando as condições com base no progresso da perfuração

No processamento de perfuração, quando a quantidade de irradiação do laser é muito alta ou muito baixa, as condições devem ser ajustadas enquanto se observa a situação de processamento até que as condições ideais sejam alcançadas.

Causas e contramedidas

1. Perfuração em modo de pulso

Para aumentar a capacidade de fusão e de resfriamento, é necessário irradiar uma grande quantidade de energia em um curto espaço de tempo e garantir um tempo de resfriamento adequado após a irradiação. Conforme mostrado nas Figuras 3.2-1 e 3.2-2, o efeito da irradiação de pulso com uma forma de onda de pulso retangular de pico alto é ideal. A energia necessária para a fusão é expressa como o produto da intensidade $E$ e do tempo de irradiação $T$. Em comparação com os pulsos de ondas triangulares, os pulsos de ondas retangulares requerem metade do tempo de irradiação para atingir a mesma energia, resultando em menos entrada de calor na peça de trabalho, reduzindo assim a probabilidade de queimadura excessiva. A Figura 3.2-3 mostra o efeito da potência de pico do pulso e da potência média do pulso na perfuração em material SS400 com 6 mm de espessura, onde a potência de pico de pulso mais alta resulta em tempo de perfuração mais curto.

 

 

 

2. Perfuração no modo CW

Quando a espessura da placa ultrapassa 12mm, é aconselhável selecionar um bico de menor diâmetro. Para corte de chapas grossas onde a qualidade da superfície de corte é priorizada, devem ser escolhidos bicos separados para perfuração e corte.

3. Ajustando as condições com base no progresso da perfuração

Ao ajustar as condições, o brilho do estado fundido na parte perfurada pode ser observado por meio de sensores. Se a faixa fundida tende a se expandir, a intensidade do laser deve ser reduzida; inversamente, se o efeito de fusão diminuir, a intensidade do laser deverá ser aumentada. Esta abordagem visa obter perfuração de pequeno diâmetro e alta velocidade.

 

1.3 Métodos para Resolver Defeitos de Perfuração

Fenômeno
Os principais fatores que causam defeitos de perfuração incluem o momento da ocorrência, o local da ocorrência, o momento da ocorrência e os fatores intrínsecos do material. Consulte a Tabela 3.3-1 para uma análise dos fatores-chave.

Causas e contramedidas

1. Momento da ocorrência do defeito
   É essencial determinar quando o defeito ocorre – se ocorre no meio do processo de perfuração ou logo após a perfuração, quando o corte começa. Se o defeito ocorrer no meio do caminho, verifique se ocorre logo no início da perfuração ou durante a transição para outras condições e ajuste adequadamente. Se o defeito ocorrer pouco antes do término da perfuração, pode ser devido à mudança das condições de perfuração para corte antes que o furo seja totalmente perfurado. Neste caso, o tempo de perfuração precisa ser prolongado. Se o defeito aparecer logo no início do corte, pode ser devido ao acúmulo de detritos ao redor da área de perfuração, tornando o corte instável. Nesses casos, as condições de pulso devem ser definidas no início do corte.

2. Localização do defeito de processamento
   Se os defeitos de perfuração estiverem concentrados em uma área específica da plataforma de processamento, isso pode ser devido a um desalinhamento entre o laser e o centro do bico, exigindo ajuste.
   Quando as posições de perfuração são densas ou localizadas perto da linha de corte, a área perfurada pode facilmente estar em alta temperatura. A Figura 3.3-1 mostra os resultados do processamento em diversas temperaturas quando a temperatura do material é elevada da temperatura ambiente para 200°C, usando material SS400 com 12 mm de espessura. Os dados mostram a taxa de queima excessiva com base em 50 perfurações em cada temperatura. Pode-se observar que os defeitos de processamento aumentam com o aumento da temperatura. Para reduzir defeitos de processamento, a usinagem deve ser realizada tanto quanto possível no estado resfriado do material, e a rota de processamento deve ser projetada de maneira ideal.

 

 

3. Momento da ocorrência do defeito

Se os defeitos de processamento aumentarem à medida que o tempo de processamento avança, observe se o aumento do tempo de resfriamento pode restaurar a operação normal. Se isso acontecer, isso indica que ocorreu um efeito de lente térmica nos componentes ópticos e que é necessária manutenção dos componentes ópticos. Contudo, se o aumento do tempo de resfriamento não resolver o problema, pode ser devido a um mau funcionamento no oscilador, causando flutuações na potência de saída. Nestes casos, contacte o departamento de serviço pós-venda.

