PT1790427E

PT1790427E - Processo de corte de uma peça de aço c-mn com o auxílio de uma fibra contendo itérbio

Info

Publication number: PT1790427E
Application number: PT06301154T
Authority: PT
Inventors: Francis Briand; Karim Chouf; Hakim Maazaoui
Original assignee: Air Liquide Welding France; Air Liquide
Priority date: 2005-11-25
Filing date: 2006-11-17
Publication date: 2009-03-05
Also published as: EP1790427A2; BRPI0605973A; FR2893872A1; EP1790427A3; CN1972039A; BRPI0605973B8; BRPI0605973B1; SI1790427T1; US20120012570A1; JP5535424B2; FR2893872B1; US8710400B2; CA2568030A1; CA2568030C; CN1972039B; DE602006004423D1; US20070119833A1; ES2319329T3; ATE418415T1; EP1790427B1

Description

1

DESCRIÇÃO

"PROCESSO DE CORTE DE UMA PEÇA DE AÇO C-Μη COM O AUXÍLIO DE UMA FIBRA CONTENDO ITÉRBIO" A presente invenção refere-se a um processo de corte por um feixe de laser de aço de carbono-manganês, (C-Mn) utilizando uma fonte de laser do tipo de fibra à base de itérbio, de acordo com o preâmbulo da reivindicação 1 (ver, por exemplo, o documento US 2003/209049 Al). O corte por um feixe de laser, utilizando uma fonte de laser de tipo CO2 para produzir um feixe de laser de comprimento de onda igual a 10,6 ym e com uma potência que se estende actualmente até 6 kW, está largamente divulgado na indústria.

Este processo é utilizado, nomeadamente, para o corte dos aços C-Mn. No âmbito da invenção, entende-se por "aço C-Mn" qualquer aço não ligado ou fracamente ligado, cujos teores de carbono e de manganês são inferiores a 2% em peso e cujos teores dos outros elementos da liga eventualmente presentes são inferiores a 5% em peso.

No entanto, as velocidades de corte que podem ser atingidas e a qualidade do corte que dai resulta são muito variáveis, consoante o material a cortar e, por outro lado, consoante os parâmetros do processo de corte adoptados, tais como, a natureza do gás de assistência, o diâmetro do feixe focalizado e a potência do laser incidente, etc.

Assim, os lasers do tipo CO2 não podem ser utilizados com gases de assistência que possuam um fraco potencial de ionização, tais como o árgon, por exemplo, correndo-se o risco da criação de plasmas parasitas, que podem ser prejudiciais ao processo. 2

Por outro lado, os lasers de tipo C02 têm potências limitadas, o que tem um impacto directo na velocidade de corte.

Além disso, o facto de se ter que guiar o feixe de laser desde o gerador de laser até à cabeça de focalização, isto é, a cabeça de corte, apresenta inconvenientes, nomeadamente ao nivel do alinhamento dos dispositivos ópticos do trajecto óptico. Com efeito, os dispositivos ópticos de guiamento são geralmente espelhos de cobre polido e/ou revestido, e as suas posições determinam o caminho percorrido pelo feixe de laser. Em conformidade, o alinhamento dos espelhos tem que ser perfeito, para assegurar uma entrada óptima do feixe de laser na cabeça de focalização ou cabeça de corte. Ora, a regulação da posição destes espelhos é assegurada, geralmente, por meios mecânicos, que podem facilmente desregular-se, em função do desgaste das peças e das condições ambientais, tais como a temperatura ambiente, o teor de humidade, etc. evitar a sua

Além disso, o trajecto óptico do feixe deverá também, obrigatoriamente, ser mantido numa atmosfera inerte, para evitar qualquer poluição e ser conservado num meio de indice óptico constante, necessário à boa propagação do feixe. Estas condições permitem, com efeito, conservar as propriedades relativas ao diâmetro do feixe e à repartição transversal da energia neste último, assim como as propriedades de qualidade do feixe satisfatórias para o processo, estando geralmente o factor de qualidade (BPP) dos feixes de laser de C02 de elevada potência utilizados no corte compreendido entre 3 mm.mrad e 6 mm.mrad. Uma atmosfera desta natureza permite também preservar os dispositivos ópticos de guiamento e deterioração. 3

No entanto, isto não é prático do ponto de vista industrial, em virtude de tornar a instalação mais complexa e originar custos suplementares.

