BRPI0604950B1 - Método para cortar aço inoxidável com uma fibra a laser - Google Patents

Description

MÉTODO PARA CORTAR AÇO INOXIDÁVEL COM UMA FIBRA A LASER A invenção se refere a um método de corte a laser para cortar aço inoxidável usando uma fonte a laser do tipo de fibra dopada com itérbio.

No presente momento, corte a laser usando uma fonte a laser do tipo de C02 para gerar um feixe a laser, com um comprimento de onda de 10,6 μιη e uma potência variando até 6 kW, é amplamente usado na indústria. Esse método é usado, de modo particular, para cortar aços inoxidáveis.

Porém, as velocidades de corte que podem ser alcançadas e a qualidade de corte resultante são muito variáveis, dependendo do material a ser cortado e, além disto, dependendo dos parâmetros adotados para o método de corte, tais como a natureza do gás de auxílio, o diâmetro do feixe focalizado, a potência do laser incidente etc.

Assim, lasers de C02 não podem ser usados com gases de auxílio de baixo potencial ionizante, por exemplo tal como argônio, sem o risco de gerar plasmas parasitas que poderiam prejudicar o método.

Além disto, lasers de C02 são limitados em termos de potência, influenciando assim diretamente na velocidade de corte.

Além disto, o fato da necessidade de guiar o feixe a laser do gerador de laser diretamente para a cabeça de focalização, isto é, para a cabeça de corte, possui desvantagens, especialmente no que concerne ao alinhamento dos componentes óticos no trajeto ótico. Isto ocorre porque os componentes óticos de guia são geralmente espelhos revestidos e/ou polidos de cobre e as suas posições determinam o trajeto seguido pelo feixe a laser. Assim, o alinhamento dos espelhos precisa ser perfeito, a fim de garantir uma entrada ideal do feixe a laser na cabeça focalizadora ou cabeça de corte. Agora, a posição desses espelhos é geralmente ajustada por meios mecânicos, que podem facilmente sair de alinhamento em função do tempo, desgastes das peças e condições ambientais, de modo particular a temperatura ambiente, teor de umidade etc.

Além disto, o trajeto ótico do feixe precisa ser necessariamente mantido em uma atmosfera inerte, a fim de evitar qualquer contaminação e para manter um meio com um índice ótico constante, que é necessário para uma boa propagação do feixe. Essas condições possibilitam que as propriedades relativas ao diâmetro do feixe e a distribuição transversal da energia do feixe, e que as propriedades de qualidade do feixe, permaneçam satisfatórias para o método, o fator de qualidade para o produto de parâmetros do feixe (BPP) dos feixes a laser de C02 de alta potência usados no corte se situando geralmente entre 3 mm.mrad e 6 mm.mrad. Uma atmosfera destas também possibilita preservar os componentes óticos de guia e impedir a sua deterioração.

Agora, isto não é prático em uma situação industrial e provoca custos adicionais.

Numa tentativa de aliviar estes problemas, foi proposto cortar aço inoxidável com um dispositivo a laser do tipo Nd:YAG, dentro de qual o feixe é gerado por um ressonador contendo um meio amplificador sólido, isto é, um bastão de YAG dopado com neodímio (Nd), e enviado através de uma fibra ótica para a cabeça focalizadora.

Porém, esta solução não é inteiramente satisfatória do ponto de vista industrial.

Isto ocorre, por ter sido constatado que o corte com um feixe a laser obtido com uma fonte a laser de NdrYAG com um comprimento de onda de 1,06 μιη fornece baixos resultados em termos de qualidade e velocidade de corte.

Isto ocorre, porque lasers do tipo Nd:YAG possuem fatores de qualidade inadequados para o processo de corte a laser. Os fatores de qualidade (valores BPP) desses lasers se situam tipicamente na faixa de 15 mm.mrad a 30 mm.mrad, dependendo da fonte. Agora, quanto maior for o fator de qualidade de um laser, isto é, quanto maior for o produto da perda do feixe focalizado multiplicado pela divergência do feixe, menos eficaz será o feixe a laser para o processo de corte a laser.

Além disto, a distribuição de energia transversal em um feixe a laser de NdrYAG não é Gaussiana, mas possui um perfil de chapéu alto, enquanto que, além do ponto focal, a distribuição da energia transversal é aleatória.

