BRPI0605973B1 - Método para corte de aço c-mn com um filamento de laser - Google Patents

Método para corte de aço c-mn com um filamento de laser Download PDF

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Description

MÉTODO PARA CORTE DE AÇO C-Μη COM UM FILAMENTO DE LASER A invenção refere-se a um método de corte a laser para cortar aço carbono-manganês (C-Μη) utilizando-se uma fonte de laser do tipo fibra a base de itérbio.
Presentemente, é amplamente utilizado na indústria um corte a laser que utiliza uma fonte de laser do tipo CO2 para gerar um feixe de laser, com um comprimento de onda de 10,6 μτη e uma potência que varia até 6 kW.
Este método é especialmente utilizado para cortar aços C-Μη. Dentro do contexto da invenção, o termo "aço C-Mn" deve ser entendido como qualquer aço sem liga ou aço de baixa liga, dos quais os teores de carbono e manganês são inferiores a 2% em peso e os teores de outros elementos de liga opcionalmente presentes são inferiores a 5% em peso.
Contudo, as velocidades de corte que podem ser obtidas e a qualidade de corte que resulta das mesmas são muito variáveis, dependendo do material a ser cortado e, além disso, dependendo dos parâmetros do método de corte adotados, tais como a natureza do gás auxiliar, o diâmetro do feixe focalizado, a potência do laser incidente, etc.
Sendo assim, lasers de C02 não podem ser utilizados com a assistência de gases de baixo potencial de ionização, por exemplo, tal como argônio, sem o risco de gerar plasmas parasitários que poderíam prejudicar o método.
Além disso, lasers de C02 são limitados em termos de potência, provocando desse modo impacto diretamente na velocidade de corte.
Além disso, o fato de ter que guiar o feixe de laser do gerador de laser diretamente para a cabeça de focalização, isto é, a cabeça de corte, possui desvantagens especialmente no que se refere ao alinhamento das óticas na trajetória ótica. Isto se deve ao fato das óticas de guia serem normalmente espelhos polidos e/ou revestidos com cobre e suas posições determinarem a trajetória seguida pelo feixe de laser. Portanto, o alinhamento dos espelhos deve ser perfeito no intuito de garantir entrada ótima do feixe de laser na cabeça de focalização ou cabeça de corte. Por conseguinte, a posição dos espelhos é normalmente ajustada por meio mecânico, que pode facilmente sair de alinhamento de acordo com o desgaste das peças e com as condições ambientais, tais como a temperatura ambiente, o teor de umidade etc.
Além disso, a trajetória ótica do feixe pode ser necessariamente mantida em uma atmosfera inerte no intuito de evitar qualquer contaminação e manter um meio com um índice ótico constante, que é necessário para boa propagação do feixe. Estas condições tornam possível manter as propriedades que se relacionam ao diâmetro de feixe e à distribuição transversal da energia de feixe, e também às propriedades de qualidade de feixe, satisfatórias para o método, sendo o fator de qualidade para o produto de parâmetro de feixe (BPP) dos feixes de laser de C02 de potência elevada utilizados no corte normalmente entre 3 mm.mrad e 6 mm.mrad. Tal atmosfera também torna possível preservar as óticas de guia e evitar que as mesmas se deteriorem.
Contudo, isto não é prático em uma situação industrial, à medida que complica a instalação e implica em custos adicionais.
Em uma tentativa de suavizar estes problemas, foi proposto realizar o corte com um dispositivo a laser do tipo Nd: YAG dentro do qual o feixe é gerado por um ressonador que contém um meio de amplificação sólido, por exemplo, uma haste de neodímio (Nd)-YAG dopado, e em seguida enviado via uma fibra ótica à cabeça de focalização.
Contudo, esta solução não é satisfatória do ponto de vista industrial.
Mais precisamente, verificou-se que cortar com um feixe de laser enviado por uma fonte de laser de Nd:YAG com um comprimento de onda de 1,06 pm fornece resultados insatisfatórios em termos de qualidade de corte e velocidade de corte, especificamente ao cortar uma peça de aço C-Mn.