4. Material que causa defeitos de processamento

Ao determinar se o defeito tem origem no material, primeiro verifique se o material já foi utilizado anteriormente. Se já tiver sido utilizado anteriormente, não há necessidade de ajustar as condições de processamento, pois o defeito provavelmente se deve a um mau funcionamento da máquina de processamento ou de componentes ópticos.

A Figura 3.3-2 mostra o tempo necessário para penetrar no material SS400 com 16 mm de espessura produzido por vários fabricantes durante a perfuração. Se a qualidade do material mudar, confirme o tempo de perfuração antes do processamento contínuo ou defina um tempo geral de processamento um pouco mais longo.

 

II. Métodos para resolver queimaduras excessivas durante o processo de corte

 

2.1 Métodos para lidar com queimaduras frequentes ao processar formas quadradas de 12 mm de espessura e 25 mm

[Fenómeno]

Ao cortar materiais de aço carbono, se a forma que está sendo processada tiver cantos afiados, os cantos afiados estarão sujeitos a derreter ou queimar demais. A velocidade de corte diminui à medida que a espessura do material aumenta, e o calor gerado durante o corte se acumula dentro do material, fazendo com que a temperatura do material aumente e resultando em derretimento frequente ou queima excessiva nos cantos vivos.

[Razão]

Conforme mostrado na Figura 3.4-1, em um bom processo de corte, a energia térmica produzida pelo laser e a energia térmica gerada pela combustão por oxidação são efetivamente dissipadas no material que está sendo processado, que também é efetivamente resfriado. Se o resfriamento for insuficiente, ocorre queima excessiva. Os cantos agudos têm um volume menor e uma área de dissipação de calor mais estreita, de modo que a temperatura sobe facilmente, causando queima excessiva. Além disso, durante a perfuração, o laser absorvido pela parede interna do furo faz com que a temperatura suba acentuadamente em um espaço muito pequeno, o que também leva facilmente à queima excessiva.

 

[Solução]

(1) Ao processar vários formatos de pequeno porte, o calor continuará a se acumular à medida que o processo avança, tornando mais provável a ocorrência de queima excessiva durante a última parte do processamento. A solução, conforme mostrado na Figura 3.4-2, é espalhar os caminhos de processamento tanto quanto possível para evitar movimentos contínuos em uma direção. Isso permite que o calor se dissipe de forma mais eficaz. Os caminhos de processamento devem ser otimizados de acordo com a forma real que está sendo processada.

(2) Conforme mostrado na Figura 3.4-3, se a queima excessiva estiver concentrada nos cantos vivos, ela poderá ser efetivamente evitada substituindo os cantos vivos por raios pequenos (R) no formato de processamento. Quanto maior o raio R, mais eficaz é a prevenção. À medida que a espessura do material aumenta, o raio R também precisa ser aumentado correspondentemente.

 

(3) Cantos agudos tendem a derreter à medida que a temperatura aumenta durante o processamento porque a área de processamento já está em alta temperatura quando o feixe de laser passa (conforme mostrado na Figura 3.4-4). Se a velocidade de avanço do feixe de laser for mais rápida que a taxa de condução de calor, o processo de corte poderá ser concluído antes que o material fique superaquecido, evitando efetivamente o derretimento.

 

Sob condições típicas, a taxa de condução de calor que causa a fusão é de cerca de 2 m/min. Se a velocidade de corte for superior a 2m/min, geralmente não ocorre fusão. É também por isso que cantos vivos em materiais de aço carbono com espessura inferior a 6 mm apresentam menos derretimento. Para materiais de aço carbono com espessura superior a 9 mm, alcançar o mesmo efeito requer o uso de uma condição de processamento com uma potência de saída superior a 4 kW, necessitando de um oscilador de alta potência de saída.

(4) Se forem utilizados gases auxiliares, como nitrogênio ou ar, as reações de oxidação e combustão não ocorrerão e, portanto, geralmente não ocorrerá fusão ou queima excessiva.

2.2 Identificando as Causas de Sobrequeima em Chapas de 16mm de Espessura: Causas da Peça

[Fenómeno]

Para identificar as causas da queima excessiva devido ao calor descontrolado, os fenômenos de processamento devem ser divididos em etapas para encontrar as razões subjacentes em cada etapa.

O fluxo do processo de corte a laser é mostrado na Figura 3.5-1:

1. O laser é direcionado para a superfície do material.
2. O laser é absorvido, causando derretimento.
3. A parte fundida queima devido ao suporte de combustão do gás auxiliar.
4. A queima se expande ainda mais na direção da espessura do material.
5. O metal fundido é expelido da costura cortada.

Esses processos se repetem continuamente até que o objetivo de corte seja alcançado.

