Corte de placa de aço macio de 50 mm de espessura com laser Nd: YAG

Resumo

Nós relatamos resultados de experimentos que investigam a viabilidade de corte de placas de aço macio espesso (> 15 mm) com um laser Nd: YAG acoplado a fibra. Os experimentos foram realizados com um laser Nd: YAG de onda contínua de 2,5 kW fornecido à peça de trabalho através de uma fibra óptica de núcleo de sílica com 0,6 mm de diâmetro. As amostras de aço macio variam em espessura de 10 a 50 mm. São apresentados e discutidos os efeitos de uma série de parâmetros operacionais, como ponto focal e posição do bico de corte em relação à superfície do aço, pressão do gás auxiliar, potência e velocidade do processo, na qualidade da superfície de corte. Os resultados até o momento mostram que é possível cortar chapas de aço macio de até 50 mm de espessura a velocidades de até 200 mm / min com potência de laser Nd: YAG de até 500 W A superfície de corte é lisa e não há escória. Esses resultados são promissores para a aplicação da tecnologia laser Nd: YAG para o corte de chapas grossas de aço.

1. Introdução

O corte a laser representa aproximadamente 1/4 da indústria de processamento de materiais a laser [1]. Em mais de 30 anos, desde que o primeiro corte a laser assistido por gás foi produzido [2], pouco mudou no método de corte a laser. Para cortar aços leves, um feixe de laser é focado na superfície da peça de trabalho ou próximo a ela e cercado por um fluxo coaxial mais amplo de gás auxiliar de oxigênio. Normalmente, potências de laser de até 3 kW são usadas para cortar aços brandos de 12-15 mm de espessura com placas mais espessas cortadas principalmente com sistemas de plasma ou oxi-combustível. Embora seja possível cortar metais com o laser de CO2 até 40 mm de espessura, há um declínio significativo na qualidade do corte e reprodutibilidade [3].

Uma solução para cortar placas de aço-carbono mais espessas é aumentar a potência do laser. Embora essa abordagem tenha várias vantagens, também existem desafios significativos. Em potências mais altas (3,5 kW e mais), a qualidade do feixe torna-se instável, a vida útil dos componentes ópticos é reduzida, os custos de equipamento e funcionamento são altos e a precisão de corte se deteriora. Foi demonstrado em [4] que para uma dada qualidade de acabamento superficial, embora a espessura do kerf permaneça aproximadamente constante, a velocidade de corte não diminui proporcionalmente a ele, indicando uma redução na eficiência de corte com o aumento da espessura do material. A redução na eficiência de corte à medida que o material se torna mais espesso é atribuída a uma redução na capacidade do gás auxiliar de cisalhar o fundido. Com o corte de materiais mais espessos, a pressão deve aumentar para permitir a remoção do material fundido. No entanto, ao usar o gás auxiliar de oxigênio, a natureza exotérmica da reação significa que a pressão do oxigênio deve ser reduzida com o aumento da espessura para impedir que uma reação exagerada ocorra dentro do kerf. O controle rigoroso da pressão do oxigênio é essencial para evitar a queima incontrolável longe da área aquecida. Isso representa uma contradição nos requisitos para o corte bem-sucedido de aço macio espesso. Limita a espessura máxima de corte, apesar da capacidade de estender o desempenho de corte aumentando a potência do laser. Para superar essa limitação e estender a capacidade de espessura do corte por fusão reativa, métodos alternativos e novos são necessários.

Inúmeras técnicas foram desenvolvidas para superar a redução no desempenho de corte à medida que a espessura do aço-carbono aumenta. Incluídos nestes estão: corte a laser com chama [5], lentes de foco duplo [6], serra de feixe com óptica adaptativa [7], corte a laser usando um bico coaxial (anular) [8], corte a laser CO2 de duplo feixe [ 9], feixe de laser giratório [13, 14] e Corte de oxigênio assistido por laser (Lasox ©) [10 - 12].

Nós relatamos anteriormente [14] o corte de placas de aço macio mais espesso usando o feixe de laser Nd: YAG giratório. São relatados aqui os resultados do corte de placas de aço macio espesso (> 15 mm) usando uma fibra fornecida a laser Nd: YAG oscilando o feixe de laser (um método análogo a girar o feixe) e pelo método de corte a laser dominado por oxigênio, como o de corte Lasox [10, 11, 12]. Ensaios de corte a laser Nd: YAG dominados por oxigênio foram conduzidos usando inicialmente pressões de gás auxiliar de oxigênio baixas e depois altas.