Isto se deve ao fato dos lasers de Nd: YAG possuírem fatores de qualidade (valores de BPP) inadequados ao processo de corte a laser, uma vez que os mesmos variam entre aproximadamente 15 mm.mrad e 30 mm.mrad, dependendo da fonte de laser.
Por conseguinte, deve ser entendido que quanto mais elevado o fator de qualidade de um laser, isto é, quanto mais elevado o produto da parte mais estreita do feixe focalizado multiplicada pela divergência do feixe, menos eficiente o feixe de laser para o processo de corte a laser.
Além disso, a distribuição de energia transversal em um feixe de laser de Nd:YAG focalizado não é Gaussiana, porém possui um perfil de ponta, enquanto que além do ponto focal a distribuição de energia transversal é aleatória.
Os limites ao utilizar lasers de Nd:YAG em corte a laser, específicamente para aço C-Μη, são portanto entendidos imediatamente, Mais geralmente, cortar uma peça de C-Μη por corte a laser com um laser de Nd:YAG está longe de ser óbvio quando é desejado atingir velocidades de corte e qualidades de corte que sejam aceitáveis do ponto de vista industrial, 0 problema que surge é, portanto, como propiciar um método aperfeiçoado e industrialmente aceitável para cortar aços C-Μη com um feixe de laser, que possa alcançar, dependendo da espessura em questão, velocidades que variam até 15 a 20 m/min, ou mesmo mais elevadas, e qualidade de corte boa, isto é faces de corte retas, sem rebarbas, aspereza limitada, etc. A solução propiciada pela invenção é, por conseguinte, um método de corte a laser para cortar uma peça de aço C-Μη, caracterizado pelo fato do meio de geração de feixe de laser compreender pelo menos uma fibra contendo itérbio para gerar um feixe de laser utilizado para fundir a peça e desse modo realizar o corte real, e pelo fato de que o fator de qualidade do feixe de laser está entre 0,33 e 8 mm.mrad. 0 meio de geração de feixe de laser compreende uma excitatriz, preferivelmente diversas excitatrizes, que cooperam com pelo menos um elemento excitado, também chamado meio de amplificação, no intuito de gerar o feixe de laser. As excitatrizes são preferivelmente vários diodos de laser, enquanto os elementos excitados são fibras, preferivelmente fibras de sílica com um núcleo dopado por itérbio.
Além disso, para o propósito da invenção, os termos "meio de geração de feixe de laser" e "ressonador" serão utilizadas indiscriminadamente.
Dependendo do caso, o método da invenção pode incluir uma ou mais das características que se seguem: - a(s) fibra (s) é(são) formada(s) a partir de um núcleo dopado por itérbio revestido com sílica; - o feixe de laser gerado pela fibra à base de itérbio possui um comprimento de onda entre 1 e 5 pm, preferivelmente entre 1,04 e 3 pm; - o feixe de laser gerado pela fibra à base de itérbio possui um comprimento de onda entre 1,07 e 1,1 pm, preferivelmente de 1,07 pm; - o feixe de laser possui uma potência entre 0,1 e 25 kW, preferivelmente entre 0,5 e 15 kW; - o feixe de laser é feixe de laser contínuo ou pulsado, preferivelmente um feixe de laser contínuo; - a peça a ser cortada