De maneira mais genérica, o corte de aço inoxidável por corte a laser com um laser de NdrYAG está longe de ser óbvio, caso se deseje obter velocidades e qualidades de corte que sejam aceitáveis do ponto de vista industrial. 0 problema que surge, portanto, é como propiciar um método aperfeiçoado e industrialmente aceitável para cortar aços inoxidáveis com um feixe a laser, que possam alcançar, dependendo da espessura em questão, velocidades variando de 15 a 20 m/min, ou mesmo maiores, e boa qualidade de corte, isto é, faces de corte retas, sem rebarbas e rugosidade reduzida. A solução proporcionada pela invenção é, assim, um método de corte a laser para cortar uma peça de trabalho de aço inoxidável, onde meios geradores de feixe a laser compreendendo pelo menos uma fibra contendo itérbio para gerar um feixe a laser são usados para fundir a peça de trabalho e, assim, realizar o corte efetivo, caracterizado pelo fato do fator de qualidade do feixe a laser se situar entre 0,33 e 8 mm.mrad.

Os meios geradores de feixe a laser compreendem um excitador, de preferência, diversos excitadores que cooperam pelo menos com um elemento excitado, também chamado de meio amplificador, a fim de gerar o feixe a laser. Os excitadores são, de preferência, diversos diodos a laser, enquanto que os elementos excitados são fibras, de preferência fibras de sílica com um núcleo dopado com itérbio.

Para os fins da invenção, os termos "meios geradores de feixe a laser" e "ressonador" serão usados de maneira indiscriminada.

Dependendo do caso, o método da invenção pode incluir um ou mais dos seguintes aspectos: a(s) fibra(s) é(são) formada (s) a partir de um núcleo dopado com itérbio, coberto com silica; - o feixe a laser gerado pela fibra baseada em itérbio possui um comprimento de onda entre 1 e 5 μτη, de preferência entre 1,04 e 3 μτη; - o feixe a laser gerado pela fibra baseada em itérbio possui um comprimento de onda entre 1,07 e 1,09 μτη, de preferência 1,07 μτη; - o feixe a laser possui uma potência entre 0,1 e 25 kW, de preferência entre 0,5 e 15 kW; o feixe a laser é um feixe a laser contínuo ou pulsante, de preferência um feixe a laser contínuo; a peça de trabalho a ser cortada possui uma espessura entre 0,25 e 30 mm, de preferência entre 0,40 e 2 0 mm ; - a velocidade de corte se situa entre 0,1 e 25 m/min, de preferência de 2 a 20 m/min; - o gás de auxílio para o feixe a laser é escolhido dentre nitrogênio, hélio, argônio e suas misturas e, opcionalmente, ele ainda contém um ou mais compostos adicionais escolhidos dentre O2, C02, H2 e CH4 etc.; - o fator de qualidade do feixe a laser se situa entre 1 e 8 mm.mrad, de preferência, superior a 2 mm.mrad, mais preferivelmente ainda superior a 3 mm.mrad e/ou de preferência inferior a 7 mm.mrad e mais preferivelmente ainda inferior a 5 mm.mrad; - de maneira mais geral, o a pressão do gás de auxílio se situa entre cerca de 8 00 kPa e 2.500 kPa, e é escolhida de acordo com a espessura que deve ser cortada; e - o diâmetro do orifício injetor de gás se situa entre 0,5 e 4 mm, tipicamente entre 1 e 3 mm, o diâmetro aumentando com a espessura da peça de trabalho a ser cortada. A fig. 1 aqui apensa é um diagrama mostrando o princípio de uma instalação para implementar um método de corte a laser usando um feixe a laser 3 para cortar uma peça de trabalho de aço inoxidável 10, empregando uma fonte a laser 1 com um ressonador ou o meio gerador de feixe a laser 2 formado por fibras de sílica com um núcleo dopado com itérbio para gerar o feixe a laser 3. A fonte a laser 1 é usada para gerar ura feixe a laser 3 com um comprimento de onda entre 1 μτη e 5 μτη, mais precisamente de 1,07 μτη. O feixe 3 se propaga até a zona 11 de interação entre o feixe 3 e a peça de trabalho 10, isto é, a zona onde a incisão aparece, através do meio condutor de feixe 4, tal como uma fibra ótica feita de sílica fundida com um diâmetro entre 20 pm e 300 pm.