Para tentar remediar estes problemas, já foi proposto realizar-se o corte com um dispositivo de laser de tipo Nd:YAG, no seio do qual o feixe é gerado por um ressoador contendo um meio amplificador sólido, nomeadamente uma barra de neodimio (Nd), sendo transportado em seguida até à cabeça de focalização através de uma fibra óptica.

No entanto, esta solução também não é satisfatória no plano industrial.

Mais precisamente, verificou-se que um corte por um feixe de laser proveniente de uma fonte de laser do tipo Nd:YAG de comprimento de onda de 1,0 6 ym, dá maus resultados em termos de qualidade e de velocidade de corte, em particular aquando do corte de uma peça de aço C-Mn.

Com efeito, os lasers Nd:YAG têm factores de qualidade (BPP) não adaptados ao processo de corte a laser, visto que estes são da ordem de 15 mm.mrad a 30 mm.mrad, consoante as fontes de laser.

Ora, é necessário saber-se que quanto mais elevado for o factor de qualidade de um laser, maior é o produto do diâmetro do feixe focalizado e da divergência do feixe, e, por conseguinte, menos eficaz é o feixe de laser para o processo de corte a laser.

Além disso, a repartição transversal da energia num feixe de laser Nd:YAG focalizado não é gaussiana, mas sim em forma de ameias (denominada "top hat [chapéu alto] em inglês"); para além do ponto de focalização, a repartição transversal da energia é aleatória. em

Compreendem-se, portanto, imediatamente, os limites da utilização dos lasers Nd:YAG no corte a laser, particular de um aço C-Mn. 4

De uma forma mais geral, o corte a laser de uma peça de aço C-Μη com lasers Nd:YAG está longe de ser evidente quando se pretendem atingir velocidades e uma qualidade de corte aceitáveis no plano industrial.

Assim, o documento US-A-2003/0209049 revela um processo de corte de peças de aço C-Μη com um laser NdrYAG.

Por outro lado, o documento US-A-2005/0169326 propõe um sistema para produzir uma radiação laser, nomeadamente por meio de uma fibra dopada com itérbio. Por outro lado, o documento US-A-2005/0041697 descreve, de maneira geral, um dispositivo de laser portátil de corte, que pode compreender um gerador laser de tipo C02, Nd:YAG, sólido ou de fibra de Yb. 0 problema que então se coloca é o de se propor um processo aperfeiçoado de corte, por feixe de laser, dos aços C-Μη, industrialmente aceitável, que possa permitir atingir, consoante a espessura considerada, velocidades que se podem estender até 15 a 20 m/min, ou mesmo mais elevadas, e uma boa qualidade de corte, isto é, faces direitas, sem rebarbas, com uma rugosidade limitada. A solução da invenção é, por conseguinte, um processo de corte por feixe de laser de uma placa de aço C-Μη, de acordo com a reivindicação 1.

Os meios para se produzirem feixes de laser compreendem pelo menos um elemento excitador, preferivelmente vários elementos excitadores, que cooperam com pelo menos um elemento excitado, também denominado meio amplificador, para produzir o feixe de laser. Os elementos excitadores são, preferivelmente, vários diodos laser, enquanto o ou os meios excitados é ou são fibras, preferivelmente de silica, com o núcleo dopado com itérbio.

Por outro lado, no âmbito da invenção serão utilizados indiferentemente os termos "meios de produção do feixe de laser" e "ressoador". 5

