PT1681126E

PT1681126E - Corte laser com lente de duplo foco de peças metálicas de pouca espessura

Info

Publication number: PT1681126E
Application number: PT05301098T
Authority: PT
Inventors: Karim Chouf; Christophe Bertez; Hakim Maazaoui
Original assignee: Air Liquide
Priority date: 2005-01-12
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2009-03-31
Also published as: DK1681126T3; ATE419089T1; CA2531883A1; FR2880567B1; CN1803372A; EP1681126A1; PL1681126T3; ES2320353T3; US20060186099A1; EP1681126B1; DE602005012046D1; JP2006192503A; FR2880567A1; AU2006200024A1; BRPI0601550A

Description

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DESCRIÇÃO

"CORTE LASER COM LENTE DE DUPLO FOCO DE PEÇAS METÁLICAS DE POUCA ESPESSURA" A invenção refere-se a um processo de corte por raio laser que utiliza uma lente de dupla focagem e comprimento focal escolhido.

Um processo de corte laser utiliza classicamente um raio laser procedente, por exemplo, de uma máquina laser de tipo C02 (X=10,6ym) ou YAG, raio esse que é focado por um elemento óptico, geralmente uma lente ou um espelho, com um dado comprimento focal, na peça a cortar. Um gás de assistência sob pressão é habitualmente injectado no canal de corte de modo a escoar o metal derretido. É depois criado o canal de corte por deslocação relativa, em relação à peça a cortar, da cabeça de corte que compreende o elemento de focagem que emite o raio e distribui emite o gás de assistência.

As ópticas de focagem transmissivas, isto é as lentes, são os elementos mais utilizados para o corte laser, porque permitem criar uma cavidade estanque sob pressão na cabeça de corte na qual o gás de assistência pode ser injectado e sair em seguida por uma tubagem coaxial ao raio laser.

Uma lente de focagem compreende dois diópteros ou faces, sobre as quais é depositado um tratamento anti-reflector destinado a limitar as perdas de potência por reflexão. 0 material do "coração" da lente é frequentemente selenieto de zinco para os lasers de tipo C02 e de silica derretida, 2 vidro (bk7), quartzo ou semelhante para os lasers de tipo YAG.

Actualmente, as diferentes formas de lente principalmente utilizadas são: - as lentes plano-convexas compostas por um dióptero esférico e por um dióptero plano, as lentes menisco compostas por dois diópteros esféricos. Esta forma de lente tem a vantagem de minimizar as aberrações de esfericidade relativamente às lentes plano-convexas e, por esta razão, muito amplamente utilizada em corte laser. as lentes esféricas, para as quais a forma do primeiro dióptero não é uma esfera de raio constante mas é optimizada de modo a reduzir ainda mais as aberrações geométricas em relação à lente menisco de diópteros esféricos e obter assim maiores densidades de potência no ponto de focagem, em particular no caso dos comprimentos focais reduzidos, isto é, inferiores a 95,25 mm (3,75") . 0 dióptero de saida das lentes esféricas é geralmente plano para reduzir o seu custo de fabrico.

Todas as lentes tendem a focar o raio laser num ponto de focagem único de dimensão minima.

Um processo de corte laser que utiliza uma óptica de vários pontos de focagem que melhoram os desempenhos do processo de corte laser é ensinado designadamente pelo documento W0-A-98/14302. A forma desta óptica, que é de tipo de lente ou 3 espelho, é tal que o raio incidente não é focado num só ponto mas em dois ou mais pontos de focagem, via uma lente de dupla focagem ou multifocal.

Mais precisamente, quando se utiliza uma lente LF de duplo foco para focar um raio laser, a parte do raio incidente situada no exterior de um diâmetro igual a 2H, tal como representado na figura 1, é focado num primeiro ponto focal PF1 situado num comprimento focal principal FL. A parte do raio laser L incidente situada no interior do diâmetro igual a 2H é, quanto a ela, é focada num segundo ponto focal PF2 situado a uma distância DF após o primeiro ponto focal PF1 no sentido da propagação da luz. Esta lente de focagem LF de duplo ponto de focagem é realizada com um raio de curvatura de um dos diópteros, o da face convexa por exemplo, diferente no interior e no exterior do diâmetro 2H.