 

 

As causas da queima excessiva podem ser atribuídas a problemas com a máquina de processamento ou com a peça de trabalho. Especificamente:

• As causas relacionadas à máquina se manifestam nas etapas ① e ③.
• As causas relacionadas à peça se manifestam nas etapas ②, ④ e ⑤.

[Causas e Contramedidas]

1. Causas relacionadas à absorção de laser

   A instabilidade no processo de corte a laser ② pode causar queimaduras excessivas. Se a camada de oxidação superficial do material (incrustação) estiver mal aderida ou irregular, a absorção do laser pelo material será inconsistente, resultando em geração de calor instável. A Figura 3.5-2 mostra uma comparação de superfícies de corte quando o laser é aplicado na parte superior e inferior do mesmo material. Isso demonstra que o estado da camada de oxidação superficial do material afeta a qualidade da superfície de corte. Ao colocar o material, verifique cuidadosamente o estado da superfície e posicione o lado com melhor camada de oxidação voltada para cima.

 Para materiais onde as superfícies superior e inferior não podem ser definidas arbitrariamente, um método de corte secundário pode ser usado. Isto envolve primeiro usar a energia do laser para nivelar a superfície irregular do material antes de prosseguir com o corte principal. Especificamente, você:

1. Tratamento de superfície inicial : Reduza a densidade de energia do laser apenas ao nível necessário para derreter a superfície do material. Derreta a superfície ao longo do caminho de corte, garantindo que a largura derretida seja ligeiramente maior que a costura cortada.

2. Corte Principal : Mude para as condições de corte padrão para concluir o processo de corte.

A Figura 3.5-3 compara amostras cortadas usando o método de corte único e o método de corte secundário. Mostra que a qualidade da superfície de corte obtida com o método de corte secundário é essencialmente equivalente à de materiais com superfície bem conservada.

 

2. Causas Relacionadas à Combustão na Direção da Espessura ou Ejeção de Metal Fundido

Esta causa leva à instabilidade nos processos de corte a laser ④ e ⑤. Variações na composição interna do material podem afetar o calor da reação de combustão ou o estado de fluxo do metal fundido. Os materiais fabricados por fornecedores domésticos japoneses geralmente apresentam pouca diferença no desempenho de processamento. No entanto, os materiais de fornecedores estrangeiros podem apresentar variações significativas no desempenho do processamento. A Figura 3.5-4 mostra uma comparação do corte de aço carbono com 16 mm de espessura sob as mesmas condições de potência e velocidade de corte. Se utilizar materiais de fornecedores estrangeiros com maior teor de Si ou Mn, atenção especial deve ser dada à posição do foco e às configurações de pressão do gás auxiliar durante a configuração.

 

2.3 Identificando as causas da queima excessiva em chapas de 16 mm de espessura: causas relacionadas à máquina

[Causas e Contramedidas]

1. Problemas de Gás Auxiliar (Figura 3.6-1)

   (1) Fluxo desigual de oxigênio : Se o oxigênio não for direcionado uniformemente ao redor do metal fundido, a eficiência de combustão e o fluxo do metal fundido serão irregulares, levando à queima excessiva devido às diferentes direções de corte. Problemas como desalinhamento do feixe de laser, deformações do bico ou acúmulo de escória podem perturbar o fluxo de gás auxiliar. A condição do bico deve ser verificada primeiro.

   (2) Baixa pureza do gás : Se todas as superfícies de corte forem de baixa qualidade, pode ser devido à baixa pureza do gás no tanque de oxigênio, resultando em partes inferiores ásperas e escórias da superfície de corte. À medida que a espessura do material aumenta, o impacto da pureza do gás auxiliar na qualidade do processamento torna-se mais significativo. Ao diagnosticar esse problema, use um tanque de gasolina cuja precisão foi previamente confirmada.

 

2. Problemas com Laser (Figura 3.6-2)

(1) Problemas direcionais durante o corte : Se inconsistências direcionais forem observadas durante o corte, é provável que seja devido a problemas com a redondeza do feixe de laser ou distribuição de intensidade. A intensidade do laser afeta diretamente sua capacidade de derreter metal. Se houver problemas com a circularidade do feixe ou distribuição de intensidade, a eficiência da combustão irá variar com as mudanças na direção de corte, levando à queima excessiva. Neste caso, a forma do modo de feixe precisa ser verificada.

(2) Má qualidade geral da superfície de corte : Isso pode ser atribuído ao foco inadequado da lente. A temperatura nas áreas que precisam ser derretidas deve ser a mais alta possível, enquanto a temperatura nas áreas que não derretem deve ser a mais baixa possível. Variações na energia nesses limites de temperatura podem causar queima excessiva. A focagem inadequada pode ser causada por anomalias nas lentes ou nos espelhos PR, ou por problemas no caminho óptico ou nos espelhos refletores.

