Desempenho do corte a laser industrial entre a tecnologia fibra e CO2 (Part2/2)

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3. Comportamento de absorção para diferentes fontes
Propriedades Unidade Aço Alumínio
Número do eletrões de valência fracamente ligados  - 2 3
Peso atómico - 55,8 27
Temperatura de fusão [K] 1808 933
Temperatura de ebulição [K] 3008 2333
Temperatura média do material fundido, Tave [K] 2408 1633
Densidade de massa em TAve [Kgm-3] 6502 2135
Resistividade elétrica em TAve [Ωm] 145x10-8 34x10-8
TABELA01
Características da fonte inerentes como a qualidade do feixe energia e comprimento de onda e em última análise a definição da qualidade da superfície alcançável e velocidades de corte para diferentes materiais e espessuras. Até a atualidade os lasers de CO2 são o padrão no corte preciso bem como chapas grossas, essas fontes são aqui caracterizadas como radiação de 10 um. O corte de chapas finas pode melhorar o desempenho do CO2 e as fontes de laser de díodo de potência alta em geral têm uma qualidade pior feixe de laser de fibra de disco e laser, mas comprimentos de onda semelhantes perto de 1 um. Consideravelmente o comportamento de absorção diferente é para ser esperado para os comprimentos de onda descritas e as influências de comprimento de onda, qualidade do feixe e poder sobre a absorção de ferro e alumínio são descritas a seguir. Feixe de absorção em superfícies metálicas é altamente dependente do ângulo de incidência e sobre as propriedades óticas do metal.
IMAGEM03IMAGEM03
Esta relação é definida pelas equações de reflexão de Fresnel sobre materiais opacos para paralelo (s-) e perpendicular (p-) estados de polarização:
Rp=[(n.cosα-1)2 + (k.cosα)2]/ [(n+cosα)2 + k2]
Rs=[(n-cosα-1)2 + k2]/ [(n+cosα)2+k2]
O índice de refracção N e o coeficiente de extinção K são parâmetros ópticos dependentes do material em frequências plasma, laser e da colisão, assim utilizando as propriedades da TABELA01 e a teoria apresentada em artigos anteriores e dos parâmetros que foram calculados para o ferro e alumínio como substitutos para as ligas de aço e alumínio. A absorção s -e p- refere-se a diferentes relações entre o plano de polarização definido pelo vector eléctrico e a direcção de propagação e plano de incidência que inclui a direcção de propagação e a normal da superfície. Para absorção p- os planos são coincidentes enquanto para absorção s- eles são perpendiculares. A absorção para os estados de polarização circular ou aleatórios é comumente modelado como uma média desses dois estados de polarização.
IMAGEM04
IMAGEM04
A IMAGEM03 mostra o gráfico da absortividade de ferro e de alumínio, como uma função do ângulo de incidência para 1 e 10 um de radiações e o ângulo de Brewster é definido quando a absorção atinge um máximo. Isso acontece por um ângulo incidente específico nos casos estudados para ambos os materiais a capacidade de absorção máxima de 1 mm de radiação ocorre para ângulos de incidência menores em comparação com a radiação de 10 um. Além disso em torno do ângulo de Brewster a absorção é menos sensível a variações no ângulo de incidência e em seguida para 1um radiação. No entanto muito perto No corte a laser a parte frontal cortada é normalmente inclinado para ângulos perto de 90° em relação à superfície à chapa de metal. A forte dependência da absorção sobre o ângulo de incidência do feixe de laser indica que a energia absorvida durante o corte a laser vai ser dependente da geometria da fenda de corte e assim também sobre a distribuição da intensidade do feixe e dos parâmetros de corte. A investigação recente tem provado, experimentalmente que o ângulo de inclinação dianteiro cortado diminui com o aumento da velocidade de corte até que já não esteja coberto pelo feixe e o pelo corte que normalmente é perdido. Alguns investigadores após a medição do corte frontal propõem que a condição mais eficiente ocorre quando feixe de corte é frontal e é acoplado duma maneira que se perde menos energia devido à transmissão do feixe sem interacção com o material. Se assumirmos uma relação entre a geometria de feixe, cortar inclinação e espessura do material da frente como mostrado na IMAGEM04 a absorção pode ser representada graficamente como uma função da espessura da chapa para uma configuração óptica e do laser específico. A IMAGEM05 mostra os resultados para as configurações das laser consideradas neste trabalho para a absorvibilidade em alumínio e ferro e a alta absorção, próximo do valor de ângulo de Brewster está prevista em ambos os materiais para a configuração de laser de díodo para toda a gama de espessuras.
IMAGEM05a
IMAGEM05b
IMAGEM05-a,b.
A absorção em (a) de ferro e (b) de alumínio em função da espessura da chapa para as configurações ópticas dos laser estudados.