2. Balançando o feixe de laser

2.1 Detalhes Experimentais

O balanço do feixe de laser foi produzido pela rotação parcial (oscilação) de uma janela óptica através de um ângulo conforme mostrado na Figura 1 (a). Isso resultou em um deslocamento do ponto focal máximo de 0,45 mm a uma frequência máxima de 20 Hz. Uma trilha resultante, aqui com comprimento de onda exagerado para mostrar o movimento oscilatório, é mostrada na Figura 1 (b). Foi possível variar a amplitude de oscilação da janela para efetuar mudanças na largura do kerf a fim de estudar o efeito do alargamento do kerf no processo de corte.

2.2 Corte de aços usando abordagem dominada por oxigênio assistida por laser

O método de corte dominado por oxigênio assistido por laser foi implementado em placas de aço macio AS3678 de espessura de 16 a 50 mm. As pressões do gás de oxigênio assistido foram mantidas em menos de 120 kPa (corte com oxigênio em baixa pressão - LoPOx) ou em altas pressões (corte com oxigênio em alta pressão - HiPOx). Os resultados do corte foram registrados em função da qualidade do corte (estriamento do corte, forma do corte, escória excessiva) e velocidade de corte.

3. Resultados

3.1 Balançando o feixe de laser.

Ao balançar a viga na peça de trabalho, a espessura máxima de corte foi aumentada de 12 mm, encontrada com o corte convencional, para 16 mm. Um gráfico da velocidade máxima de corte para várias espessuras e potências do laser, visto na Figura 2, indica que embora a espessura de corte tenha sido melhorada com o feixe oscilante, a velocidade de corte é semelhante à do corte convencional (CW). Isso indica que o corte o processo que ocorre dentro do kerf permanece inalterado durante o corte do feixe oscilante. Velocidades de corte semelhantes também foram alcançadas com a viga giratória [14].

O aumento da espessura do corte pode ser atribuído ao aumento da largura do kerf. Isso é demonstrado variando a amplitude da oscilação conforme mostrado na Figura 3. Aqui, como a amplitude da oscilação é sequencialmente reduzida de uma amplitude máxima de 0,45 mm a zero, a largura do kerf é reduzida, correspondendo a uma redução na capacidade de limpar o derretimento. Isso demonstra claramente a necessidade de largura de corte adequada para permitir que a escória passe. Esta visão também é expressa por outros [12], onde é sugerido que tanto a dinâmica dos fluidos quanto a termodinâmica são restringidas por canais estreitos.

3.2 Corte de aços usando abordagem dominada por oxigênio assistida por laser

3.2.1 Corte dominado por oxigênio de baixa pressão - LoPOx

O processo de corte LoPOx usa o mesmo feixe de laser de diâmetro maior e jato de oxigênio estreito e imponente na parte superior da peça de trabalho como visto no processo Lasox, no entanto, com pressões de gás auxiliar abaixo de 120 kPa. As superfícies de corte mostradas na Figura 4 usando o processo LoPOx demonstram que as potências do laser incidente baixas não impedem o corte a laser, desde que a iniciação primária e contínua do corte possa ocorrer. Na verdade, à medida que a velocidade de corte aumenta, a potência do laser incidente pode contribuir com muita energia e, portanto, causar estrias excessivas. Isso é demonstrado na figura ao observar a velocidade de corte de 450 mm / min, onde uma superfície melhor foi gerada pela potência incidente do laser de 533 W do que a alcançada em 1420

W. Aqui, a taxa de reação exotérmica é determinada pela velocidade de corte. A potência do laser incidente só é necessária para aquecer a superfície superior a mais de 1000C [11] e iniciar o processo de fusão reativa. A potência excessiva do laser incidente reduz a qualidade do corte. Isso demonstra que questões de interação oxigênio-ferro, não a potência do laser incidente, agora governam principalmente a qualidade do corte. Portanto, este é um processo de corte a laser dominado pelo oxigênio.

Na Figura 4, conforme a potência é reduzida para cada velocidade de corte, as primeiras indicações de potência incidente mínima são o início ruim do corte, visto na extremidade direita. Isso demonstra que os requisitos de energia no início do corte são maiores do que os do processo de corte em andamento e que a energia necessária para o estabelecimento rápido de um processo de corte estável e não energia para o processo em andamento é o critério essencial.