 

 

3. Outras Causas (Figura 3.6-3)

(1) Diminuição da qualidade ao longo do tempo : Se a qualidade do corte piorar à medida que o processo avança, pode ser devido ao acúmulo de calor no material, causando um aumento na temperatura do material e resultando em queima excessiva. Nesses casos, o percurso de corte deve ser definido para uma rota dispersa para evitar concentração excessiva de calor.

(2) Deterioração da qualidade nas fases posteriores de percursos de corte longos : Se a qualidade começar a deteriorar-se na segunda metade de um percurso de corte mais longo, pode ser devido a contaminantes nas lentes ou espelhos PR que absorvem o laser e causam efeitos de lentes térmicas. Limpe as lentes ou espelhos PR e outros componentes ópticos. Se a limpeza não resolver o problema, poderá ser necessário substituir os componentes ópticos.

(3) Defeitos em áreas específicas da plataforma de corte : Se ocorrerem defeitos em uma área específica da plataforma de corte, a causa poderá ser o desalinhamento no caminho óptico. Este desalinhamento pode fazer com que o centro do bico se desvie do centro do laser à medida que a posição de corte se move, causando queima excessiva. Neste caso, ajuste o alinhamento do caminho óptico.

 

 

 [Causas]

Conforme mostrado na Figura 3.8-2, a perfuração envolve direcionar um laser para a superfície do material e remover gradualmente o metal fundido para criar um furo. Se a potência de saída for definida muito alta para acelerar o processo de fusão, o pequeno orifício criado durante a perfuração pode não ser capaz de expelir o metal fundido com rapidez suficiente, fazendo com que o calor se acumule no material. Além disso, conforme ilustrado na Figura 3.8-3, quando o diâmetro do furo está na faixa de 0,3 a 0,5 mm, as paredes do furo são altamente absorventes ao laser. Isso resulta em temperaturas muito altas ao redor do furo pequeno e, com placas mais espessas, a profundidade da absorção do laser nas paredes internas do furo aumenta, causando temperaturas ainda mais altas ao redor do furo.

 

Ao fazer furos com diâmetro de 0,3 a 0,5 mm, a largura da costura cortada é normalmente de 0,5 a 0,8 mm. Iniciar imediatamente o processo de corte após a perfuração pode levar a um aumento no volume do metal fundido. Neste caso, o pequeno orifício pode não ser capaz de acomodar o metal fundido em rápida expansão, resultando num fenómeno de ejeção reversa.

 

 

 

3. Modo de feixe e métodos de processamento para corte de aço carbono

3.1 Modo de feixe adequado para corte de placas grossas de aço carbono

Fenômeno: No corte em alta velocidade de chapas finas, um modo de feixe focado com alta capacidade de fusão é mais adequado. Normalmente, feixes de modo único (TEM) focados através de lentes de distância focal curta são usados ​​no corte a laser. No entanto, no corte de chapas espessas, simplesmente aumentar a capacidade de fusão é insuficiente para expulsar eficazmente o metal fundido do corte, e a margem para alcançar condições de corte de alta qualidade é bastante estreita. A Figura 3.10-1 compara a margem para condições de processamento ao cortar aço carbono com 12 mm de espessura usando vigas monomodo (TEM) e multimodo (TEM). Isso mostra que a margem da condição de processamento é maior ao usar feixes multimodo.

 

  Razão:

No corte de chapas grossas de aço carbono, o modo de feixe desempenha um papel decisivo na determinação da forma do corte. A Figura 3.10-2 mostra os dois principais fatores relacionados ao modo do feixe

  

 

1. Limitando o intervalo de fusão e queima

A chave para cortar chapas grossas é garantir que a área que precisa ser derretida pela irradiação do laser atinja uma temperatura alta, enquanto a área que não precisa ser derretida permaneça o mais fria possível. Especialmente no ponto inicial do corte, o fenômeno de fusão na superfície da peça é diretamente afetado pelo modo do feixe. No ponto de irradiação do laser, a fusão começa no centro, onde a intensidade do laser é mais alta, e se espalha para fora, parando onde a densidade de energia do modo de feixe é baixa. Quanto maior o ângulo de inclinação $heta$ da distribuição de intensidade de energia na seção inclinada do modo de feixe, menos calor será transferido para a área ao redor do corte. Por outro lado, se o ângulo de inclinação $heta$ for pequeno, será difícil para a fusão no corte parar onde for necessário, fazendo com que a faixa de queima se expanda, levando a calor descontrolado e queima excessiva. Se a temperatura no limite da largura do corte for muito alta, será difícil parar a queima no limite da largura do corte, pois ela se espalha do centro do corte para fora, resultando eventualmente em queima excessiva. Comparado ao modo de feixe único, o modo multifeixe tem um gradiente mais acentuado na seção inclinada, colocando menos carga na lente, tornando-o mais adequado para cortar chapas grossas.