Ao sair dessa fibra 4, o feixe a laser 3 possui características óticas particulares e um fator de qualidade (BPP) entre 1 e 8 mm.mrad. O feixe 3 é, então, colimado usando-se um colimador ótico 5 equipado com um par de lentes de colimação feitas de sílica fundida revestida, a fim de limitar a divergência do feixe abandonando a fibra e tornar o feixe a laser paralelo. O feixe paralelo 3, cuja divergência foi consideravelmente limitada pelo colimador, é então focalizado sobre ou dentro da peça de trabalho 10 a ser cortada por uma lente de sílica fundida e revestida 6 tendo uma distância focal de 80 mm a 510 mm, de preferência de 100 mm a 250 mm.

Antes de colidir de encontro à peça de trabalho 10, o feixe 3 passa axialmente através da cabeça a laser 6, que é equipada com um bico 7 tendo um orifício de saída axial 8 faceando a peça de trabalho 10 a ser cortada, o feixe 3 e o gás de auxílio passando através do dito bico. O orifício do bico pode se situar entre 0,5 mm e 5 mm, de preferência entre 1 mm e 3 mm. A cabeça a laser 6 em si é alimentada com o gás de auxílio através de uma entrada de gás 9, por exemplo para um gás inerte, tal como nitrogênio, argônio, Jiélio ou uma mistura de diversos desses gases, ou ainda de um gás inerte, por exemplo, tal como oxigênio, ou mesmo misturas de gases ativos/inertes. 0 gás de auxílio é usado para remover o metal fundido da incisão 12 sendo formada na peça de trabalho 10, conforme a peça de trabalho é submetida ao deslocamento relativo com respeito à cabeça a laser 6 ao longo do trajeto de corte desejado. A situação invertida, constituída de mover a cabeça de corte, enquanto que mantendo a peça de trabalho estacionária, proporciona o mesmo resultado. A fig. 3 é um diagrama ilustrando a configuração durante o corte na incisão (material de espessura e), onde o ângulo de divergência Θ do feixe a laser após a focalização, o diâmetro 2Wo do feixe focalizado e o ângulo α da frente de corte foram indicados. O fator de qualidade do feixe ou BPP é definido como o produto do ângulo de divergência Θ multiplicado por seu raio Wo. O processo de corte é controlado pela absorção de energia do feixe a laser no material durante o corte. Dependendo do comprimento de onda do feixe a laser empregado, existe assim um ângulo ideal para absorção de energia por parte do material. Fora desse ângulo ideal, parte da energia é refletida e/ou perdida. A fig. 3 ilustra © fato de que, na condição de corte ideal, o ângulo α da frente de corte corresponde à exposição da espessura global e do material ao feixe com um diâmetro 2Wo. A fig. 4 mostra a variação no ângulo ideal α da frente de corte em função da espessura de corte. A curva superior corresponde àquela obtida com um laser de C02 de 4 kW no modo TEM 01*, enquanto que a curva inferior é aquela obtida com uma fibra a laser baseada em itérbio de 2 kw, de acordo com a invenção. As duas curvas não são coincidentes por causa da diferença no ângulo ideal para absorção de energia a 10,6 μτη, que é o comprimento de onda do laser de C02, e a 1,07 μπι, que é o comprimento de onda da fibra a laser baseada em itérbio. É claramente evidente a partir dessas curvas que, para pequenas espessuras, o ângulo ideal da frente de corte é superior do que para espessuras maiores. 0 ângulo máximo para transmitir a energia a laser para dentro do material é obtido geometricamente, e é a soma dos ângulos, a saber α + Θ.

Assim, deverá ficar claro que, quando pequenas espessuras (de poucos mm) estiverem sendo cortadas, é necessário usar um baixo ângulo de divergência de feixe, isto é, um pequeno BPP, visto que o diâmetro pontual é definido pelo diâmetro de fibra usado, a fim de manter constante o ângulo ideal para absorção de energia. É ainda deduzido através disto que a transmissão da energia do feixe para o material se torna menos eficiente acima de um valor de 8 mm.mrad.

Assim, para a finalidade da invenção, um feixe a laser tendo um fator de qualidade de preferência entrè 1 e 8 mm.mrad, mais preferivelmente entre 2 e 8 mm.mrad, é usado.

Exemplo Para demonstrar a eficiência do método da invenção, diversos ensaios de corte sobre peças de trabalho de aço inoxidável foram realizados usando-se um ressonador que continha um meio amplificador ou meio de gerar o feixe a laser, composto de fibras óticas com um núcleo dopado com itérbio, de acordo com o método da invenção, e os resultados obtidos são apresentados no exemplo abaixo.