possui uma espessura entre 0,25 e 30 mm, preferivelmente entre 0,40 e 20 mm; - a velocidade de corte é entre 0,1 e 20 m/min, preferivelmente de 1 a 15 m/min; - o gás auxiliar para o feixe de laser é escolhido dentre nitrogênio, hélio, argônio, oxigênio, CO2 e suas misturas e, opcionalmente, contém ainda um ou mais componentes adicionais escolhidos dentre H2 e CH4; - o fator de qualidade do feixe de laser está entre 1 e 8 mm.mrad, preferivelmente maior do que 2 mm.mrad, ainda mais preferivelmente maior do que 3 mm.mrad e/ou preferivelmente menor do que 7 mm.mrad e ainda mais preferivelmente menor do que 5 mm.mrad; - a velocidade de corte para uma peça de aço com uma espessura entre 0,4 mm e 3 mm, que utiliza oxigênio como gás auxiliar a uma pressão entre 0,02 e 0,6 MPa, está entre 6 e 15 m/min; - a velocidade de corte para uma peça de aço com um espessura entre 3 mm e 6 mm, que utiliza oxigênio como gás auxiliar a uma pressão entre 0,02 e 0,6 MPa, está entre 2 e 6 m/min; - a velocidade de corte para uma peça de aço com um espessura entre 6 mm e 10 mm, que utiliza oxigênio como gás auxiliar a uma pressão entre 0,02 e 0,6 MPa, está entre 1 e 3 m/min; - a velocidade de corte para uma peça de aço com uma espessura entre 10 mm e 20 mm, que utiliza oxigênio como gás auxiliar a uma pressão entre 0,02 e 0,6 MPa, está entre 0,1 e 2 m/min; - mais geralmente, a pressão do gás auxiliar está entre cerca de 0,01 e 1 MPa, e é escolhida de acordo com a espessura que deve ser cortada e - o diâmetro do orifício de injeção de gás é entre 0,5 mm e 5 mm, tipicamente entre 1 e 3 mm. A Figura 1 aqui apensa é um diagrama que mostra o princípio de uma instalação para implementar um método de corte a laser que utiliza um feixe de laser 3 para cortar uma peça de aço OMn 10, empregando uma fonte de laser 1 com um ressonador 2 ou meio de geração de feixe de laser que compreende uma fibra de sílica com um núcleo dopado com itérbio para gerar o feixe de laser 3. A fonte de laser 1 é utilizada para gerar um feixe de laser 3 com um comprimento de onda entre 1 pm e 5 pm, mais precisamente, em 1,07 pm. 0 feixe 3 propaga-se através de meio de transporte de feixe 4, tal como uma fibra ótica feita de sílica fundida com um diâmetro entre 20 pm e 300 pm, até onde a zona 11 de interação entre o feixe 3 e a peça 10 onde o feixe encontra a peça de aço C-Μη e funde o material constituinte da referida peça, formando desse modo o corte.
Ao sair desta fibra 4, o feixe de laser 3 possui características óticas específicas e um fator de qualidade (BPP) entre 1 e 8 mm.mrad. O feixe 3 é em seguida colimado utilizando-se um colimador ótico 5 equipado com um par de colimação feito de sílica fundida revestida de modo a limitar a divergência do feixe que sai da fibra e para tornar o feixe de laser paralelo. O feixe paralelo 3, cuja divergência foi consideravelmente limitada pelo colimador, é em seguida focalizado sobre ou dentro da peça 10 a ser cortada por uma lente de sílica fundida revestida 6 que possui um comprimento focal entre 80 mm e 510 mm, preferivelmente entre 100 mm e 250 mm.
