Processo de Corte a Laser - Material de Aço Inoxidável (Resolvendo Defeitos de Rebarbas)
Métodos para resolver defeitos de rebarbas no corte de aço inoxidável
1.1 Características do corte de aço inoxidável sem oxigênio
Fenômeno
No corte de aço inoxidável, oxigênio, nitrogênio ou ar são geralmente usados como gás auxiliar. A escolha do gás depende da aplicação específica do processamento. Entre esses gases, o oxigênio tem a menor taxa de consumo, enquanto o nitrogênio e o ar consomem relativamente mais. Quando se trata de velocidade de corte, o ar ou o nitrogênio resultam em um corte mais rápido, enquanto o oxigênio leva a um processo mais lento. O grau de oxidação na superfície de corte aumenta na ordem de nitrogênio, ar e oxigênio, com a carga de remoção da camada de óxido aumentando proporcionalmente.
Princípio
(1) Velocidade de corte
A Figura 4.1-1 ilustra a relação entre a espessura da placa e a velocidade de corte ao cortar material SUS304 com um laser de potência de 3 kW. Quando a espessura é inferior a 3 mm, o uso de oxigênio para corte permite que a reação de oxidação atinja velocidades mais altas. No entanto, quando a espessura excede 3 mm, a fluidez do metal fundido é melhor quando cortado com nitrogênio, resultando em um corte mais rápido e sem oxigênio. O corte a ar pode atingir uma velocidade de corte semelhante ao nitrogênio, mas a rugosidade da superfície e a fixação de escória degradam significativamente a qualidade do processamento em comparação ao corte com nitrogênio.
(2) Tratamento de superfície da aresta de corte
A dureza da camada superficial da aresta de corte irá variar significativamente dependendo se oxigênio ou nitrogênio é usado para corte (como mostrado na Figura 4.1-2). A superfície de corte oxidada tem uma dureza aproximadamente duas vezes maior que a do material de base, enquanto a superfície de corte livre de oxigênio tem uma dureza menor e uma superfície mais lisa, tornando os processos subsequentes de retificação e polimento relativamente mais fáceis. A superfície de corte processada com oxigênio tende a desenvolver uma camada de óxido teimosa, o que aumenta a carga nas etapas de processamento subsequentes.
(3) Resistência à corrosão da aresta de corte
A Figura 4.1-3 mostra os resultados de um teste de resistência à corrosão por névoa salina em material SUS304 que foi cortado a laser usando diferentes tipos de gases auxiliares. As arestas de corte processadas com oxigênio e ar apresentaram sinais de ferrugem, enquanto as arestas de corte isentas de oxigênio processadas com nitrogênio não enferrujaram. O tipo de gás auxiliar utilizado durante o corte tem um impacto significativo na resistência à corrosão da aresta de corte.
(4) Qualidade de soldagem da aresta de corte
Ao soldar a aresta de corte após o corte a laser, se a aresta tiver sido oxidada, podem formar-se poros na costura de solda, levando à redução da resistência da soldagem. No entanto, se a aresta de corte não estiver oxidada, uma solda de alta qualidade pode ser obtida.
1.2 Métodos para resolver defeitos causados por rebarbas semelhantes a bigodes no corte de aço inoxidável
Fenômeno:
Durante o processo de perfuração do aço inoxidável, assim que o feixe de laser atinge o metal, o metal começa a derreter. Conforme mostrado na Figura 4.2-1, o material fundido é expelido na superfície do material, espalhando-se ao redor do pequeno orifício e formando rebarbas semelhantes a bigodes. Essas rebarbas podem causar arranhões na superfície de corte e também interferir na ação de perfilamento do sensor capacitivo.
Causa
Quando o oxigênio é usado como gás auxiliar, o metal fundido oxida durante o processo de perfuração, evitando a formação de saliências semelhantes a bigodes e reduzindo sua adesão à superfície do aço inoxidável. Contudo, quando o nitrogênio é usado como gás auxiliar, o metal fundido não oxida, resultando em menor viscosidade. Isso permite que o metal fundido se estique em formas semelhantes a bigodes e adira fortemente à superfície do material, levando ao acúmulo ao redor dos pequenos orifícios.
Soluções
Para evitar respingos e adesão do metal fundido, podem ser empregados os seguintes métodos: (a) reduzir a quantidade gerada; (b) impedir a adesão; (c) remover a adesão após ela ocorrer (conforme mostrado na Figura 4.2-2).
(1) Reduzindo a quantidade de metal fundido
① Ajustar as condições de perfuração: Aumentar a frequência e diminuir a potência de saída de pulsos individuais pode reduzir efetivamente a quantidade de metal fundido produzido. A Figura 4.2-3 mostra os resultados do processamento nas frequências de 200 Hz e 1500 Hz. É importante observar que o uso dessas condições de processamento também aumentará o aporte de calor, tornando-as inadequadas para o corte de chapas grossas.