2. Múltiplas reflexões dentro do Kerf

Quando o laser irradia a peça, ela sofre múltiplas reflexões dentro do corte, facilitando o processo de corte. A distância focal da lente afeta o ângulo em que o laser irradia a peça de trabalho e o estado de múltiplos reflexos. Quanto maior a distância focal da lente, menor será a alteração na largura do corte de cima para baixo, o que é vantajoso para cortar chapas grossas. Porém, quanto maior a distância focal da lente, menor será a inclinação da inclinação no modo de feixe, exigindo que a distância focal seja selecionada em conjunto com o modo de feixe.

3.2 Escolhendo o bocal mais adequado para cortar placas grossas de aço carbono

Fenômeno:
O corte de chapas grossas de aço carbono depende principalmente de uma reação de oxidação, tornando extremamente importante o gerenciamento da pureza do oxigênio auxiliar. Isso já foi discutido anteriormente. A pureza do oxigênio não só diminui no início do processo de corte, mas também continua a diminuir durante o processo de corte, levando a um declínio na qualidade do corte e a uma redução na velocidade de corte, o que necessita de melhorias.

Razão:
Conforme mostrado na Figura 3.11-1, o gás auxiliar é pulverizado por cima da peça de trabalho. Quando o fluxo de ar colide com a superfície do material, ocorre turbulência. À medida que o fluxo de ar entra no corte, a queima ao longo da direção da espessura da placa e a mistura do ar no corte farão com que a pureza do gás diminua do centro do corte para baixo. Este efeito é particularmente pronunciado à medida que a espessura da placa aumenta ou a velocidade de corte aumenta. A parte inferior da frente de corte ficará para trás na direção de corte e a queda na pureza do gás afetará muito o processamento.

  

 

 Solução:
Se for usado um bico padrão de furo único, o diâmetro do bico pode ser aumentado para aumentar o efeito de proteção do oxigênio na área de processamento. No entanto, esta abordagem tem desvantagens, tais como estreitar a faixa controlável e ajustável de fluxo de ar e pressão de gás, facilitando a infiltração de escória e sujando a lente.

A Figura 3.11-2 mostra o uso de um bico de estrutura dupla. Usar um bico duplo não apenas permite que o oxigênio proteja a área de corte, mas também ajuda a manter a pureza do oxigênio na direção da espessura da placa. O oxigênio emitido pelo bocal externo auxilia o gás de suporte à combustão ejetado do bocal central. Contudo, o ajuste das características do fluxo de ar é feito principalmente através do bocal central.

 

As funções do bico duplo são as seguintes: O oxigênio emitido pelo bico central faz com que a queima penetre mais profundamente da superfície do material para baixo, com a pureza do gás diminuindo durante o processo de queima. O bico externo então complementa o gás onde a pureza diminuiu. Além disso, à medida que o corte avança, o oxigênio auxiliar emitido pelo bocal externo ajuda a impedir que gases externos se infiltrem no corte.

Quanto mais espesso o material, mais a reação de oxidação na parte inferior da placa ficará para trás. Quando a parte inferior da frente de corte fica atrás da direção de processamento, ela se moverá para fora do alcance do jato de oxigênio. Da mesma forma, quando a velocidade de corte aumenta, a parte inferior da frente de corte também fica atrás da direção de processamento, saindo do alcance do jato de oxigênio. Para resolver esse fenômeno de atraso na parte inferior da frente de corte, um bico duplo pode utilizar efetivamente o oxigênio emitido pelo bico duplo para evitar que o ar se infiltre na área de processamento.

3.3 Métodos para evitar danos por derretimento no final do corte de chapas grossas

Fenômeno:
No corte de chapas grossas de aço carbono, é comum que ocorram danos por fusão ao final do processo de corte. Em processos como rosqueamento de furos, dependendo dos requisitos de qualidade, pode ser necessário reparar as áreas fundidas. Isto é especialmente verdadeiro nos casos em que o material é espesso e o diâmetro do furo é pequeno, onde a quantidade de danos por fusão pode ser significativa.