De maneira mais precisa, a fonte a laser usada no exemplo abaixo foi constituída de um meio amplificador formado pelas fibras dopadas com itérbio, excitadas com diodo, gerando um feixe a laser de 2 kW de potência e 1,07 μτη de comprimento de onda, propagado em uma fibra ótica coberta com sílica fundida de 100 pm, possuindo um fator de qualidade (BPP) na saída da fibra de 4 mm.mrad. O colimador localizado na saída da fibra foi equipado com um par de lentes com 55 mm de distância focal.

Para determinar as faixas de velocidade que podiam ser alcançadas com o método da invenção, de acordo com as espessuras das peças de trabalho a serem cortadas e a pressão e composição do gás de auxílio empregado, ensaios de corte foram realizados em peças de trabalho de aço inoxidável tendo espessuras de 1,5 mm a 8 mm. 0 gás usado foi um gás inerte, a saber nitrogênio, e foi injetado na zona de interação, onde o feixe interage com a peça de trabalho a pressões variando de 8 a 25 bares, dependendo do gás usado, através de bicos de corte a laser tendo orifícios com diâmetros variando de 0,5 a 4 mm, dependendo do caso, tipicamente de I a 3 mm de diâmetro. Quanto maior for a espessura a ser cortada, maior precisa ser o diâmetro do bico.

Lentes focalizadoras com uma distância focal de 127 mm a 190,5 mm foram usadas para focalizai o feixe a laser gerado pelo meio amplificador contendo fibras dopadas com itérbio, excitadas com diodo, e conduzido à lente focalizadora da cabeça de corte por meios condutores óticos, tal como uma fibra ótica de 100 μτη de diâmetro.

De maneira mais precisa, espessuras de 4 mm ou menos são normalmente cortadas com lentes com distância focal de 127 mm e maiores espessuras com lentes com distância focal de 190,5 mm.

Os resultados obtidos com uma pressão de nitrogênio de 15 bares, que foram julgados ser satisfatórios a partir do ponto de vista da qualidade de corte obtida, são apresentados na fig. 2 apensa, que mostra a velocidade obtida (obtida no eixo dos y) em função da espessura a ser cortada (dotada no eixo dos x).

Essa figura mostra que, em uma chapa com 2 mm de espessura, sob as condições experimentais acima citadas, o método da invenção torna possível alcançar uma velocidade da ordem de 16 m/min. Porém, essa figura também mostra que a velocidade de corte logicamente diminuiu com um aumento na espessura do material cortado.

Deve ser enfatizado que, após o exame das faces cortadas, a qualidade, em termos de rebarbas e estrias, dos cortes obtidos foi muito satisfatória para todas as espessuras cortadas.

Porém, a espessura máxima cortada sob as condições experimentais acima citadas com a potência a laser aqui usada, foi de 8 mm.

Assim, o método da invenção é eficaz em termos da velocidade de corte e da qualidade de corte sobre aço inoxidável.

Claims (10)

1. Método de corte a laser para cortar uma peça de trabalho de aço inoxidável, em que os meios geradores de feixe a laser compreendendo, pelo menos, uma fibra dopada com itérbio para gerar um feixe a laser serem usados para fundir a peça de trabalho e, assim, executar o corte efetivo, e em que um gás de auxilio para o feixe de laser é utilizado, caracterizado pelo fato de que o fator de qualidade do feixe a laser se situa entre 0,2 e 8 mm.mrad, a peça de trabalho possui uma espessura entre 0,25 a 30 mm, o feixe de laser possui uma potência entre 0,1 e 25 kW, e a pressão do gás de auxilio está entre 800 e 2500 kPa.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da fibra ser formada de um núcleo dopado com itérbio coberto com silica.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato do feixe a laser gerado pela fibra baseada em itérbio possuir um comprimento de onda entre 1 e 5 μπι.

4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato do feixe a laser gerado pela fibra baseada em itérbio possuir um comprimento de onda entre 1,07 e 1,09 pm.

5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato do feixe a laser 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 a laser ser um feixe a laser continuo ou pulsante.

7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato da peça de trabalho 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 se situar entre 0,1 e 25 m/min.

9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato do gás de auxilio para o feixe a laser ser escolhido dentre nitrogênio, hélio, argônio e suas misturas e ainda conter um ou mais compostos adicionais escolhidos dentre 02, C02, H2 e CH4.

10. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato do fator de qualidade do feixe a laser ser superior a 3 mm.mrad.