Consoante os casos, o processo de acordo com a invenção pode compreender uma ou várias das seguintes caracteristicas: - a (ou as) fibra(s) é formada por um núcleo dopado com itérbio, recoberto por sílica; - o feixe de laser produzido pela fibra à base de itérbio tem um comprimento de onda entre 1 e 5 ym, de preferência entre 1,04 e 3 ym; - o feixe de laser produzido pela fibra à base de itérbio tem um comprimento de onda entre 1,07 e 1,1 ym, de preferência igual a 1,07; - o feixe de laser tem uma potência compreendida entre 0,1 e 25 kW, preferivelmente entre 0,5 e 15 kW; - o feixe de laser é continuo ou pulsatório, de preferência contínuo; - a peça a cortar tem uma espessura entre 0,25 e 30 mm, preferivelmente entre 0,40 e 20 mm; - a velocidade de corte está compreendida entre 0,1 e 20 m/min, preferivelmente entre 1 e 15 m/min; - o gás de assistência do feixe de laser é escolhido entre o azoto, o hélio, o árgon, o oxigénio, o C02 e as suas misturas, e eventualmente contém, além destes, um ou vários compostos adicionais, escolhidos entre H2 e CH4; - o factor de qualidade do feixe de laser está compreendido preferivelmente entre 1 e 8 mm.mrad, sendo preferivelmente superior a 2 mm.mrad, e ainda de preferência superior a 3 mm.mrad, e/ou preferivelmente inferior a 7 mm.mrad, e ainda de preferência inferior a 5 mm.mrad; - a velocidade de corte de uma peça de aço com uma espessura compreendida entre 0,4 mm e 3 mm, utilizando o oxigénio como gás de assistência, a uma pressão compreendida entre 0,2 e 6 bar, está compreendida entre 6 e 15 m/min; 6 - a velocidade de corte de uma peça de aço com uma espessura compreendida entre 3 mm e 6 mm, utilizando o oxigénio como gás de assistência, a uma pressão compreendida entre 0,2 e 6 bar, está compreendida entre 2 e 6 m/min; - a velocidade de corte de uma peça de aço com uma espessura compreendida entre 6 mm e 10 mm, utilizando o oxigénio como gás de assistência, a uma pressão compreendida entre 0,2 e 6 bar, está compreendida entre 1 e 3 m/min; - a velocidade de corte de uma peça de aço com uma espessura compreendida entre 10 mm e 20 mm, utilizando o oxigénio como gás de assistência, a uma pressão compreendida entre 0,2 e 6 bar, está compreendida entre 0,1 e 2 m/min; - mais geralmente, a pressão do gás de assistência está compreendida entre cerca de 0,1 bar e 10 bar, e é escolhida em função da espessura a cortar; - o diâmetro do orifício de injecção do gás está compreendido entre 0,5 e 5 mm, tipicamente entre 1 e 3 mm. A Figura 1 anexa é um esquema do princípio de uma instalação de realização de um processo de corte por feixe de laser 3 de uma peça 10 de aço C-Μη, utilizando uma fonte de laser 1 com ressoador 2 ou meios de produção do feixe de laser compreendendo uma fibra de sílica com núcleo dopado com itérbio para gerar o feixe de laser 3. A fonte de laser 1 permite produzir um feixe de laser 3 de comprimento de onda compreendido entre 1 ym e 5 ym, mais precisamente de 1,07 ym. O feixe 3 propaga-se através dos meios de transporte do feixe 4, tais como uma fibra óptica de sílica fundida, de diâmetro compreendido entre 20 ym e 300 ym, até à zona de interacção 11 entre o feixe 3 e a peça 10, onde o feixe vai 7 incidir na peça de aço C-Μη e funde o material constitutivo da referida peça, formando assim a sangria de corte. À saida desta fibra 4, o feixe de laser 3 possui caracteristicas ópticas particulares e um factor de qualidade (BPP) compreendido entre 1 e 8 mm.mrad. 0 feixe 3 é em seguida colimado com um colimador óptico 5, equipado com um dublete de colimação de sílica fundida, revestida de forma a limitar a divergência do feixe à saída da fibra e a torná-lo num feixe de laser paralelo. 0 feixe 3 paralelo, cuja divergência foi limitada consideravelmente pelo colimador, é em seguida folcalizado na peça 10 a cortar por uma lente 6 de sílica fundida revestida, de distância focal compreendida entre 80 mm e 510 mm, preferivelmente entre 100 mm e 250 mm.