Motivo:
Conforme mostrado na Figura 3.12-1, a condução de calor no local de processamento é mais rápida que a velocidade de corte, fazendo com que o calor atue à frente do laser. Quando o processamento se aproxima da seção final, o calor perde seu espaço de condução, deixando a parte final em um estado de alta temperatura. Se o oxigênio continuar a ser fornecido neste ponto, poderá causar queima excessiva, causando danos por derretimento.

 

 

Solução:

Os métodos para evitar danos por fusão no final do corte de chapas grossas incluem:
(1) Interromper o processamento antes que ocorram danos por fusão;
(2) Reduzir a entrada de calor;
(3) Suprimir a reação de oxidação;
(4) Processar antes que a temperatura suba;
(5) Compensação.

(1) Interrompa o processamento antes que ocorram danos por derretimento → Adicione microjuntas
Interrompa o processo de corte logo antes da conclusão, deixando uma pequena porção sem cortar (microjuntas). A quantidade de microjuntas deve ser determinada com base em fatores como (i) a espessura do material, (ii) o formato do corte, (iii) o tipo de material e (iv) a largura do corte (posição do foco, distância focal da lente).

(2) Reduzir a entrada de calor → Mudar para condições de pulso com menor entrada de calor
Mude as condições na parte propensa a danos por derretimento para condições de pulso com menor entrada de calor. Definir parâmetros como (i) baixa frequência, (ii) ciclo de trabalho baixo, (iii) baixa velocidade e (iv) baixa pressão de gás para as condições de pulso pode efetivamente suprimir a entrada de calor.

(3) Suprimir a reação de oxidação → Use ar ou nitrogênio
Embora o calor da reação de oxidação do oxigênio possa melhorar o desempenho de corte, ele também pode causar acúmulo excessivo de calor na peça final. Mudar o gás de processamento na parte final para ar ou nitrogênio, embora possa causar defeitos de escória, pode efetivamente suprimir a geração de calor da reação de oxidação.

(4) Processe antes que a temperatura aumente → Aumente a velocidade de processamento
Se houver espaço para aumentar a velocidade de corte ajustando a potência de saída, a velocidade de corte deve ser definida para um nível mais rápido que a velocidade de condução de calor. Especificamente, a velocidade de corte deve ser definida acima de 2 m/min.

(5) Compensação → Adicionar um programa de bojo
No programa, adicione um bojo da mesma quantidade que a porção derretida. A parte protuberante derreterá durante o processamento, alcançando o equilíbrio no processamento e evitando danos por derretimento.

 

3.4 Razões e Soluções para a Dificuldade de Corte de Materiais Enferrujados

Fenômeno:
Ao cortar placas grossas de aço carbono, mesmo materiais que geralmente podem ser bem cortados podem produzir superfícies de corte ásperas ou sofrer queimaduras excessivas se houver ferrugem na superfície. A Figura 3.13-1 mostra os resultados de corte para material SS400 de 12 mm que está (a) enferrujado e (b) livre de ferrugem.

 

 

  

Conforme mostrado na Figura 3.13-3, outro método é usar um rebolo diamantado para remover a ferrugem e a camada de óxido da superfície do material e, em seguida, prosseguir com o processamento quando o metal base estiver exposto. No entanto, a condutividade térmica do metal base (Fe) é superior à da camada de óxido. Isso significa que mesmo pequenos distúrbios no laser ou no gás auxiliar podem aumentar a probabilidade de queima excessiva e, uma vez que ocorra a queima excessiva, seu alcance pode ser extenso. A camada de óxido desempenha um papel importante no corte a laser.

  

3.5 Condições de processamento para fazer marcações a laser em desbaste de aço carbono

Fenômeno:
Para alguns componentes, como aqueles usados ​​em navios e pontes, que precisam ser revestidos com uma espessa camada de zinco após o processamento a laser, as marcações a laser comuns sobressaem apenas cerca de 0,1 a 0,2 mm. Após o revestimento, estas marcações podem desaparecer, sendo necessário que as marcações a laser sejam mais pronunciadas.

Motivo:
As marcações a laser comuns são realizadas utilizando nitrogênio auxiliar e lasers de baixa potência com o ponto focal definido na superfície do material, completando a marcação pela fusão da camada superficial do material. Neste estado, aumentar a potência ou diminuir a velocidade de processamento aumentará a área fundida na superfície, mas também tornará a superfície da área fundida áspera. Elevar o ponto focal para aumentar o diâmetro do feixe na superfície irradiada resultará em uma distribuição desigual da energia do feixe, tornando o processamento instável.

