Máquina de corte a laser

Esboço

• Parâmetros de Processamento de Materiais

• Descrição do processo

• Mecanismos de corte a laser

Efeito da densidade de potência

• A densidade de energia é o principal impulsionador do processo

• Densidade de Potência (Intensidade) = P / pr2

Variáveis ​​de processo para processamento de material

• As outras variáveis ​​importantes do processo:

Tempo de interação e gráfico de processo empírico

• tempo de interação, t = 2 r / v

onde r = raio do feixe e v = velocidade

Aço estrutural

Corte

• O corte a laser é capaz de cortar mais rápido e com maior qualidade do que os processos concorrentes:

- Perfurador, plasma, jacto de água abrasivo, ultra-sónico, oxi-fumo, serragem e fresagem

• Pode ser automatizado

• 80% de lasers industriais no Japão são usados ​​para corte de metal

Configuração típica de corte

Características do processo

• É um dos processos de corte mais rápidos.

• A peça de trabalho não precisa de fixação, mas é aconselhável manter a posição de trabalho para evitar a mudança com a aceleração da mesa e para a localização ao usar um programa CNC.

• O desgaste da ferramenta é zero, pois o processo é um processo de corte sem contato.

• Os cortes podem ser feitos em qualquer direção. A polarização pode afetar a eficiência do processo.

• O nível de ruído é baixo.

• O processo pode ser facilmente automatizado, com boas perspectivas de controle adaptativo no futuro.

• Nenhuma mudança cara de ferramentas é principalmente "suave". Ou seja, são apenas mudanças de programação. Assim, o processo é altamente flexível.

• Alguns materiais podem ser empilhados, mas pode haver um problema com a soldagem entre camadas.

• Quase todos os materiais de engenharia podem ser cortados. Podem ser condutores elétricos ou não condutores friáveis, quebradiços, duros ou moles.

- Somente materiais altamente refletivos, como alumínio e cobre, podem representar um problema, mas com um controle de feixe adequado, estes podem ser cortados satisfatoriamente.

Resposta do Processo

• O corte pode ter uma largura de corte muito estreita, proporcionando uma economia substancial de material. (Kerf é a largura da abertura de corte)

• As bordas cortadas podem ser quadradas e não arredondadas, como acontece com a maioria dos processos de jato quente ou outras técnicas de corte térmico.

• A aresta de corte pode ser lisa e limpa. É um corte acabado, não exigindo mais limpeza ou tratamento.

• A aresta de corte pode ser re-soldada diretamente com pouca ou nenhuma preparação de superfície.

• Não há rebarba de borda como nas técnicas de corte mecânico. A adesão de escória geralmente pode ser evitada.

• Há uma HAZ (Zona Afectada pelo Calor) muito estreita e uma camada muito fina e solidificada de poucos µm, particularmente em cortes livres de escória. Há distorção insignificante.

• Cortes cegos podem ser feitos em alguns materiais, particularmente aqueles que volatilizam, como madeira ou acrílico.

• A profundidade de corte depende da potência do laser. 10-20mm é a faixa atual para cortes de alta qualidade. Alguns lasers de fibra de alta potência poderiam cortar 50 mm.

Escória

Mecanismos do processo

• O feixe é atravessado por um caminho programado e a remoção de material ocorre devido a múltiplos mecanismos.

• Derretimento

- Material exibindo fase fundida de baixa viscosidade, notavelmente metais e ligas, e termoplásticos, são cortados pela ação de aquecimento de um feixe de densidade de potência da ordem de 104Wmm-2

- O fundido é auxiliado pela ação de cisalhamento de um fluxo de gás auxiliar inerte ou ativo, resulta na formação de um canal fundido através do material chamado de kerf (slot).

• Vaporização

- Adequado para materiais que não são facilmente derretidos (alguns vidros, cerâmicas e compósitos)

- Materiais podem ser cortados por vaporização que é induzida por uma maior densidade de potência do feixe (> 104Wmm-2)

• Degradação Química

- Um kerf pode ser formado em muitos materiais orgânicos por degradação química causada pela ação de aquecimento do feixe.