Quando o LoPOx corta usando um diâmetro de bico coaxial menor para o mesmo material de espessura, as mesmas velocidades de corte são obtidas, mas com uma largura de corte mais estreita e, consequentemente, fluxo de oxigênio reduzido. No entanto, os cortes de alta qualidade não puderam ser alcançados com as potências do laser mais baixas com o diâmetro do bico maior usado na Figura 4. Isso ocorre apesar de um ponto de laser mais intenso como resultado da passagem por um bico de diâmetro menor. Isso demonstra que o requisito de um corte suficientemente largo para permitir a remoção da escória se aplica igualmente ao processo de corte dominado por oxigênio.

Os lados do corte são mais afilados do que aqueles encontrados no corte convencional (dominado por laser). A natureza do processo de corte dominado por oxigênio significa que o corte é influenciado pela forma do jato de oxigênio imponente, com o topo do corte com a mesma largura do bico coaxial usado.

A folga entre o bico e a peça de trabalho foi variada com resultados típicos desta variação mostrados na Figura 5. Para vários diâmetros de bico, a qualidade de corte foi reduzida significativamente com folgas maiores que 25% do diâmetro do bico. Os aumentos na folga do bico - peça de trabalho expuseram mais do fluxo do bico aos gases atmosféricos do ambiente antes de entrar no kerf [8]. A alteração na depuração foi realizada sem alterações correspondentes no diâmetro do ponto de laser com resultados semelhantes. Isso demonstra ainda que as alterações para auxiliar o gás, e não a intensidade da potência do laser incidente, foi o fator que afetou a qualidade do corte do laser na faixa testada. A Figura 5 também mostra o efeito de uma folga muito pequena (0,1 mm) onde o feixe convergente ainda não excede o diâmetro do jato de gás, portanto, não permitindo que o processo de corte a laser dominado por oxigênio opere.

Uma espessura de corte máxima de 32 mm foi alcançada usando o corte Nd: YAG LoPOx. O corte além desta espessura com os diâmetros de bico usados ​​causou a formação de escória excessiva dentro do corte e uma perda de perpendicularidade do corte. Isso demonstra ainda mais a relação entre a largura do corte e a espessura do corte quando são usadas pressões de corte baixas (convencionais).

3.2.2 Nd dominado por oxigênio de alta pressão: Corte a laser YAG - HiPOx

Utilizando pressões de alimentação muito maiores e bicos de menor diâmetro, foi possível cortar aços mais espessos do que os obtidos anteriormente pelo processo LoPOx. A capacidade de corte mostrou estar entre 32 e 50 mm de espessura usando a placa de aço AS 3679. As velocidades de corte típicas em relação à espessura do material e potência do laser são mostradas na Figura

6. A figura mostra uma continuação dos processos de corte da região de baixa pressão usada para materiais mais finos.

O efeito do uso de altas pressões de entrega significa que o fluxo do gás é complexo e pode dar origem a recursos de choque interno. As evidências da interação de estruturas de choque durante o corte podem ser vistas como \"cristas \" ou marcas menores na superfície de corte e vistas como linhas perpendiculares à estria. Além disso, o deslocamento dessas cristas com a folga do bocal da peça de trabalho resulta do reforço ou anulação dos choques internos do gás auxiliar e do choque característico que aparece no início do kerf na forma de um \"X \" [15]. Trabalho [16, 17] também indica uma interação complexa e às vezes oscilatória de choques com as paredes do kerf. A evidência da natureza oscilatória do corte está no \"zumbido \" constante que pode ser ouvido em algumas condições de corte.

Usando um bico coaxial de 1,5 mm de diâmetro, a capacidade de corte mostrou-se satisfatória para placas de 32 e 40 mm com resultados de corte de placa de 40 mm mostrados na Figura 7. A folga do bico-peça foi significativamente aumentada com as altas pressões de gás auxiliar o formato do corte era muito menos cônico do que aquele visto no LoPOx como resultado da corrente de gás de alta velocidade menos divergente. Esses kerfs podem ser vistos na Figura 8.