Solução:
Para fazer marcações grosseiras e profundas, conforme mostrado na Figura 3.14-1, utilize o efeito de suporte de combustão do oxigênio para expandir a faixa de queima e fusão na área irradiada com laser. Simultaneamente, use condições de gás auxiliar de alta pressão para remover rapidamente o metal fundido

 Ao usar oxigênio auxiliar de alta pressão para derreter e queimar o material de processamento, o fenômeno de fusão geralmente se estende para dentro na direção da espessura da placa, resultando eventualmente em corte. Neste ponto, controlar a capacidade de processamento do oxigênio auxiliar para atingir apenas a profundidade desejada da marcação torna-se crucial. Isto requer o controle da largura e profundidade da fusão, o que significa que as condições do bico precisam ser otimizadas.

A Figura 3.14-2 mostra marcações feitas em aço carbono com 6 mm de espessura sob condições de potência de saída de 250 W e velocidade de processamento de 1000 mm/min. Os bicos utilizados tinham 2mm e 1mm de diâmetro. Ao utilizar o bico de 2mm, o processamento se transformou em corte; enquanto que, com o bico de 1 mm, tornou-se uma gravação profunda. Um bico de menor diâmetro promove a expansão lateral da marcação e suprime sua profundidade vertical.

 A intrusão de uma quantidade moderada de ar durante o processamento também ajuda a suprimir a reação de combustão. Como o gás auxiliar utilizado é o oxigênio, o metal fundido será oxidado durante o processo. Além disso, com a injeção de gás auxiliar de alta pressão, a superfície da peça se tornará um spray de pequenas partículas (conforme mostrado na Figura 3.14-3). Contudo, uma vez que o ponto focal é definido mais alto e o bocal está posicionado mais longe do local de processamento, o metal respingado não aderirá ao bocal.

 

3.6 Desempenho de Processamento de Corte Angular

Fenômeno:
Geralmente, o corte a laser envolve o laser irradiando a superfície do material perpendicularmente. Se a peça de trabalho estiver inclinada em relação ao eixo do laser ou se o laser for direcionado para a superfície do material em um ângulo, a superfície de corte se tornará extremamente instável. No corte com oxigênio de placas de aço carbono, a superfície de corte sofrerá queima excessiva no ângulo agudo; ao passo que, no corte não oxidante de materiais como o aço inoxidável, o corte em ângulo pode causar escória na parte traseira da peça de trabalho.

Motivo:
A Figura 3.15-1(a) mostra o corte na superfície e na parte inferior de uma placa SS400 de 12 mm de espessura quando a cabeça de corte está inclinada. Quando o laser é irradiado em ângulo, a densidade de energia na superfície da peça torna-se irregular em relação à direção de corte. Se o gás auxiliar ejetado do bico também for inclinado em relação à superfície da peça, o fluxo de ar que entra no corte torna-se turbulento, afetando a qualidade do processamento.

Da perspectiva dos elementos da peça, as arestas de corte terão extremidades afiadas (lado A) e rombas (lado B). A ponta afiada (lado lateral) acumulará o excesso de calor, tornando-a propensa a queimar demais.

Solução:
Conforme mostrado na Figura 3.15-1(a), para material com 12 mm de espessura, uma boa qualidade de corte é alcançada quando o ângulo de inclinação não excede 10°. A Figura 3.15-1(b) mostra a relação entre o ângulo de inclinação da cabeça de corte e a velocidade máxima de corte para diversas espessuras de placas SS400. Quanto maior o ângulo de inclinação, menor deve ser a velocidade de corte.

 

A queima excessiva ocorre devido à combustão excessiva, e a medida eficaz fundamental para resolver isso é suprimir o calor da reação de oxidação. Para materiais com espessura menor, a queima excessiva pode ser evitada usando ar ou nitrogênio como gás auxiliar, pois isso ajuda a suprimir as reações de oxidação. No entanto, há uma tendência para o aumento da escória no verso da peça.

Ao realizar cortes angulares em uma peça de trabalho, a direção do corte também tem um impacto significativo na qualidade do processamento. Quando a direção de corte é restrita às direções ascendente e descendente, a direção ascendente é mais propensa a queimar demais em comparação com a direção descendente.

Para materiais reflexivos como ligas de alumínio, o corte em ângulo é mais desafiador. À medida que a área de irradiação do feixe de laser na superfície do material aumenta, a densidade de energia diminui, aumentando a probabilidade de causar reflexões. No corte a laser tridimensional, o laser deve sempre ser direcionado perpendicularmente. Se for necessário um corte em ângulo, devem ser tomadas medidas como a aplicação de absorvedores de feixe para evitar reflexos.