Mecanismo de Remoção de Materiais em Diferentes Materiais

Gelo inerte derretimento cisalhamento ou derreter e soprar

Derreter e Soprar

• Uma vez que um furo de penetração é feito ou o corte é iniciado a partir da borda

• Um jato de gás suficientemente forte pode soprar o material fundido para fora do corte, para evitar que a temperatura suba até o ponto de ebulição.

• O corte com jato de gás inerte requer apenas um décimo da energia necessária para a vaporização

• Observe que a razão do calor latente de fusão para vaporização é de 1:20.

Modelagem do Processo

Derreter e Soprar

• O grupo [P / tV] é constante para o corte de um dado material com um determinado feixe.

Ação de corte

• O feixe é incidente na superfície

- A maior parte do feixe passa para o buraco ou kerf

- alguns são refletidos na superfície não derretida

- alguns podem passar direto.

• Em baixas velocidades, o fundido começa na borda principal do feixe e a maior parte do feixe passa através do corte sem se tocar se o material for suficientemente fino.

Mecanismo de sopro de derretimento detalhado

• A absorção é por dois mecanismos:

- Principalmente por absorção de Fresnel, ou seja, interação direta do feixe com o material -

- Por absorção de plasma e reradiação. O plasma acumulado no corte não é muito significativo devido ao gás ser expelido.

• A densidade de potência na frente de corte é Fsinq. Isso causa o derretimento que é então soprado pelas forças de arraste do fluxo de gás de fluxo rápido.

• Na parte inferior do corte, o degelo é mais espesso devido à desaceleração do filme e à tensão superficial, retardando a saída do material fundido.

• O fluxo de gás ejeta as gotículas fundidas na base do

o corte na atmosfera.

Formação de Estrias

• À medida que a taxa de corte é aumentada, o feixe é automaticamente acoplado à peça de trabalho de forma mais eficiente, devido a perdas reduzidas através do corte.

• O feixe também tende a avançar sobre o material não fundido. Quando isso ocorre, a densidade de potência aumenta, pois a superfície não é inclinada.

• A massa derretida prossegue mais rapidamente e é arrastada para o corte como um passo. À medida que o degrau é arrastado, deixa uma marca na borda de corte chamada estriação.

• A causa das estrias é disputada, existem muitas teorias:

- A teoria dos degraus

- tamanho crítico de gotículas, fazendo com que o material fundido vibre de tamanho antes de ser liberado

- A teoria da queima lateral.

• Existem condições sob as quais nenhum estriamento ocorre. Estes são governados pelo fluxo de gás ou pela pulsação na frequência da estriação natural.

Estrias

Corte de Fusão Reactiva

• Se o gás auxiliar também for capaz de reagir exotermicamente, uma fonte de calor extra é adicionada ao processo.

• O gás que passa pelo kerf não está apenas arrastando o material derretido, mas também reagindo com o derretimento.

• Normalmente, o gás reativo é oxigênio ou alguma mistura contendo oxigênio.

• A reação de queima começa geralmente na temperatura de ignição no topo.

• O óxido é formado e é soprado para dentro do corte e cobrirá a fusão mais abaixo, o que retarda a reação e pode até causar a quebra nas linhas de estriação.

Fusão Reactiva.

• A quantidade de energia fornecida pela reação de queima varia com o material

- com leve / aço inoxidável é de 60%

- com um metal reativo como o titânio, é em torno de 90%.

• As velocidades de corte podem ser duplicadas usando esta técnica.

• Normalmente, quanto mais rápido o corte, menor a penetração de calor e melhor a qualidade.

• Uma alteração química na peça de trabalho pode acontecer devido à fusão reativa.

- Com titânio, isso pode ser crítico, já que a borda terá um pouco de oxigênio e será mais difícil de romper.

- Com aço macio não há nenhum efeito perceptível, exceto uma camada de óxido re-solidificado muito fina na superfície do.

Fusão Reactiva ...

• A escória é um óxido (em vez de metal)

- O aço macio flui bem e não adere ao metal de base

- Com aço inoxidável, o óxido é composto de componentes de alto ponto de fusão, como Cr2O3 (ponto de fusão ~ 218 ° C) e, portanto, isso congela mais rápido, causando um problema de escória.