Antes de encontrar a peça 10, o feixe 3 atravessa de forma axial a cabeça de laser 6, que é equipada com um bocal 7 que possui um orifício de saída axial 8 localizado defrontando a peça 10 a ser cortada, o feixe 3 e o gás auxiliar atravessando o referido bocal. O orifício do bocal pode estar entre 0,5 mm e 5 mm, preferivelmente entre 1 mm e 3 mm. A própria cabeça do laser 6 é alimentada com gás auxiliar via uma entrada de gás 9, por exemplo, para um gás inerte tal como nitrogênio, argônio, hélio ou uma mistura de vários destes gases, ou então um gás ativo, por exemplo, tal como oxigênio, ou mesmo misturas de gás ativo/gãs inerte. 0 gás auxiliar pressurizado é utilizado para remover o metal fundido do corte 12 sendo formado na peça 10, à medida que a peça suporta deslocamento relativo em relação à cabeça de laser 6 ao longo da trajetória de corte desejada. A situação reversa, que consiste em mover a cabeça de corte enquanto se mantém a peça imóvel fornece o mesmo resultado. A Figura 3 é um diagrama que ilustra a configuração durante o corte no corte (material de espessura e), quando o ângulo de divergência Θ do feixe de laser após focalização, o diâmetro 2Wo do feixe focalizado e o ângulo α da frente de corte tiverem sido indicados. O fator de qualidade de feixe ou BPP é definido como o produto do ângulo de divergência Θ multiplicado por seu raio Wo. O processo de corte é regido pela absorção de energia a partir do feixe de laser no material durante o corte. Dependendo do comprimento de onda do feixe de laser empregado, existe aí, por conseguinte, um ângulo ótimo para absorção de energia pelo material. Fora deste ângulo ótimo, alguma energia é refletida e/ou perdida. A Figura 3 ilustra o fato de que, na condição de corte ótima, o ângulo α da fronte de corte corresponde à exposição da espessura total e do material ao feixe com um diâmetro de 2Wo. A Figura 4 mostra a variação no ângulo ótimo α da frente de corte como uma função da espessura de corte. A curva superior corresponde àquela obtida com um laser de C02 de 4 kW em modo de TEM 01*, enquanto a curva inferior é aquela obtida com um laser de fibra à base de itérbio de 2 kW de acordo com a invenção. As duas curvas não são coincidentes por causa da diferença em ângulo de absorção de energia ótima em 10,6 pm, que é o comprimento de onda do laser de C02, e em 1,07 pm, que é o comprimento de onda do laser de fibra à base de itérbio. É claramente evidente a partir destas curvas que, para espessuras pequenas, o ângulo ótimo da frente de corte é mais elevado do que para espessuras maiores. O ângulo máximo para transmitir a energia do laser para dentro do material é obtido geometricamente e é a soma dos ângulos, a saber α + Θ.
Será entendido, por conseguinte que, quando espessuras pequenas (uns poucos mm) estiverem sendo cortadas, é necessário utilizar um ângulo baixo de divergência de feixe, isto é um BPP pequeno, uma v.ez que o diâmetro de ponto é estabelecido pelo diâmetro da fibra utilizada, no intuito de manter constante o ângulo ótimo de absorção de energia.
Deduz-se também, por conseguinte, que a transmissão da energia a partir do feixe para o material torna-se menos eficiente além de um valor de 8 mm.mrad.
Por conseguinte, para o propósito da invenção, é utilizado um feixe de laser que possui um fator de qualidade preferivelmente entre 2 e 8 mm.mrad.
EXEMPLO
Para demonstrar a eficácia do método da invenção, vários testes de corte em peças de aço C-Μη foram realizados utilizando-se um ressonador para gerar o feixe de laser, o qual contém um meio de amplificação composto de fibras óticas de sílica com um núcleo dopado com itérbio, as quais foram excitadas por diodos de acordo com o método da invenção. Os resultados destes testes são fornecidos no exemplo abaixo.
Mais precisamente, a fonte de laser utilizada no exemplo abaixo consiste em um meio de amplificação formado a partir de fibras de sílica dopadas com itérbio, que gera um feixe de laser de potência de 2 kW e 1,07 de comprimento de onda, propagado em uma fibra ótica de sílica fundida revestida de 100 μτη, que possui um fator de qualidade (BPP) ao sair da fibra de 4 mm.mrad. O colimador localizado na saída da fibra foi equipado com um par de comprimento focal de 55 mm.
Para determinar as faixas de velocidades que poderíam ser alcançadas com o método da invenção de acordo com a espessura das peças a serem cortadas e a pressão e composição do gás auxiliar empregado, testes de corte foram realizados em peças de aço C-Μη que possuem espessuras entre 2 mm e 20 mm. O gás utilizado foi injetado dentro da zona de interação onde o feixe interage com a peça a pressões que variam entre 0,06 e 2 MPa dependendo do gás utilizado, através de bocais de corte de laser que possuem orifícios com diâmetros que variam entre 0,5 e 3 mm dependendo do caso.