4. Resultados e análise
Espessura [mm]
Material
Imagem
EN ISO 9013 classe qualidade
Velocidade de corte [m/min]
1
S235
 TABELA02_01
0
12,5
2
S235
I
5,25
4
S235
I
3,2
6
S235
I
1,9
8
S235
I
1,3
10
S235
II
1
1
EN AW-5083
 TABELA02_02
I
13
2
EN AW-5086
I
6
4
EN AW-5754
N
2
6
EN AW-5754
N
1
1
304 L
 TABELA02_03
I
11
2
304 L
I
5
4
304 L
N
1,45
8
304 L
N
0,55
TABELA02
Os resultados de corte optimizados para cada combinação de material e espessura são apresentados na TABELA02, e a diferença evidente em termos de limites de qualidade da superfície e espessura é encontrado para os dois regimes de corte estudado. A chama de corte de um aço estrutural com rendimentos de uma qualidade aceitável da superfície de acordo com a norma UNI EN ISO 9013, para espessuras até 10 mm e em caso do corte de fusão de ambos aço inoxidável e alumínio a qualidade da superfície é consideravelmente pior para espessuras superiores a 2 mm onde as amostras cortadas não atingiram as classes de qualidade ISO 9013. Cabe mencionar que esta é uma norma muito rigorosa e que a qualidade de superfície necessária depende muitas vezes da aplicação. A qualidade da superfície inferior é principalmente devido à fraca rugosidade da face de corte que é característica para 1 um de radiação. Na verdade vários investigadores estudaram esse problema para fibra e disco laser e sugeriu algumas razões para este fenómeno, houve quem prevê-se uma temperatura de corte de baixo para a frente para a radiação de 1 um que é responsável por uma maior viscosidade do material fundido e uma expulsão mais difícil pelo gás auxiliar, e se encontrada uma relação entre a dependência angular da absorção de metais e de instabilidades no estado fundido que conduzem a uma maior rugosidade para 1 um das amostras cortadas, outros investigadores estudaram o efeito de múltiplas reflexões sobre a qualidade da superfície e descobriam que para 1 mícron radiação além do impacto positivo em termos de maior velocidade de corte as reflexões mais elevadas também foram responsáveis por uma desestabilização da zona de corte inferior levando a estrias grosseiras.
IMAGEM06_a
IMAGEM06_bIMAGEM06_c
  
IMAGEM06-a,b,c
Velocidades de corte atingíveis [m/min] para diferentes fontes em: corte a fusão da IMAGEM06a de aço inoxidável e IMAGEM6b de alumínio, e IMAGEM6c o corte de chama de aço estrutural.
Para obter uma visão melhor desempenho da fonte de DDL estudado em corte de chapas, as velocidades de corte optimizadas são comparados com as velocidades aplicada sobre CO2 estabelecido e laser de fibra máquina plataformas como se observa na IMAGEM06. Para a fusão de corte a configuração DDL conseguida uma velocidade de corte mais elevada do que uma fonte de CO2 com a mesma potência de saída. Esta diferença é ainda mais acentuada para chapas de alumínio e como esperado a partir dos cálculos de absorção na Seção 3 para as chapas finas do laser da fibra tem claramente o melhor desempenho no corte de fusão que é principalmente devido à maior densidade de energia como resultado de uma melhor qualidade do feixe e os melhores resultados de corte em relação à configuração do laser de díodo foram obtidos para o corte de chama aonde o laser de díodo alcança velocidades de corte semelhantes aos de CO2 e de fibras laser com potência de saída equivalente. Em chama de corte de cerca de 40% da energia necessária ao processo é adicionado ao processo de oxidação a reacção exotérmica mas o oxigénio e o equilíbrio da energia do laser duns aos outros para conseguir um corte estável. Isto explica parcialmente as velocidades de corte mais homogéneas para as diferentes fontes com a mesma potência de saída. Uma potência mais elevada permite uma velocidade de corte mais elevada para chapas de espessura como se pode ver na IMAGEM06C em que o desempenho da configuração do laser de CO2 4 kW é melhor do que os outros sistemas considerados. Por outro lado a alta densidade de energia do laser de fibra e a mais elevada potência de 4 kW e o CO2 não estão a dar uma vantagem às chapas finas como pode ser visto para o corte de fusão. Também pode ser estudada a reacção exotérmica do oxigénio com chapas de aço em detalhes e que provem que uma densidade de energia muito alta possa parar a reacção de oxidação e portanto levar à redução da qualidade de corte e velocidade de corte de operação máxima.
5. Conclusões e outros trabalhos
A fonte de DDL analisados no presente estudo verificou-se ser capaz de cortar os materiais testados em velocidades de corte industrialmente relevantes com uma qualidade de corte aceitável revelando o potencial para a aplicação de laseres de díodo em corte por laser como uma fonte direita. Para o processo de corte a quente, foram obtidos com amostras de boa qualidade de superfície e velocidades similares aos cortes realizados sobre uma fibra e um laser de CO2. Para o processo de corte de fusão e com a mesma potência de saída, a velocidade de corte mais elevada que foi de uma fonte de CO2 mas menor do que o laser de fibra de referência, enquanto a qualidade da superfície era bom apenas para chapas finas. Além disso as considerações teóricas sobre a absorção de metais ajudou a entender as diferenças de desempenho de corte para estas fontes de laser. Trabalho futuro vai incidir sobre o aumento da ligação do feixe através de alterações na geometria do feixe quer através da utilização da óptica adequadas e utilizando fontes de laser de díodo com melhor qualidade do feixe.
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