- Alumínio exibe comportamento similar

• Devido à reação de queima, uma nova causa de estriações é introduzida

- Em corte lento (menor que a velocidade de reação de queima), a temperatura de ignição será atingida e a queima ocorrerá a partir do ponto de ignição, indo para fora em todas as direções.

Estrias no Corte de Fusão Reactiva

Processo de Fratura Controlada

• Materiais frágeis são vulneráveis ​​a fraturas térmicas que podem ser rápida e nitidamente cortadas ao guiar uma rachadura com uma mancha fina aquecida por um laser

• O laser aquece um pequeno volume da superfície, fazendo com que ela se expanda e, assim, cause tensões de tração em toda a volta

• Se houver uma rachadura neste espaço, ele atuará como um levantador de tensão e a rachadura continuará na direção do ponto quente.

• A velocidade na qual uma rachadura pode ser guiada é da ordem de m / s

• Quando o crack se aproxima de uma borda, os campos de tensão se tornam mais complexos

Fratura Controlada

• vantagens:

- A velocidade, a qualidade da aresta e a precisão são muito boas no corte de vidro.

- Efetivo para cortes retos

• Desvantagens:

- Difícil criar cortes perfilados, como para a fabricação de espelhos retrovisores

- Difícil de modelar e prever perto das bordas

Faixa de processamento para fratura controlada

Escrevendo

• Este é um processo para fazer uma ranhura ou linha de orifícios penetrando total ou parcialmente

• Isso enfraquece suficientemente a estrutura para que ela possa ser quebrada mecanicamente

• Normalmente, os materiais processados ​​são chips de silício e substratos de alumina

• A qualidade é medida pela falta de detritos e baixa zona afetada pelo calor

• Assim, pulsos de baixa energia e alta densidade de potência são usados ​​para remover o material principalmente como vapor.

Corte de vaporização

• O feixe focalizado no corte por vaporização aquece primeiro a superfície até o ponto de ebulição e gera um buraco de fechadura.

• O buraco da fechadura causa um aumento repentino na capacidade de absorção devido a múltiplas reflexões e o buraco se aprofunda rapidamente.

• À medida que se aprofunda, gera-se vapor e escapa o jato de ejeção do furo ou corte e estabiliza as paredes fundidas do furo

• Este é o método usual de corte para lasers pulsados ​​ou no corte de materiais que não se fundem como madeira, carbono e alguns plásticos.

Vaoporização

• A taxa de penetração do feixe na peça de trabalho pode ser estimada a partir de um

cálculo da capacidade de calor assumindo

- fluxo de calor 1D

- Condução é ignorada

- A taxa de penetração é semelhante ou mais rápida que a taxa de condução

- volume removido por segundo por unidade de área = velocidade de penetração, V m / s

Vaporização

Corte a frio

• Os lasers Excimer UV de alta potência exibem corte a frio

- A energia do fóton ultravioleta é 4.9eV, que é semelhante à energia de ligação para muitos materiais orgânicos.

- Se uma ligação é atingida por um tal fóton, ela pode quebrar

- Quando esta radiação é brilhou em plástico com um fluxo suficiente de fótons que há pelo menos um fóton / ligação, então o material simplesmente desaparece sem aquecimento, deixando um buraco sem detritos ou danos na borda

Efeito do tamanho do ponto

• Os principais parâmetros são potência do laser, velocidade transversal, tamanho do ponto e espessura do material.

• O tamanho do ponto atua de duas maneiras:

- Primeiro, uma diminuição no tamanho do ponto aumentará a densidade de potência que afeta a absorção e

- Em segundo lugar, diminuirá a largura do corte.

• Lasers com potência estável e modos de baixa ordem - geralmente verdadeiros modos TEMoo cortam consideravelmente melhor que outros modos

Comprimento de onda

• Quanto menor o comprimento de onda, maior a absorção para a maioria dos metais

• Assim, a radiação YAG é preferível à radiação de CO2, mas a estrutura deficiente da maioria

YAG lasers o benefício é compensado

• Lasers de fibra com bom modo de feixe podem ter uma vantagem.

Resumo

• Noções básicas de corte a laser

• Mecanismos

• Fatores que afetam o corte a laser