Este tipo de óptica de focagem permite obter ganhos de velocidade, qualidade de corte e tolerância em relação às variações da distância entre a lente e a peça e permite também cortar materiais mais espessos que as lentes convencionais com um único ponto de focagem.

Apesar dos ensinamentos deste documento, constatou-se na prática que obter um corte eficaz e de qualidade para certas espessuras a cortar podia colocar problemas.

Além disso, o documento WO-A-03/018246 descreve um processo de corte por laser que utiliza uma lente de vários focos em associação com uma tubagem de tipo convergente/divergente.

Além disso, o documento DE-A-4034745 ensina um processo de 4 corte por laser baseado numa focagem dinâmica do raio em dois pontos de focagem alternativos.

Assim, coloca-se um problema recorrente na altura do corte de placas ou de peças metálicas que têm uma espessura inferior a 5 mm, preferivelmente compreendida entre 0,5 mm e 3 mm, para as quais se constatou que era necessário usar lentes de comprimentos focais curtos (<130mm) para se obterem desempenhos de corte aceitáveis.

Geralmente estas espessuras cortam-se com focos padronizados de 127mm (5 polegadas) ou de 95,25mm (3,75 polegadas).

Com focos mais longos é necessário diminuir as velocidades de corte de modo significativo para obter boas qualidades de corte. O objectivo da presente invenção é propor uma solução para este problema, isto é, propor um processo de corte por laser com lente de duplo foco eficaz de peças com uma espessura inferior a 5 mm, preferivelmente compreendida entre 2 e 5 mm. A solução da invenção é um processo de corte por raio laser de uma peça metálica com uma espessura inferior a 5 mm, no qual se utiliza uma lente de dupla focagem que permite focar o raio laser pelo menos num primeiro ponto PF1 e num segundo ponto PF2 de focagem distintos um do outro, e situados no eixo do raio, em que a lente apresenta uma parte central de diâmetro 2H que apresenta um raio de curvatura diferente do da parte exterior periférica da lente, sendo a parte do raio incidente situada no exterior 5 do diâmetro 2H focada no primeiro ponto focal PF1 situado num comprimento focal FL e sendo a parte do raio incidente situada no interior do diâmetro 2H focada num segundo ponto focal PF2 situado a uma distância DF após o primeiro ponto de focagem PF1 no sentido da propagação da luz, caracterizado por o comprimento focal FL estar compreendido entre 80 e 135 mm, e o referido diâmetro 2H ser inferior a 2 0 mm.

Conforme o caso, o processo da invenção pode compreender uma das seguintes características: - a lente apresenta um comprimento focal compreendido entre 90 e 130 mm, preferencialmente pelo menos 100 mm. - a lente apresenta um comprimento focal igual a 127 mm. - o diâmetro da lente está compreendido entre 4 e 15 mm. - corte de uma peça com uma espessura compreendida entre 1 e 4 mm. a distância entre os dois pontos de focagem está compreendida entre 1 e 12 mm. - a distância entre os dois pontos de focagem está compreendida entre 3 e 5 mm. a peça metálica é em aço inoxidável, aço macio, aluminio ou liga de alumínio, titânio ou liga de titânio, cobre ou liga de cobre. - aplica-se um gás de assistência contendo azoto. - o raio laser tem uma potência compreendida entre 0,5 e 15 kW, preferivelmente entre 1 kW e 6 kW. - o raio laser é emitido por um dispositivo laser de tipo C02.

No âmbito da presente invenção, destacou-se que o processo de corte laser com lente de duplo foco era condicionado 6 pelos parâmetros da lente utilizada, designadamente o seu comprimento focal FL, o seu 2H e o seu DF, tal como representado na figura 1 • 0 diâmetro 2H da lente corresponde ao diâmetro da parte situada no centro da lente que apresenta um raio de curvatura diferente do da parte exterior periférica da lente. A parte do raio incidente situada no exterior do diâmetro 2H está focada num primeiro ponto focal PF1 situado num comprimento focal principal FL. A parte do raio incidente situada no interior do diâmetro 2H é focada num segundo ponto focal PF2 situado num comprimento focal principal FL2. A dimensão do diâmetro do 2H determina a quantidade de energia focada ao nivel do segundo ponto de focagem PF2. A distância DF corresponde, quanto a ela, na diferença entre os comprimentos focais FL e FL2, tal como mostrado na Figura 1.