Antes de atingir a peça 10, o feixe 3 atravessa axialmente a cabeça de laser 5, equipada com um bocal 7, compreendendo um orifício 8 de saída axial situado em frente da peça a cortar 10, pelo qual passam o feixe 3 e o gás de assistência. O orifício do bocal pode estar compreendido entre 0,5 mm e 5 mm, preferivelmente entre 1 mm e 3 mm. A cabeça de laser 5, por sua vez, é alimentada com o gás de assistência através de uma entrada 9 de gás, por exemplo, um gás inerte, tal como o azoto, o árgon, o hélio, ou uma mistura de vários destes gases, ou então com um gás activo, tal como o oxigénio, por exemplo, ou mesmo com uma mistura de gás activo e gás inerte. O gás de assistência sob pressão serve para evacuar o metal em fusão para fora da sangria 12 de corte que se forma na peça 10, aquando do deslocamento relativo da peça em relação à cabeça laser 5, segundo a trajectória de corte pretendida. A solução inversa, que consiste em deslocar a cabeça de corte, mantendo-se a peça estática, conduz ao mesmo resultado. A Figura 3 é um esquema ilustrativo da configuração em curso de corte ao nivel da sangria de corte (material de espessura e), onde estão representados o ângulo Θ de divergência do feixe de laser após a focalização, o diâmetro 2W0 do feixe focalizado e o ângulo α da frente anterior de corte. 0 factor de qualidade do feixe ou BPP é definido como sendo o produto do ângulo Θ de divergência pelo seu raio WQ. 0 processo de corte é regido pela absorção de energia do feixe de laser no material, no decurso do corte. Em função do comprimento de onda do feixe de laser utilizado, existe, por conseguinte, um ângulo óptimo de absorção de energia pelo material. Fora deste ângulo óptimo, uma parte da energia é reflectida e/ou perdida. A Figura 3 ilustra o facto de que, em condições óptimas de corte, o ângulo da frente anterior α corresponde a uma exposição de toda a espessura e do material sob o feixe de diâmetro 2W0. A Figura 4 mostra a evolução do ângulo α óptimo da frente anterior em função da espessura de corte. A curva superior corresponde à que é obtida com um laser de C02 de 4 kW em modo Tem 01*, enquanto a curva inferior corresponde à que é obtida com um laser de fibra com itérbio de 2 kW, de acordo com a invenção. As duas curvas não são confundidas, em virtude da diferença do ângulo de absorção óptima de energia a 10,6 ym, que é o comprimento de onda do laser de C02, e a 1,07 ym, que é o comprimento de onda do laser de fibra com itérbio.

Face a estas curvas, vê-se claramente que, para as pequenas espessuras, o ângulo óptimo da frente anterior é mais acentuado do que para as espessuras maiores. O ângulo máximo de transmissão de energia laser ao material é obtido geometricamente e é a soma dos ângulos α + Θ. 9

Compreende-se então que, quando se cortam espessuras delqadas (escassos milímetros), é conveniente utilizar um ângulo de divergência de feixe pequeno, isto é, um BPP pequeno, vasto que o diâmetro do spot [ponto] é fixado pelo diâmetro da fibra utilizada, para se manter constante o ângulo óptimo de absorção de energia.

Deduziu-se também que, para além de um valor de 8 mm.mrad, a transmissão de energia do feixe para o material torna-se menos eficaz.

Em conformidade, no âmbito da invenção utiliza-se um feixe de laser, cujo factor de qualidade está compreendido preferivelmente entre 1 e 8 mm.mrad, de preferência entre 2 e 8 mm.mrad.

Exemplo A fim de demonstrar a eficácia do processo da invenção, foram realizados diversos ensaios de corte de peças de aço C-Μη, utilizando-se um ressoador para produzir o feixe de laser, compreendendo um amplificador composto por fibras ópticas de silica, cujo núcleo está dopado com itérbio, excitadas por díodos, de acordo com o processo da invenção. Os resultados destes ensaios são dados no exemplo a seguir.

Mais precisamente, a fonte de laser utilizada no exemplo adiante é composta por um meio amplificador formado por fibras de sílica dopadas com itérbio, com a potência de 2 kW e com um comprimento de onda de 1,07 ym, propagado numa fibra óptica de 100 ym, de sílica fundida revestida, possuindo um factor de qualidade (BPP) à saída da fibra de 4 mm.mrad. O colimador situado à saída da fibra está equipado com um dubleto de 55 mm de distância focal.

Para determinar as gamas de velocidades que podem ser atingidas com o processo da invenção, em função da espessura das peças a cortar, e da pressão e da composição 10 do gás de assistência utilizado, estes ensaios de corte foram realizados com peças de aço C-Μη que possuíam espessuras compreendidas entre 2 mm e 20 mm. O gás utilizado é injectado na zona de interacção do feixe com a peça, a pressões variáveis, compreendidas entre 0,6 e 20 bar consoante o gás utilizado, através de bocais de corte por laser possuindo orifícios de diâmetros compreendidos entre 0,5 e 3 mm, consoante os casos.