② Usando gás auxiliar ou sopro lateral para dispersar metal fundido
Soprar o metal fundido ejetado do furo de perfuração usando gás auxiliar ou sopro lateral pode reduzir a adesão. A Figura 4.2-4 mostra os resultados do processamento com gás auxiliar nas pressões de 0,05 MPa e 0,7 MPa. Pode-se observar que o uso de gás de alta pressão resulta em menor aderência de escória à superfície.
(2) Prevenção da adesão
A aplicação de uma camada protetora na superfície do material também pode ajudar a evitar a aderência do metal fundido. Quando um revestimento protetor é aplicado, o metal fundido produzido durante a perfuração acumula-se no revestimento em vez de aderir diretamente à superfície do material. O revestimento protetor pode ser um agente de prevenção de escória ou um surfactante fácil de remover em processos subsequentes (conforme mostrado na Figura 4.2-5).
(3) Remoção
Existem dois métodos para remover rebarbas: Um método é fazer furos circulares muito pequenos perto da perfuração; ao cortar o furo circular, o metal fundido também é removido. O outro método é mover o ponto focal para cima após a perfuração para fundir novamente o material acumulado e soprá-lo com gás (ver Fig. 4.2-2(3)).
1.3 Métodos para resolver defeitos de processamento em placas espessas após perfuração
[Fenómeno]
Conforme mostrado na Figura 4.3-1, no corte sem oxigênio de placas espessas de aço inoxidável, o metal fundido gerado durante a perfuração se acumulará acima do furo de perfuração, levando a uma má qualidade de processamento quando a cabeça de processamento passar. Mudar o gás auxiliar usado durante a perfuração para oxigênio pode reduzir o acúmulo de metal fundido. Contudo, ao usar oxigênio durante a perfuração, é importante garantir que qualquer oxigênio restante na linha de gás auxiliar seja completamente removido antes de prosseguir para a próxima etapa de corte. Caso contrário, o oxigênio restante poderá se misturar com o nitrogênio e causar oxidação na superfície de corte.
[Causa]
(1) Impacto da acumulação
Conforme mostrado na Figura 4.3-2, o impacto do acúmulo no processamento inclui a tendência de causar reflexão do laser e perturbar o fluxo de ar auxiliar durante o corte. No corte sem oxigênio, é comum definir o ponto focal próximo a Z=0 durante a perfuração e depois deslocá-lo para Z=-T (onde T é a espessura da peça) durante o corte. No entanto, esta abordagem pode reduzir a densidade de energia do laser incidente na superfície do material durante o corte, levando a uma má qualidade de processamento.
(2) Impacto da troca de gás
Ao alternar entre oxigênio e nitrogênio, é crucial remover de forma eficiente e completa o gás residual na tubulação. Quanto mais perfurações forem realizadas, mais frequente será a troca de gás e maior será o tempo de purga necessário para o gás residual.
[Solução]
(1) Abordando o Impacto da Acumulação
Conforme mostrado na Figura 4.3-3, use condições de alta densidade de energia do laser para a porção de corte inicial onde o acúmulo de metal fundido está presente. Especificamente, durante o corte, utilize a mesma alta densidade de energia e posição do ponto focal (Z=0) que durante a perfuração. Após passar pelo material acumulado, mude o ponto focal para Z=-T (onde T é a espessura da peça). Ao cortar com o ponto focal em Z=0, a largura do corte será mais estreita e a quantidade de rebarbas na parte traseira da peça aumentará. Portanto, a linha de perfuração (segmento de linha onde começa o corte) deve ser afastada da peça. Outros parâmetros de processamento também devem ser definidos para condições de alta potência e baixa velocidade. O objetivo dessas configurações é garantir o processamento estável da parte de acumulação.
(2) Redução do tempo de troca de gás
Conforme mostrado na Fig. 4.3-3, primeiro conclua todas as operações de perfuração usando oxigênio. Em seguida, retorne ao ponto inicial do processamento, mude o gás auxiliar para nitrogênio e purgue completamente qualquer oxigênio restante antes de iniciar o processo de corte. Ao utilizar este método, o gás só precisa ser trocado uma vez, o que economiza o tempo necessário para purgar o oxigênio residual das linhas de gás (ver Fig. 4.3-4).
1.4 Métodos para reduzir rebarbas em cantos afiados ao cortar placas finas com ar ou nitrogênio
[Fenómeno]
No corte de aço inoxidável, ao usar ar ou nitrogênio como gás auxiliar, rebarbas aparecerão na parte traseira do material em cantos vivos ou no final do formato de processamento, conforme mostrado na Fig. 4.4-1.