O corte de perfil usando a técnica Nd: YAG LoPOx fornecida com fibra é viável com os exemplos mostrados na Figura 9. Aqui, os aumentos de temperatura no interior dos cantos resultam em maior afilamento nesses pontos. Isso é visto no corte circular da Figura 9 (a) e rebaixamento dos cantos na Figura 9 (b). O rebaixamento de cantos vivos é melhor superado pelo uso de velocidades de corte reduzidas, conforme mostrado na figura.

O corte dominado por oxigênio de alta pressão usando o laser Nd: YAG como aquele usado com o CO2 [12] também se mostra excelente na perfuração com menos de um segundo necessário para perfurar a placa AS3679 de 32 mm. A remoção da escória ejetada para cima permanece um problema, com sua presença na superfície da placa no caminho de corte prejudicial à qualidade do corte

4. Discussão

Apesar dos novos processos de corte a laser e do aumento na espessura do corte, o próprio processo de corte permanece o mesmo. Isso é evidenciado pela redução da velocidade de corte com a espessura de corte e similaridade na velocidade de corte para cortes convencionais de viga giratória e oscilante. Conseqüentemente, apesar das mudanças na abordagem, os fatores fundamentais que governam o corte de chapas grossas de aço por fusão reativa, como perdas na condução e restrição na remoção do fluxo de fusão devido à viscosidade e tensão superficial, ainda permanecem.

As larguras de kerf maiores e variáveis ​​produzidas pela oscilação do feixe, bem como as várias larguras de kerf geradas pelo uso de corte a laser dominado por oxigênio com o laser Nd: YAG, demonstram a necessidade de kerfs apropriadamente largos conforme aumenta a espessura do corte. No entanto, em espessuras moderadas (~ 32 mm), o aumento do corte além do produzido pelo maior bico LoPOx torna-se impraticável, pois o consumo de oxigênio se torna proibitivo. Para este fim, o uso de HiPOx vem em sua própria. O uso de alta pressão e, conseqüentemente, de alta velocidade de fluxo de gás auxiliar permite que o oxigênio seja menos combinado com os gases atmosféricos e, assim, esteja mais facilmente disponível para a fusão reativa. Além disso, fornece um aumento significativo das forças de cisalhamento na face de fusão para superar a resistência à sua folga do corte. Uma característica adicional do processo HiPOx são as grandes folgas entre o bico e a peça de trabalho obtidas. Isso garante a confiabilidade dos bicos de alta pressão.

Cortes dominados por oxigênio dependem apenas da potência incidente do laser para iniciar e, em seguida, manter o corte. Os resultados mostram que esses poderes são muito mais baixos do que os necessários para o corte convencional equivalente. No entanto, potências maiores são necessárias para o início de um corte estável do que aquelas necessárias para que o processo de corte geral seja mantido. Consequentemente, um aumento de potência pode ser usado no início do corte apenas para maximizar a eficiência de energia.

O corte de perfil tem se mostrado viável com a desvantagem de rebaixar o interior dos cantos cortados. Isso pode ser superado pela programação adequada da velocidade de corte nessas posições. A perfuração da placa espessa é demonstrada ser viável, mas há problemas de a escória ejetada para cima interferindo posteriormente com o fornecimento do gás auxiliar durante o corte subsequente. Isso pode ser resolvido pela presença de um jato de ar anular voltado para fora em torno do bico ou pela limpeza do operador com o uso de um comando de espera CNC após toda a perfuração ser realizada inicialmente.

5. Conclusões

O uso de corte a laser dominado por oxigênio, juntamente com o uso de cortes mais largos, demonstra a viabilidade de usar o laser Nd: YAG de alimentação moderada de fibra para cortar placas grossas de aço macio. Isso pode ser feito usando fornecimento de baixa pressão para placas de aço macio de até 32 mm de espessura. O fornecimento de gás de alta pressão mostrou que espessuras de corte de até 50 mm são facilmente alcançáveis, juntamente com a capacidade de perfurar rapidamente o material. Existem problemas contínuos de qualidade de corte associados a artefatos de choque e também problemas relacionados ao rebaixamento de cantos que requerem uma programação CNC cuidadosa. Para perfurar com sucesso, é necessária a remoção subsequente da escória ejetada para cima do caminho de corte para garantir que a qualidade de corte da peça subjacente seja mantida.

6. Agradecimentos

Os autores desejam agradecer ao CRC da Intelligent Manufacturing Systems and Technologies Limited pelo financiamento do projeto Spinning Beam, sem o qual a pesquisa e os resultados acima não poderiam ser reunidos.