Quando se utiliza um gás activo, tal como o oxigénio, trabalha-se a uma pressão de 0,2 a 6 bar, ao passo que com um gás inerte, como o azoto, são geralmente necessárias pressões mais elevadas, nomeadamente pressões da ordem de 8 a 20 bar. Como é evidente, poderão ser utilizadas pressões intermediárias com misturas de gases inertes e activos, por exemplo, com misturas de oxigénio e de azoto, ou mesmo com o ar.

No presente caso, os ensaios foram realizados com oxigénio, a pressões compreendida entre 0,4 bar e 1 bar, tipicamente de 0,7 bar, para bocais com um diâmetro de 1 a 2,5 mm. Quanto maior for a espessura a cortar, maior será o diâmetro do bocal a utilizar, sendo a escolha do diâmetro a manter feita empiricamente, realizando-se ensaios de rotina.

Utilizaram-se lentes de focalização de distância focal compreendida entre 127 mm e 190,5 mm, para focar o feixe de laser produzido por um ressoador de fibras dopadas com itérbio. Mais precisamente, uma espessura de 2 mm foi cortada com uma lente de distância focal de 127 mm e as outras espessuras com uma distância focal de 190,5 mm. Este feixe é encaminhado até à lente de focalização da cabeça de corte por meios de transporte óptico, tais como um fibra óptica de 100 ym de diâmetro.

Os resultados obtidos foram apresentados na Figura 2 anexa, onde foi representada a velocidade obtida (eixo das 11 ordenadas) em função da espessura a cortar (eixo das abcissas). Vê-se que, para uma chapa metálica com 2 mm de espessura, nas condições anteriores, é atingida uma velocidade de 10 m/min, e que, logicamente, a velocidade de corte decresce com um aumento da espessura do material cortado.

Por outro lado, é de sublinhar que, após um exame visual, para todas as espessuras de corte compreendidas entre 2 e 15 mm, a qualidade do corte em termos de rebarbas, orla de óxidos e estrias, foi considerada muito satisfatória de um ponto de vista industrial. A espessura máxima cortada nestas condições e que apresenta bons resultados é da ordem de 20 mm.

Dito por outras palavras, o processo de acordo com a invenção demonstrou a sua eficácia em termos de velocidade de corte e de qualidade de corte, em particular para as espessuras inferiores a 20 mm.

Lisboa, 25 de Fevereiro de 2009

Claims

1 REIVINDICAÇÕES 1. Processo de corte por um feixe de laser de uma peça (10) de aço C-Μη, caracterizado por se utilizarem meios (1, 2) de produção do feixe de laser (3), compreendendo pelo menos uma fibra contendo itérbio para produzir o feixe de laser (3) , e por o factor de qualidade do feixe de laser estar compreendido entre 0,33 e 8 mm.mrad.

2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a fibra ser formada por um núcleo dopado com itérbio, recoberto por silica.

3. Processo de acordo com uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado por o feixe de laser (3) produzido pela fibra à base de itérbio ter um comprimento de onda entre 1 e 5 ym, de preferência entre 1,04 e 3 ym.

4. Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por o feixe de laser (3) produzido pela fibra à base de itérbio ter um comprimento de onda entre 1,07 e 1,1 ym, de preferência de 1,07 ym.

5. Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por o feixe de laser (3) ter uma potência compreendida entre 0,1 e 25 kW, preferivelmente entre 0,5 e 15 kW.

6. Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado por o feixe de laser (3) ser continuo ou pulsatório, de preferência continuo. 2

7 . Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado por a peça a cortar (10) ter uma espessura entre 0, 25 e 30 mm, preferivelmente entre 0,40 e 20 mm.

8. Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado por a velocidade de corte estar compreendida entre entre 1 e 15 m/min. 0,1 e 20 m/min, preferivelmente

9. Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado por o gás de assistência do feixe de laser (3) ser escolhido entre o azoto, o hélio, o árgon, o oxigénio, o C02, e as suas misturas, e por eventualmente conter, além destes, um ou vários compostos adicionais escolhidos entre H2 e CH4.

10. Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado por o factor de qualidade do feixe de laser (3) estar compreendido entre 1 e 8 mm.mrad, sendo preferivelmente superior a 2 mm.mrad, mais preferivelmente ainda superior a 3 mm.mrad, e/ou preferivelmente inferior a 7 mm.mrad, mais preferivelmente ainda inferior a 5 mm.mrad. Lisboa, 25 de Fevereiro de 2009