[Causa]
A máquina de processamento ou cabeçote se move de acordo com a velocidade definida pelo NC (controle numérico), mas em cantos afiados ou no final da forma de processamento, a velocidade de processamento diminui devido às características da máquina. Normalmente, a configuração de potência do laser da máquina de processamento permanece constante. Como resultado, quando a velocidade de processamento diminui, o equilíbrio entre a potência e a velocidade do laser é perturbado (com excesso de potência), levando à formação de rebarbas (ver Fig. 4.4-2).
[Soluções]
(1) Condições Gerais de Processamento
Defina a velocidade máxima de corte o mais baixa possível para minimizar a diferença entre as velocidades de corte máxima e mínima ao longo do caminho de processamento. Seja em velocidades de corte máximas ou mínimas, ajuste a potência de saída para condições que gerem menos rebarbas. A desvantagem deste método é que a velocidade média diminuirá, levando a um tempo geral de processamento mais longo.
(2) Modifique a trajetória
Projete uma trajetória de avanço para evitar que a velocidade de corte diminua em cantos vivos ou no final do caminho de processamento. Por exemplo, programe um avanço circular em cantos vivos. Quando a trajetória sofre um avanço circular, ela muda gradativamente nos pontos de transição, evitando quedas bruscas na velocidade de corte. Usar um programa de saturação circular no final do processamento de furos internos também pode cortar furos internos sem reduzir a velocidade de corte. No entanto, este método não pode ser utilizado se existirem produtos perto dos cantos vivos ou se tanto o interior como o exterior do canto forem produtos.
(3) Controle NC
Funções de controle correspondentes foram desenvolvidas para resolver esses problemas. Isto envolve a detecção em tempo real da velocidade de corte pela máquina de processamento, permitindo o ajuste automático da potência de saída do laser para corresponder às mudanças na velocidade de corte.
Conforme mostrado na Figura 4.4-3, quando a velocidade de corte diminui em cantos agudos, a potência de saída do laser também é reduzida de acordo. O mesmo ajuste se aplica ao final do caminho de processamento, onde a potência de saída diminui automaticamente à medida que a velocidade de corte diminui.
1.5 Métodos para resolver rebarbas no corte com nitrogênio de placas espessas de aço inoxidável
[Fenómeno]
Se o metal fundido não for expelido de forma eficiente do corte, ele irá aderir à parte traseira da peça de trabalho e formar rebarbas. Se o material usado for novo e já tiver cortado bem, mas agora apresentar problemas, o problema pode ser devido a condições de processamento inadequadas que precisam de ajuste.
[Causa]
A expulsão suave do metal fundido do corte depende da pressão apropriada do gás auxiliar para empurrar o metal fundido para baixo, bem como do formato do corte e da continuidade do fluxo do metal fundido. As principais causas da formação de rebarbas, conforme mostrado na Figura 4.5-1, incluem:
- Desvio na largura do corte : A largura do corte se desvia do valor ideal inicial, tornando-se mais estreita ou mais larga.
- Impacto da forma de processamento : A forma que está sendo processada afeta a continuidade do fluxo do metal fundido.
[Soluções]
(1) Ajustando o Kerf
O corte com nitrogênio do aço inoxidável difere do corte do aço carbono porque o ponto focal deve ser definido dentro do material (Z<0) para aumentar a capacidade de fusão do laser e aumentar a largura do corte. Se o ponto focal não estiver definido de maneira ideal, o fluxo de metal fundido dentro do corte pode ser afetado adversamente. Quando o ponto focal é muito raso, as rebarbas tendem a ser nítidas, enquanto um ponto focal mais profundo resulta em rebarbas em forma de bola. Ajuste o ponto focal com base no formato das rebarbas para encontrar a posição ideal.
Se as rebarbas aumentarem progressivamente com o processamento e a largura do corte mudar, isso pode ser devido ao aquecimento dos elementos ópticos pelo laser, levando a um efeito de lente térmica. Nesses casos, limpe a lente ou o espelho PR.
(2) Impacto da forma de processamento
É provável que se formem rebarbas quando o fluxo de ar auxiliar se torna instável depois que o laser passa pelo canto agudo ou quando o equilíbrio entre potência e velocidade é perturbado devido a mudanças repentinas na velocidade de corte. Para resolver isso, diminua a configuração da velocidade de processamento nas condições de processamento (consulte a Fig. 4.5-2). Quanto menor o ângulo do canto agudo, mais eficazes são as configurações de baixa velocidade. Além disso, ao fazer a transição de condições de baixa velocidade para alta velocidade, defina a transição de velocidade como um processo passo a passo.
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