3.7 Considerações para Corte de Chapas Metálicas Padronizadas

Fenômeno:
Chapas metálicas padronizadas são normalmente feitas de aço carbono, aço inoxidável ou liga de alumínio. Ao cortar uma chapa de metal padronizada com o padrão em relevo voltado para cima, as chapas de aço carbono são mais propensas a derreter. A Figura 3.16-1 ilustra a relação entre a direção do corte a laser e a ocorrência de fusão. A parte traseira elevada da direção de corte é mais suscetível ao derretimento.

 

Causa:
Quando a velocidade de condução de calor excede a velocidade de corte, o calor se acumulará nos cantos elevados. A relação entre a superfície do material e o bocal ou lente de processamento muda nas áreas elevadas, causando desvios na pressão do gás auxiliar ou nas condições de posição focal.

Solução:
Para obter um corte de alta qualidade de chapas de aço estampadas, os seguintes métodos podem ser aplicados:

1. Reduza o impacto das áreas elevadas:
   Ao colocar a placa, posicione a superfície elevada como superfície posterior de processamento (superfície inferior) e a superfície plana como superfície de irradiação do laser. Isto minimiza as alterações na pressão do gás auxiliar ou na posição focal na superfície de processamento. Ao definir as condições de processamento, a altura das áreas elevadas deve ser considerada e as condições de corte devem ser definidas para uma espessura máxima da placa de 7 mm. Se a peça for uma placa grande, o esforço necessário para virá-la pode ser substancial, mas este continua sendo um método eficaz para reduzir a fusão.

2. Suprimir a concentração de calor em áreas elevadas:
   Se o corte precisar ser feito com a superfície elevada como superfície de processamento (superfície superior), defina a velocidade de corte para ser maior que a velocidade de condução de calor (por exemplo, F = 2 m/min). A posição focal deve ser definida no pico da área elevada e a largura da superfície do corte da área elevada deve ser mantida tão pequena quanto possível. Esses são fatores-chave para uma boa qualidade de processamento. A quantidade de gás auxiliar injetado também afeta a quantidade de fusão. Um bico com diâmetro menor deve ser selecionado para minimizar o consumo de gás auxiliar.

   Além disso, em tais cenários de corte, manter uma certa distância entre o bico e a superfície da peça pode dificultar muito o contorno com um sensor capacitivo. Neste caso, o contorno deve ser realizado utilizando um sensor de contato e o contorno deve ser limitado acima das áreas elevadas.

3.8 Melhorando a rugosidade superficial de cortes de placas espessas

Fenômeno:
No corte de chapas grossas de aço carbono, a rugosidade da superfície de corte no ponto inicial da incisão afeta diretamente a rugosidade da superfície de corte do meio para a parte inferior da chapa. Se a rugosidade da primeira incisão for boa, a rugosidade da superfície de corte estendida também será boa; se a rugosidade da primeira incisão for ruim, a rugosidade das partes média e inferior da superfície de corte também será ruim.

Motivo:
Conforme mostrado na Figura 3.17-1, a rugosidade da superfície de corte na primeira incisão é determinada pela irradiação do laser, pela faixa de propagação da combustão a partir do ponto de contato A da borda frontal de corte e pela quantidade de fusão. O metal fundido produzido na parte superior fluirá para baixo enquanto causa uma reação de combustão, levando a um corte mais profundo. O fenômeno de fusão a laser progride à medida que o laser avança na superfície da peça (corte): (a) A combustão começa no ponto A e se espalha;
(b) A velocidade de combustão V precede a velocidade de avanço do laser;
(c) A combustão para no ponto B de temperatura mais baixa;
(d) O laser atinge o ponto de parada B.
Este processo se repete até que o objetivo de corte seja alcançado. Para melhorar a rugosidade da superfície do corte, a combustão que começa e se espalha na etapa (a) precisa ser impedida de se expandir.

 

 

Além disso, uma diminuição na pureza do oxigênio auxiliar pode levar ao agravamento das reações de combustão por oxidação ou à redução da fluidez do material fundido. Para soluções para esse problema, consulte outras seções.

Solução:
Para minimizar a propagação da combustão ao redor do feixe de laser na incisão inicial, a irradiação do laser deve ser intermitente para permitir fusão e combustão intermitentes. Contudo, para operações de corte contínuo, a irradiação intermitente precisa ser repetida em intervalos muito curtos.

A Figura 3.17-2 compara a aparência e a rugosidade da superfície de cortes em material SS400 de 12 mm de espessura com configurações de laser em condições de pulso de alta frequência (HPW) de 1300 Hz versus condições de onda contínua (CW). Pode-se observar que com o processamento HPW, tanto a parte superior quanto a intermediária da superfície de corte alcançam boa rugosidade superficial.

 

 

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