Exemplo

Ensaios realizados em peças de aço inoxidável de espessuras de 2 mm e 4 mm, cujos resultados são representados nas figuras 2 e 3, respectivamente, confirmam que, para as espessuras inferiores a 5 mm, isto é, geralmente compreendidas entre 1 e 4 mm, é desejável utilizar uma lente de comprimento focal FL=127 mm e que possui valores de 2H compreendidos entre 4 mm e 15 mm. 0 valor do diâmetro 2H nestes ensaios é de 8 mm, a potência laser é de 4 kW e o gás de assistência é azoto. 7

Além disso, nestes ensaios, os resultados foram obtidos para pressões de 15 bares ou 16 bares (barras acinzentadas nas figuras 2 e 3, respectivamente) e de 19 bares (barras escurecidas nas figuras 2 e 3), utilizando sempre uma lente de duplo foco.

Para o comprimento focal, FL=127 mm e os valores de 2H anteriores, os melhores desempenhos de corte laser foram obtidos para valores de DF compreendidos entre 3 e 5 mm, tal como se vê nestas figuras 2 e 3.

Com efeito, para estes valores FL, 2H e DF, a repartição energética de energia laser absorvida no canal de corte torna-se óptima. Além disso, a amplitude do canal de corte torna-se suficiente para permitir uma boa penetração do gás e um escoamento do metal derretido óptimo.

Lisboa, 23 de Março de 2009

Claims

1 REIVINDICAÇÕES 1. Processo de corte por raio laser de uma peça metálica com uma espessura inferior a 5 mm, na qual se aplica uma lente de dupla focagem que permite focar o raio laser pelo menos num primeiro (PF1) e num segundo (PF2) ponto de focagem distintos um do outro, e situados no eixo do raio, apresentando a lente uma parte central de diâmetro (2H) que apresenta um raio de curvatura diferente do da parte exterior periférica da lente, sendo a parte do raio incidente situada no exterior do diâmetro (2H) focada no primeiro ponto focal (PF1) situada num comprimento focal (FL) e a parte do raio incidente situada no interior do diâmetro (2H) focada num segundo ponto focal (PF2) situado a uma distância (DF) após o primeiro ponto de focagem (PF1) no sentido da propagação da luz, caracterizado por o comprimento focal (FL) estar compreendido entre 80 e 135 mm, e o referido diâmetro (2H) ser inferior a 20 mm.

2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a lente apresentar um comprimento focal (LF) compreendido entre 90 e 130 mm.

3. Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por a lente apresentar um comprimento focal (LF) igual a 127 mm.

4. Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por a lente apresentar um comprimento focal (LF) de pelo menos 100 mm. 2

5. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o diâmetro (2H) da lente estar compreendido entre 4 e 15 mm.

6. Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado por se cortar uma peça que tem uma espessura compreendida entre 1 e 4 mm.

7. Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado por a distância (PF) entre os dois pontos de focagem (PF1, PF2) estar compreendida entre 1 e 12 mm.

8. Processo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por a distância (PF) entre os dois pontos de focagem (PF1, PF2) estar compreendida entre 3 e 5 mm.

9. Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado por a peça metálica ser de aço inoxidável, aço macio, aluminio ou liga de aluminio, em titânio ou liga de titânio, em cobre ou liga de cobre.

10. Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado por se aplicar um gás de assistência contendo azoto.

11. Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado por o raio laser ter uma potência compreendida entre 0,5 e 15 kW, preferivelmente entre 1 kW e 6 kW. 3 11, um

12.Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a caracterizado por o raio laser ser emitido por dispositivo laser de tipo C02. Lisboa, 23 de Março de 2009