Quando um gás ativo, tal como oxigênio, foi utilizado, a pressão de trabalho foi de 0,06 e 2 MPa, ao passo que com um gás inerte, tal como nitrogênio, pressões mais elevadas foram normalmente requeridas, a saber pressões de cerca de 0,8 a 2 MPa. Evidentemente, pressões intermediárias poderiam ser utilizadas com misturas de gás inerte/gás ativo, por exemplo, com misturas de oxigênio/nitrogênio, ou mesmo com ar.
No presente caso, os testes foram realizados com oxigênio a pressões entre 0,04 e 0,1 MPa, tipicamente 0,07 MPa, para bocais com um diâmetro que se estende de 1 mm a 2,5 mm. Quanto maior a espessura a ser cortada, maior o diâmetro de bocal a ser utilizado, sendo o diâmetro adotado escolhido empiricamente pela realização de testes de rotina.
Foram utilizadas lentes de focalização com um comprimento focal entre 127 mm e 190,5 mm para focalizar o feixe de laser gerado por um ressonador com base nas fibras dopadas com itérbio. Mais precisamente, para uma espessura de 2 mm a ser cortada, uma lente com um comprimento focal de 127 mm foi utilizada, enquanto para outras espessuras, um comprimento focal de 190,5 mm foi utilizado. Este feixe foi convertido para a lente de focalização da cabeça de corte por meio de conversão ótica, tal como uma fibra ótica de 100 μτη de diâmetro.
Os resultados obtidos foram determinados na Figura 2 em anexo, que mostra a velocidade obtida (traçada no eixo-y) como uma função da espessura a ser cortada (traçada no eixo-x).
Esta figura mostra que, em uma placa espessa de 2-mm, sob as condições acima mencionadas, uma velocidade de 10 m/min foi alcançada e que, logicamente, a velocidade de corte diminuiu com um aumento em espessura do material de corte.
Além disso, deve-se enfatizar que, após exame visual, para todas as espessuras cortadas entre 2 e 15 mm, a qualidade do corte, em termos de rebarbas, margem de óxido e estriamentos, foi considerada muito satisfatória sob o ponto de vista industrial. A espessura máxima cortada sob estas condições e que dá bons resultados foi de cerca de 20 mm.
Em outras palavras, o método da invenção demonstrou sua eficácia em termos de velocidade de corte e qualidade de corte, especificamente para espessuras menores do que 20 mm.

Claims (10)

1. Método de corte a laser para cortar uma peça de aço C-Μη, caracterizado pelo fato do meio de geração de feixe de laser compreender pelo menos uma fibra contendo itérbio para gerar um feixe de laser e um gás de auxilio para o feixe de laser ser utilizado, em que o fator de qualidade do feixe de laser está entre 2 e 8 mm.mrad, e em que a peça a ser cortada possui uma espessura entre 0,25 e 30 mm, o feixe de laser possui uma potência entre 0,1 e 25 kW e um comprimento de onda entre 1 e 5 pm, e o gás de auxilio para o referido feixe de laser é oxigênio, e a pressão do gás de auxilio está entre 0,02 MPa e 0,6 MPa.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da fibra ser formada a partir de um núcleo dopado com itérbio coberto com silica.
3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato do feixe de laser gerado pela fibra à base de itérbio possuir um comprimento de onda entre 1,04 e 3 pm.
4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato do feixe de laser gerado pela fibra à base de itérbio possuir um comprimento de onda entre 1,07 e 1,1 pm.
5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato do feixe de laser gerado pela fibra à base de itérbio possuir uma potência entre 0,5 e 15 kW.
6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato do feixe de laser ser um feixe de laser continuo ou pulsado.
7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato da peça a ser cortada possuir uma espessura entre 0,40 e 20 mm.
8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato da velocidade de corte estar entre 0,1 e 20 m/min.
9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato do fator de qualidade do feixe de laser ser maior que 3 mm.mrad.
10. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato do fator de qualidade do feixe de laser ser menor que 7.
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